架空輸電線路巡檢機器人塔上充電系統設計及充電策略研究

侯建國， 張斌*， 劉曉銘， 黃國方， 薛棟良， 溫祥青， 蔣軒

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司， 南京 211106； 2.國電南瑞科技股份有限公司， 南京 211106)

隨著電網規模的擴大和智能化巡檢要求的提高，利用機器人對架空輸電線路進行檢查已成為近年來的研究熱點[1-5]。但是高壓輸電線路多分布在野外，機器人能量補給存在困難。因此，為滿足機器人全天候在線工作的要求，機器人能量補給是一個急需解決的問題[4-7]。

目前，輸電線路巡檢設備能量在線補給的主要方式有感應取電[8-9]、太陽能充電[10-11]及桿塔處設置充電站[4,12]等。文獻[8]采用雙磁路的電流互感器在線取電方法獲取能量，解決了磁路易飽和、取電功率較小等問題；文獻[9]提出的變比折算法進行諧振匹配，可使電流互感器(current transformer，CT)取能功率達到1.82 W，是采用傳統非諧振取能方法的6～7倍；但感應取電對于含絕緣層的線路，需要剝除絕緣層，且無法滿足此類功率需求較大的巡檢機器人設備，存在實用性受限問題[8-9]。文獻[10]和文獻[11]設計了由光伏直接向設備供電的控制系統，可有效平抑光伏輸出功率的波動，但當前的太陽能充電系統模塊多，體積、重量大，不適宜桿塔充電站輕量化部署的要求；文獻[4]和文獻[10]通過在固定桿塔處放置蓄電池為機器人提供能量補給，以實現機器人長時間、遠距離的巡檢目的，但并未給出充電站系統設計方案，也未對充電對接控制方法及充電站部署策略進行研究，不便于塔上充電系統的推廣。

為有效解決以上問題，針對線路巡檢機器人運行環境及其充電需求，設計出一套輕便、可靠的塔上光伏充電系統，并對充電接口及其對接算法進行優化設計，以提高充電對接可靠性及自動化水平；建立機器人工作能耗模型，給出更科學的充電站布局方案及高效的機器人充電策略。通過理論分析及實驗測試，驗證機器人塔上充電系統的可行性和有效性，以期進一步提高線路巡檢機器人的工作效率，加快機器人市場化應用進程。

1 機器人塔上充電方案設計

1.1 在線充電總體方案

線路巡檢機器人巡檢總體方案如圖1所示，機器人通過自動上下線系統進入架空輸電線地線進行巡檢工作。工作過程包括：行走、巡檢點作業、越障、在線充電、巡檢結束下線等環節。為滿足機器人全天候在線工作的要求，在施工階段將綜合線路總長、機器人續航能力、桿塔結構特點，規劃在固定桿塔建立太陽能充電基站，設置充電接口。當機器人需要充電時，機器人按照規劃路徑前往充電基站；到達充電基站所處桿塔后，按照設定流程進行充電對接開始能量補給；完成補給后，按照規劃進行充電復位并繼續進行巡檢工作。

圖1 線路巡檢機器人巡檢總體方案Fig.1 Overall inspection scheme of line inspection robot

1.2 塔上充電系統設計

為提高充電站的安全性及可靠性，塔上充電裝置采用模塊化設計，塔上充電系統模塊框圖(圖2)分為太陽能組件、智能配電柜、智能管理平臺三大核心模塊。

圖2 塔上充電系統模塊框圖Fig.2 Block diagram of tower charging system module

1.2.1 太陽能組件

為提高太陽能電池的光電轉換效率，選用單晶硅太陽能電池并采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，提高其可靠性和使用壽命。根據前期試點情況，除需考慮當地環境因素及不同地區的氣候及日照條件等客觀條件外，為提高充電系統供電可靠性，避免極端天氣出現造成供電不足，將太陽能電池的功率提升至本體電池需求的1.5倍。

1.2.2 智能配電柜

充電系統需長期運行在野外自然環境下，工作環境惡劣，因此在滿足IP67防護的智能配電柜中集成太陽能充放電控制器、GPRS串口聯網服務模塊、光伏防雷器、直流空開及蓄電池等關鍵部件，從而提高關鍵部件的安全性、工作可靠性和維護的便捷性。

1.2.3 智能管理平臺

通過管理平臺，可遠程監測太陽能系統運行數據，實現遠程監控中心對多個充電基站的發電狀態、蓄能狀態、負載能耗的監視、數據分析和故障預警；通過遠程控制，實現對用電設備的啟動和停止操作，確保系統的安全運行。

2 充電接口及充電對接方法

2.1 機器人充電接口設計

機器人充電接口的設計如圖3所示，分為安裝于過橋支撐板處的充電底座和安裝于機器人壓緊輪處的充電插頭兩部分組成。充電插頭與充電底座對準后，通過壓緊輪的上升，帶動充電插頭插入充電底座中，實現充電接口的對接。

由于機器人戶外充電所處環境復雜，為提高充電接口對接的環境適應性，機器人充電底座設計如圖4(a)所示，有前、后、左、右4個方向的調節彈簧，可適應水平面四個方向的擺動變化，同時充電底座采用喇叭形插入口設計，從而克服傳統插針與插孔對準難的問題。充電插頭設計如圖4(b)所示，在插頭內部彈簧的支撐下，插頭可沿導向槽上下滑動并限制了其周向轉動；充電底座與充電插頭電極均采用抗氧化材質，電極之間采用點面接觸進一步提高了接觸的可靠性，插頭底部設置有壓緊檢測傳感器，感應當前充電對接的壓緊情況。

圖3 機器人充電接口設計圖Fig.3 Design drawing of robot charging interface

圖4 機器人充電底座與充電插頭設計圖Fig.4 Design drawing of robot charging base and charging plug

圖5 機器人充電對接示意圖Fig.5 Schematic diagram of robot charging and docking

2.2 機器人充電對接及定位方法

2.2.1 機器人充電對接方式

機器人充電對接流程如圖5所示，當機器人進入充電站后，機器人低速行駛，開始充電底座檢測及對接流程：①利用壓緊輪上的碰檢傳感器檢測過橋支撐板，當碰檢到安裝有充電底座的過橋支撐板后機器人停止；②機器人壓緊輪下降并前進一定距離，行駛至充電底座的正下方；③機器人壓緊輪上升，帶動充電插頭插入充電底座中；④當壓緊輪上升至壓緊檢測傳感器有信號時停止上升，并判斷充電接口電壓，當檢測到電壓時表明對接成功，開始充電；當未檢測到電壓時，充電對接的壓緊輪下降，然后重復②～④動作進行對準距離微調。

2.2.2 機器人充電對接定位方法

機器人充電對接位置微調算法流程如圖6所示，機器人通過碰撞傳感器檢測到充電底座邊沿后，根據充電底座邊緣到充電對接中心的距離D，行走基準距離D后開始上升壓緊輪進行充電對接，如對接不成功，以該初始對接處為中心，開始前、后多次對接微調整，單次微調距離為2 mm，并根據壓緊輪尺寸限制，設定前后最大可各調整10次，從而可適應±20 mm的對接誤差。

n為巡檢點數量圖6 充電對接位置微調算法流程圖Fig.6 Flow chart of charging docking position fine tuning algorithm

3 機器人能耗及剩余電量模型

3.1 機器人巡檢過程工況分析

對一個典型檔距內機器人的運行過程進行劃分，并根據每個運行過程中的功率及持續時間計算機器人在單檔距內的作業能量損耗Ww、行走能耗Wr、越障能量損耗Wo，進而得到某一檔距內的能量損耗，可表示為

Wz=Ww+Wr+Wo

(1)

并依據機器人本體電池容量及線路信息得出：機器人對某一線路的巡檢作業續航能力及對某一線路的非作業情況下的續航能力；從而得出符合某一線路需求的充電站布局方案和機器人充電策略。

3.2 機器人剩余電量計算模型

機器人本體電池容量減去巡檢過程中的能耗即可獲得機器人剩余電量。機器人本體電池容量可通過一次完整的充放電測試得出[13]。

3.2.1 作業能耗分析

機器人作業方式為機器人駐停后調節云臺角度對巡檢目標進行拍照，因此其功率與機器人待機功率近似相等為Pw；單次作業時間為t，作業持續時間僅與巡檢點數量相關，根據架空輸電線路機器人巡檢技術導則[14]中對巡檢任務布設的原則，不同巡檢類型下巡檢點數量為n。因此某一檔距內的作業能耗為

Ww=Pwnt

(2)

3.2.2 行走能耗分析

結合線路實際情況，采用斜拋物線公式對輸電線路的懸鏈線公式進行簡化，并對機器人上下坡行走過程進行理論分析[15]，得出機器人上下坡時的力學模型如下。

(1)上坡時可表示為

Mq=Grsinθ+δ(Gcosθ+F′)

(3)

(2)下坡時可表示為

Mz=Grsinθ-δ(Gcosθ+F′)

(4)

式中：Mq為上坡驅動力矩；Mz為下坡驅動力矩；G為機器人重力；r為行走輪內徑；θ為地線任意一點坡度；δ為滾動摩阻系數；F′為機器人壓緊輪的壓緊力。

檔距內總弧長為L，機器人上坡段弧長為L1，下坡段弧長為L2，則機器人行走功耗為

(5)

式(5)中：s為安全系數。

3.2.3 越障能耗分析

根據障礙物不同，機器人采用不同的越障動作，越障能耗主要分為機器人行走能耗Wr、壓緊輪壓緊或松開能耗Wp，橫向模組展開或收攏能耗We，手臂扭轉關節的閉鎖或打開能耗Wl，根據橋類型的不同，采用不同的動作序列，因此機器人越障功耗為

Wo=Wr+Wpx+Wey+Wlz

(6)

式(6)中：x為壓緊輪壓緊或松開次數；y為橫向模組展開或收攏次數；z為手臂扭轉關節的閉鎖或打開次數。

將越障過程中機器人行走能耗計入機器人行走能耗，機器人工作能耗模型為

Wpx+Wey+Wlz

(7)

3.2.4 機器人剩余電量計算模型

WR=Cz-Wz

(8)

式中：WR為機器人剩余能量；Cz為機器人本體電池總能量。

4 充電站布局及充電策略

4.1 充電站布局

對太陽能充電站進行布局規劃時，需遵循兩個原則：①機器人本體電池巡檢工作里程必須要大于太陽能充電基站間距，以實現連續巡檢；②機器人充電不成功時本體剩余電量可供機器人以非工作模式(僅行走和越障)快速返回至上一充電站進行能量補給，以確保機器人不會出現失電。

依據以上兩個原則，結合實際線路工況參數計算機器人持續巡檢的續航能力，同時考慮機器人本體電池能量轉換效率、不同工作溫度下容量會發生相應變化，以及隨使用時間電池本身性能的衰減，特引入安全系數s，即可得出機器人充電站布局方案為

(9)

式(9)中：E為電池提供給機器人的有效工作電能，根據理論計算，機器人完全放電可完成n′個檔段的巡檢；Wz為第z個檔段所消耗的電能，Wzi-Wwi為第i個檔段行走和越障(非巡檢模式)所消耗的電能，太陽能充電基站部署在q檔段。

4.2 充電策略

機器人充電方式可分為：順路充電、緊急充電、人為控制充電3種方式。根據充電方式的不同采用不同的充電策略，具體如下。

(1)順路充電。機器人充電站的布局滿足機器人順路充電需求，所以正常巡檢情況下，當機器人路過充電站時即進行能量補給，完成補給后繼續線路巡檢任務，從而實現巡檢任務與能量補給的協同。

(2)緊急充電。當目標充電站因故障或其他問題不滿足機器人順路充電需求時，機器人暫停當前巡檢任務，并自動插入緊急充電任務，以非巡檢模式返回上一充電站進行能量補給，完成補給后折返并繼續原巡檢任務。

(3)人為控制充電。當人工選擇充電站并下發充電指令后，機器人導航模塊會自動規劃出行駛路徑，并按規劃路徑評估機器人當前電量是否滿足到達目標充電站，如滿足則執行充電任務，不滿足則返回失敗原因并推薦可行方案供用戶選擇。

5 實驗測試

在南瑞集團江寧基地，依照220 kV單分裂線路標準搭建線路巡檢機器人實驗測試場地，并選擇2#桿塔裝配機器人塔上充電系統，如圖7所示。開展架空輸電線路巡檢機器人塔上充電系統運行穩定性、機器人充電對接可靠性進行測試。

圖7 機器人塔上充電系統Fig.7 Robot tower charging system

5.1 充電系統運行穩定性測試

太陽能充電系統負載、光伏(photovoltaic，PV)組件、蓄電池3個主要單元的運行過程參數如圖8所示，系統運行穩定、負載及蓄電池工作平穩，各項參數滿足系統設計要求。

圖8 塔上充電系統運行數據統計Fig.8 Statistics of operation data of tower charging system

5.2 充電對接可靠性測試

設定2#桿塔為機器人充電桿塔，開展機器人自主充電對接可靠性測試，關鍵環節如圖9所示。通過在機器人前、后方向增加±20 mm的行走定位誤差，左、右方向增加±20°(該機器人在6級風速下最大偏角)的擺動角度，進行20次充電對接測試，如表1所示。實驗結果表明，該充電接口有較好的環境適應性，滿足充電對接可靠性要求。

6 結論

(1)所提出的架空輸電線路巡檢機器人塔上充電系統，解決了機器人在野外能量補給困難的問題，為巡檢機器人全天候在線工作提供了能量保障，提升了線路巡檢機器人的實用化水平。經理論分析與實驗驗證，該機器人塔上充電系統，運行穩定，充電對接可靠，不僅滿足線路巡檢機器人能量補給的需求，也對類似設備的能量補給，提供了一種可行方案。

圖9 機器人自主充電對接可靠性測試Fig.9 Reliability test of robot autonomous charging and docking

(2)在后續研究中，將針對輸電線路巡檢機器人工作場景特點，開展機器人無動力下坡與饋能控制策略的研究和基于多傳感器信息融合的里程測算方法，形成一套輸電線路巡檢機器人能量管理系統，進一步提高機器人自動化水平。

表1 充電對接實驗結果