變電站掛軌機器人智能巡檢系統技術研究

李新海，徐寶軍，肖星，曾令誠，羅其鋒，劉德志，凌霞，羅海鑫

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山528400）

變電站是電力系統的重要組成部分，變電設備可靠運行對保障電力系統安全穩定運行有著重要意義。對變電設備進行巡檢、及時發現設備缺陷隱患并消缺是保障電網安全穩定運行、提高供電可靠性的常規基礎工作[1-3]。目前電網企業普遍采用人工方式，通過運行人員對變電設備進行定期巡檢或特殊巡檢。人工巡檢作業需要運行人員近距離看、聽、聞、嗅，作業時需攜帶大量的檢測儀器，存在勞動強度大、工作效率低、人身安全無保障、人機工效差等問題，同時受運行人員素質、惡劣氣候條件影響，巡檢質量不穩定，管理成本高，容易產生漏判、誤判[4-5]。隨著機器人技術的發展，變電站采用機器人巡檢可以彌補人工巡檢的不足，為解決上述問題提供了新的途徑[6]。

從20世紀80年代開始國內外對變電站機器人巡檢技術陸續開展了研究。日本在20世紀90年代利用紅外傳感器技術研制了500 kV變電站有軌巡檢機器人，實現了對變電設備溫度的自動測量[7-8]。2008年巴西圣保羅大學研制高空軌道機器人實現對變電設備異常發熱進行紅外線熱成像測溫[9]。2002年我國在國家863計劃的支持下開展變電站設備巡檢機器人的研究并成功制造出第1臺變電站巡檢機器人[10-11]。但由于相關技術的限制，機器人巡檢未在變電站大規模推廣應用。

近年來，隨著計算機性能的大幅提升以及通信技術、人工智能技術、高清攝像技術、圖像識別技術、紅外測溫技術的發展，機器人巡檢代替人工巡檢已成為變電設備巡檢的發展方向。目前巡檢機器人按行走方式主要分為軌道式、輪式和履帶式三種機器人[12]。由于城市用地的緊張，室內六氟化硫封閉式組合電器（gas insulated switch?gear，GIS）變電站取代傳統的敞開式變電站已成為主流[13]。室內變電站繼電保護室、GIS室、高壓室等設備室存在設備眾多、空間狹小、布局復雜等問題，導致輪式、履帶式以及地面軌道式機器人因巡檢角度難以對室內設備進行全方位巡檢，同時因室內設備阻擋導致無線通訊質量不佳，進而影響了機器人自動導航和信息通訊。

為實現機器人巡檢室內變電設備功能，本文提出并研制了變電站掛軌機器人智能巡檢系統，通過在變電站設備室內安裝吊頂軌道，將機器人掛軌在該軌道上實現無障礙行走，從而定點對變電設備的空氣開關、壓板、指示燈、把手、表計、端子排、套管、接線掌、高壓柜等設備元件進行人工智能圖像識別、紅外測溫、局放信息采集等功能巡檢。該系統可代替人工巡檢，降低了運行人員的勞動強度，提升了巡檢效率和巡檢質量，可智能診斷設備隱患并預警變電運行人員進行消缺，確保變電設備安全可靠運行。

1 變電站掛軌機器人智能巡檢系統結構與功能設計

1.1 系統結構設計

變電站掛軌機器人智能巡檢系統由后臺主機、各設備室掛軌機器人就地管理裝置及各設備室的掛軌機器人組成，系統結構如圖1所示。

圖1 變電站掛軌機器人智能巡檢系統結構圖Fig.1 Structural diagram of the track-hanging robot intelligent inspection system in substation

系統后臺主機通過就地管理裝置實現對各設備室機器人的控制、管理，對機器人發布巡檢任務和巡檢路線。各設備室機器人通過就地管理裝置將采集到的可見光圖片信息、紅外測溫信息、局放信息上傳到系統后臺主機。系統后臺主機對機器人上傳的信息進行存儲、分析、智能診斷、預警設備隱患，生成巡檢報告并制定運維檢修策略，為設備運維檢修提供決策依據。

系統主要采用有線通信，系統后臺主機利用交換機通過以太網接入各設備室就地管理裝置內載波模塊，就地管理裝置內載波模塊利用滑觸線接入掛軌機器人內的載波模塊，掛軌機器人的主機以及檢測儀器通過以太網接入本體載波模塊，從而實現系統后臺主機與掛軌機器人數據交互。系統傳輸帶寬不小于60 Mbps，保證了可見光高清圖片、紅外測溫圖片、巡檢任務等數據的實時可靠傳輸。掛軌機器人智能巡檢系統還提供遠程數據訪問接口，支持遠程系統瀏覽機器人采集的數據信息。

1.2 系統功能設計

1.2.1 系統后臺主機功能設計

系統后臺主機實現對各設備室內機器人的巡檢管理，主要功能如下：

1）編輯、制定巡檢任務并發布給機器人。

2）制定與巡檢任務相對應的機器人巡檢路線并發布給機器人，能實時監視機器人的位置。

3）與機器人進行數據交互，收集機器人采集的紅外測溫圖片、可見光圖片和局放信息，并進行存檔。

4）對采集的信息進行智能診斷分析并自動生成設備缺陷報表，一鍵生成巡檢報告并具有打印、導出功能。

5）對巡檢發現的設備缺陷、機器人本體故障以及通訊中斷等異常情況生成告警信息，可語音報警并短信通知運維人員進行維護、消缺。

6）具有巡檢策略管理、告警定值管理、設備狀態趨勢分析、報表統計、歷史查詢等功能。

1.2.2 就地管理裝置功能設計

掛軌機器人就地管理裝置主要由220 V交流電源切換模塊、整流模塊、載波模塊組成，每個設備室的就地管理裝置都有獨立的IP地址，具有承上啟下功能。

就地管理裝置通過滑觸線為機器人提供工作電源，同時利用滑觸線作為載波通道與機器人通訊，向機器人發布巡檢命令并接收機器人發送過來的巡檢信息。就地管理裝置與系統后臺主機通過以太網連接，接收系統發布的各種控制信息以及將接收的巡檢數據信息上傳到系統后臺主機。

1.2.3 軌道功能設計

掛軌機器人需沿軌道行駛到達巡檢目標。軌道需承載掛軌機器人重量，機器人重量約為50 kg，即要求軌道具備足夠剛度，以保障機器人長期行駛而軌道不變形。軌道安裝需滿足機器人平滑順暢行駛以及對巡檢設備從上至下全方位巡檢。

為滿足掛軌機器人的行駛要求，即能適應各種不同布局的設備室，本文設計的軌道采用高強度鋁合金材料制作的直軌與彎軌拼接吊頂安裝而成。該軌道通過可調節的吊頂固定裝置來固定安裝，從而保證軌道安裝高度適宜且水平。軌道的形狀可由直軌與彎軌拼接成單線型軌道或交叉型軌道。吊頂固定裝置主要由吊頂固定構件、可調節高度構件、水平調節底座、軌道水平固定構件等組成。吊頂固定構件通過拉爆螺絲將其固定在室內天花板上，通過調整可調節高度構件可使軌道安裝高度滿足掛軌機器人運行要求，通過調整水平調節底座的調節螺桿兩端螺母可調節軌道水平。

1.2.4 供電及通訊系統功能設計

機器人行駛以及檢測設備工作需要工作電源，目前主要采用電池或滑觸線供電兩種方式。機器人采用電池供電方式需使用大容量電池來保證電池的續航能力，同時還需建立配套的充電管理系統以及定期對電池維護，因此機器人采用電池供電方式將增加建設成本，同時也增大機器人本體的體積及重量，不利于掛軌機器人智能巡檢系統的建設。掛軌機器人采用滑觸線供電方式可保證不間斷供電，機器人本體無需安裝大容量電池，減小了機器人本體的體積及重量，起到了節能降耗作用。

本文設計的掛軌機器人采用滑觸線供電，滑觸線安裝在軌道上方，實現了不間斷供電，解決了因電池電量不足而導致機器人無法完成巡檢任務的問題。同時滑觸線實現了就地管理裝置與機器人本體的有線連接，利用滑觸線作為載波通信通道實現與系統后臺主機的通訊功能，無需再額外安裝有線通訊線路或無線通訊裝置。

1.2.5 掛軌機器人功能設計

掛軌機器人具備自動行駛、定位、信息采集、數據交互功能。機器人本體的集電裝置可實時在滑觸線上取得工作電源并建立載波通信通道實現通訊功能。集電裝置采用雙電刷并排安裝方式，掛軌機器人直行時兩電刷平面同時與滑觸線接觸，掛軌機器人進行內、外彎轉彎時，兩電刷有效配合，保持圓弧面或平面與滑觸線表面有效接觸。掛軌機器人底盤采用輪式結構在軌道上行駛，利用碼盤與定位標簽共同實現精確定點停靠功能。機器人根據巡檢任務自動定點?？吭谘矙z目標前，伸縮臂自動伸縮控制云臺高度，云臺自動調整角度后對焦進行可見光圖片、紅外測溫圖片拍攝及局放信息采集。機器人利用滑觸線作為載波通道將采集的數據發送至系統后臺主機進行智能診斷分析以判斷巡檢設備是否正常，同時還將機器人自檢的故障信息上傳至系統后臺主機以通知運維人員進行維護、消缺。

2 變電站掛軌機器人智能巡檢系統關鍵技術

2.1 掛軌行駛驅動技術

掛軌機器人底盤采用輪式結構，其主要由電機、1個驅動輪、4組導向輪、4個彈簧裝置以及定位標簽讀取裝置組成。驅動輪安裝在導軌下方緊貼導軌，電機拖動驅動輪行駛，驅動輪上裝有計算行程的碼盤用以記錄機器人的行駛距離。定位標簽讀取裝置可快速識別軌道上的定位標簽信息，及時修正機器人當前的位置信息。4組導向輪分別安裝在軌道上、下兩側，上方的導向輪壓在導軌上以支撐整個機器人。軌道上方的導向輪旁并排安裝了一個彈簧裝置，利用軌道外側彈簧與內側彈簧的水平壓縮力調整驅動輪方向實現彎道轉彎，保障機器人在彎道上平滑行駛。

掛軌機器人通過控制電機轉速實現了掛軌機器人行駛控制策略，可減小運動慣性引起的定位誤差。掛軌機器人行駛控制策略邏輯如圖2所示，掛軌機器人啟動時首先根據巡檢路線判斷目標距離并控制行駛速度，距離巡檢目標有超過2個定位標簽時掛軌機器人快速行駛達到正常行駛速度，在經過與巡檢目標最近的第2個定位標簽時，掛軌機器人自動將行駛速度控制為正常速度的50%，在經過與巡檢目標最近的一個定位標簽時，掛軌機器人自動將行駛速度控制為正常速度的20%，到達巡檢目標時即發停止制動命令。

圖2 掛軌機器人行駛控制策略邏輯圖Fig.2 Logic diagram of the control strategy of the track-hanging robot

2.2 巡檢定位技術

掛軌機器人沿軌道行駛，通過碼盤進行測距和定位，同時通過軌道上的定位標簽對碼盤測距進行校準，實現精確定點?？?。軌道上裝設的定位標簽，可采用二維碼、磁條、射頻識別（radio fre?quency identification，RFID）等技術[14-15]。根據各設備室巡檢對象的間隔，選取合適間距在軌道上精確安裝定位標簽，配合安裝在掛軌機器人本體的定位標簽讀取裝置，可實現測距、校準功能。

系統對掛軌機器人所在設備室的軌道、定位標簽、設備位置進行巡檢模型建模。進行巡檢工作前在系統后臺主機建立巡檢任務，并在建好的巡檢模型中自動計算當前機器人與各巡檢目標的距離，自動規劃、生成并發布最優巡檢路線。機器人接收到的巡檢任務及最優巡檢路線后自動開展巡檢工作，通過碼盤實時測距并上送至后臺主機形成巡檢軌跡記錄，機器人經過定位標簽時自動修正位置信息、碼盤測距結果并進行碼盤測距校準，經行駛預定距離后定點到達巡檢目標位置，自動開展巡檢工作。掛軌機器人巡檢定位流程如圖3所示。

圖3 掛軌機器人巡檢定位流程圖Fig.3 Inspection positioning flowchart of track-hanging robot

2.3 自動采集信息技術

系統對設備室內每個巡檢目標的不同部位進行巡檢任務建模。每個巡檢目標中包含多個子設備，如裝置本體、壓板、空氣開關等。系統后臺主機根據巡檢規范要求選擇安排子設備的巡檢項目，如是否拍攝可見光圖片、是否進行紅外測溫、是否收集局放信息等。每個子設備任務中還包含了掛軌機器人伸縮臂長度控制以及全向云臺檢測儀器采集角度控制。機器人按巡檢路線達到巡檢目標前，根據巡檢任務自動調整伸縮臂長度，自動控制全向云臺將檢測儀器調整至預定采集角度，再進行相關拍攝、測溫、局放檢測后將采集信息上傳至系統后臺主機，從而實現了掛軌機器人巡檢信息的自動采集。

2.4 紅外防碰撞技術

系統采用了防碰撞技術防止掛軌機器人工作或行駛過程中誤碰障礙物而損壞設備。因紅外傳感器具有功耗低、結構簡單、體積小、成本低廉、精度高等優點，同時不受電磁波及周圍可見光的影響[16-18]，故在掛軌機器人上安裝了紅外傳感器以實現防碰撞功能。掛軌機器人工作或行駛過程中定時向周圍發射紅外線，碰到障礙物后反射回機器人接收，根據紅外線發射及接收的時間以及紅外線的傳播速度即可計算掛軌機器人與障礙物之間的距離。當檢測機器人與前方障礙物的距離小于設定值時，機器人即向驅動輪的電機控制器發送停車命令并向系統后臺主站發送告警信號，驅動輪將停止行駛。當檢測機器人與下方障礙物的距離小于設定值時，機器人即向伸縮控制器發送停止伸長命令并向系統后臺主站發送告警信號，伸縮臂將停止向下伸長。運行人員收到告警信號后需到現場清除障礙物，待障礙物被清除，機器人檢測到無障礙物后可繼續行駛或工作。掛軌機器人防碰撞技術邏輯如圖4所示。

圖4 掛軌機器人防碰撞技術邏輯圖Fig.4 Logic diagram of anti-collision technology for track-hanging robots

2.5 直流載波通信技術

設備室內的掛軌機器人與就地管理裝置之間采用了直流載波通信技術實現數據交互通訊功能，滑觸線不僅為機器人提供工作電源，同時兼作信號通訊線。在以太網傳輸的信號加載到滑觸線上之前，需利用數字頻率調制技術（fre?quency shift keying，FSK）將發送的信號進行調制。數字頻率調制技術容易實現，抗噪聲和抗衰減性能較強，有助于提高通訊系統的穩定性[19-20]。掛軌機器人智能巡檢系統直流載波通信如圖5所示。

圖5 變電站掛軌機器人智能巡檢系統直流載波通信圖Fig.5 DC carrier communication diagram of track-hanging robot intelligent inspection system in substation

就地管理裝置采用雙電源切換的工作模式來提高供電可靠性，兩路交流電源AC 220 V進線經切換繼電器切換后進入整流模塊，由整流模塊整流輸出DC 36 V，為滑觸線提供工作電源。機器人的集電裝置從滑觸線上取得工作電源來保證各個部件的正常電源供應。就地管理裝置以及機器人本體分別安裝了載波模塊以實現數字信號與高頻模擬信號的調制。發送信號端的載波模塊將以太網傳輸來的數字信號調制成36.8 kHz高頻信號后耦合到直流滑觸線上進行傳輸，接收信號端的載波模塊將從直流滑觸線上接收到的36.8 kHz高頻信號解調成數字信號后通過以太網傳輸，最終實現了系統后臺主機與掛軌機器人之間的數據交互通訊。就地管理裝置以及機器人本體內部直流電源接入處均安裝了阻波電感L，確保高頻載波信號全部進入載波模塊內，從而減少了高頻信號衰減，提高了載波通信的可靠性。

3 應用實例

3.1 現場實施與效果

500 kV文山變電站是南方電網首座500 kV戶內GIS變電站，也是南方電網智能技術應用示范點。500 kV文山變電站目前安裝500 kV變壓器2臺、500 kV線路4條、220 kV線路8條以及相關二次設備，其設備主要分布在500 kV GIS室、220 kV GIS室、主變及35 kV設備高壓場、繼電保護室等4個區域。其中220 kV GIS室有220 kV線路、主變、電壓互感器（potential transformer，PT）、母聯、分段等間隔設備共18個，繼電保護室有保護、測控、通信等屏柜共182面。按照廣東電網公司《變電設備運維策略實施細則》對500 kV變電站設備的巡檢要求，變電運行人員需對上述設備開展每日1次的日常巡檢和每月1次的全面巡檢，巡檢任務繁重，耗時較長。

2018年12月，本文研制的變電站掛軌機器人智能巡檢系統已安裝應用于500 kV文山變電站，在220 kV GIS室、繼電保護室分別安裝了掛軌機器人，實現了上述設備的智能巡檢功能。該系統按“每月1次人工全面巡檢標準”開展每日1巡，采集設備可見光高清圖像、紅外測溫圖像等數據，進行人工智能分析并生成巡檢報告，預警設備存在的缺陷隱患，為變電設備運維檢修提供決策依據。

圖6為500 kV文山變電站掛軌機器人智能巡檢系統后臺主機自定義繼電保護室500 kV獅文乙線主Ⅱ保護屏壓板巡檢任務界面，變電站運行人員可按巡檢工作要求自定義巡檢任務及巡檢內容。

圖6 掛軌機器人智能巡檢系統自定義巡檢任務界面Fig.6 Customized inspection task interface for the trackhanging robot intelligent inspection system

圖7為500 kV文山變電站繼電保護室掛軌機器人現場巡檢工作畫面，該機器人按系統發布的巡檢任務、巡檢路線在500 kV獅文乙線主Ⅱ保護屏前開展壓板巡檢工作。

圖7 繼電保護室掛軌機器人現場巡檢工作畫面Fig.7 On-site inspection work picture of trackhanging robot in relay protection room

截止到2019年12月，500 kV文山變電站利用掛軌機器人智能巡檢系統按照《變電設備運維策略實施細則》要求對220 kV GIS室、繼電保護室實施了掛軌機器人巡檢。表1為掛軌機器人巡檢與人工巡檢的內容及時間對比表。由表1數據測算，利用掛軌機器人代替人工巡檢，每月至少可節省人工173工時，每年可節省人工2 076工時。該系統的應用將文山站運行人員從繁重的巡檢任務中解放了出來，可更好地投入到設備運維工作中，有效提升了500 kV文山變電站設備運維水平。

表1 掛軌機器人巡檢與人工巡檢的內容及時間對比表Tab.1 Comparison table of content and time of track-hanging robot inspection and manual inspection

3.2 應用問題與解決措施

1）掛軌機器人掉電重啟或通訊中斷后的定位失效問題。掛軌機器人本體在掉電或與后臺通訊中斷過程中掛軌機器人無法識別或上傳定位信息，此時如果機器人因某種原因移動位置而碼盤測距失效將造成掛軌機器人位置定位失效。500 kV文山變電站掛軌機器人智能巡檢系統設置了掉電重啟與通訊恢復后機器人的位置定位策略，即掉電重啟或通訊恢復后機器人自動沿軌道行走至相鄰定位標簽，讀取定位標簽信息并上傳到后臺主機，從而完成掉電重啟或通訊中斷后掛軌機器人位置定位。

2）掛軌機器人定位精度控制問題。500 kV文山變電站掛軌機器人智能巡檢系統后臺主機建立了掛軌機器人所在設備室的軌道模型、巡檢目標模型、機器臂的伸縮長度及儀器拍攝角度等模型，要求掛軌機器人精準到達巡檢目標位置后開展巡檢工作，確保采集的圖像信息滿足后臺主機識別要求并與模型圖庫進行有效比對。掛軌機器人在定位標簽間的位置采用碼盤測距進行定位，按照本文“2.2節巡檢定位技術”要求需選取合適的距離安裝定位標簽。經測試，在軌道上按每間隔3 m設置一個定位標簽可使機器人到達位置與巡檢目標位置的定位誤差控制在2～3 cm以內，滿足了巡檢定位精度控制要求。

3）掛軌機器人彎道行駛穩定控制問題。500 kV文山變電站掛軌機器人采用S型懸掛軌道，掛軌機器人重量達50 kg，機器人在高速轉彎行駛過程中由于慣性大導致機器人本體出現大幅晃動，對掛軌機器人驅動機構和軌道造成嚴重損害。為保障機器人彎道行駛時的穩定性，該系統在軌道彎道兩端前設置了彎道定位標簽，機器人駛入掛軌彎道前首次讀取彎道標簽后即減速行駛，隨后機器人慢速、穩定通過掛軌彎道，駛出掛軌彎道并再次讀取彎道標簽后再恢復正常速度行駛。

4 結論

本文基于掛軌行駛驅動技術、巡檢定位技術、自動采集信息技術、紅外防碰撞技術、直流載波通信技術等關鍵技術，研制了變電站掛軌機器人智能巡檢系統，實現了在空間狹小復雜的變電站設備室內的機器人智能巡檢功能。

該系統可代替人工巡檢設備，減輕了運行人員的工作負擔，保障了運行人員的人身安全，可及時發現設備缺陷隱患并預警通知運維人員維護、消缺，有效地提升了變電設備運維工作質量和效率。該系統在500 kV文山變電站的應用驗證了系統的實用性及有效性，對變電站機器人智能巡檢技術發展有著積極推動作用。