變電站巡檢機器人無線充電技術研究

陳麗霞，林 杰，張 焰，盧 海，吳 炅，徐 研，胡 燃

(廣東電網有限責任公司廣州供電局輸電管理一所，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著智能化建設的持續推進，目前我國變電站采用巡檢機器人進行日常巡檢工作已經相對普及。巡檢機器人充電技術主要包括接觸式充電和無線充電兩種方式。由于接觸式充電需要利用特定軌道，并配備專門的充電室，設計方面要求精度較高，控制復雜度較大，機器人巡檢和充電過程，造成時間浪費，效率不高；且充電過程容易造成充電插頭磨損，導致充電接觸不良等故障率較高；另外，陰雨等特殊天氣，很容易造成漏電、觸電等事故。所以，目前應用較多的為無線充電模式。無線充電模式主要利用無線電能傳輸原理對巡檢機器人實施充電。巡檢機器人通過自身攜帶的電池監控裝置，對自身電壓進行監控，一旦電壓低于觸發報警閥值時，巡檢機器人根據自帶無線充電信號源尋找裝置，自動尋找巡檢路徑中最近無線充電源進行無線充電。無線充電方式由于定位準確，系統充電可靠性較高，充電時間快，且無充電虛接、漏電情況，設備利用效率高，具有很好的靈活性和實用性[1]。

1 無線充電分類及特點

變電站巡檢機器人無線充電從技術原理和電能模式上主要包括光伏充電、長導軌式和分段式無線充電技術。光伏充電技術主要是在機器人巡檢路徑中建立多個光伏充電點，將光能轉化為電能，在巡檢過程實時對巡檢機器人進行電力補充，其特點在于設計成本低，環保經濟實惠；缺點在于需要在巡檢機器人內部進行光伏電能轉換設計，且陰雨天氣或夜晚無法進行充電。長導軌式無線充電技術在設計方面具有優勢，僅需在巡檢機器人底部加裝無線接收線圈；但是這種充電方式需要全程鋪設巡檢路徑無線發射軌道，投資較大。分段式無線充電技術相對簡便，無需全程鋪設專用充電軌道，其原理主要是在幾個固定巡檢路徑點埋設充電發射分離線圈裝置，按照巡檢機器人電量控制裝置進行輪流導通充電，減小了發射線圈的內阻損耗和電磁輻射，經濟實用，充電效率高。分段式無線充電原理圖如圖1所示。

圖1 變電站巡檢機器人分段式無線充電原理圖

根據巡檢機器人充電狀態，巡檢機器人無線充電又可以分為靜態無線充電和動態無線充電兩種模式，根據變電站巡檢機器人巡視路徑較為固定的特點，結合無線紅外靜止檢測需要，采用分段式靜止無線充電技術相對簡潔高效，其特點在于提前計算好巡檢機器人在兩個巡檢點的不間斷巡檢行走、紅外測溫、可見光測試、導航等電量消耗情況。設計安裝小容量鋰電池，可實現巡檢機器人不間斷工作，巡檢效率較高。動態無線充電技術應用較廣，目前在高鐵、電動汽車等方面相對成熟，其電能變換安全、穩定、準確、可靠性較高。

根據發射及接收充電線圈結構和電能傳輸特點，無線充電技術主要有電磁感應模式、磁禍合諧振模式和微波模式。電磁感應充電模式傳輸效率一般在90%以上，其傳輸距離只有十幾厘米，傳輸路徑較短；微波充電模式由于微波有著較好的傳輸特性，抗干擾性強，其傳輸范圍能夠覆蓋數公里，傳輸覆蓋半徑較大，但是，微波充電模式存在能量損耗大傳輸效率不高的弊端；而磁耦合諧振充電模式其傳輸距離在0.05～0.5 m區域內，能耗較低，傳輸距離適中，能量轉換效率較高，目前應用較為廣泛，磁場耦合諧振模式無線充電原理框圖如圖2所示。

圖2 磁場耦合諧振模式無線充電原理框圖

2 磁耦合諧振式無線充電技術

2.1 磁耦合諧振式無線充電技術原理

磁耦合諧振式無線充電技術電能傳輸(Magnetic coupling resonance wireless powertransmission，MCR-WPT)技術原理主要利用磁場變換實現能量的傳遞，其特點在于發射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率，在系統工作頻率下，發射、接收線圈分別與各自諧振電容發生同頻諧振，實現能量傳輸。 圖2中，MCR-WPT系統由電源電路、電能變換電路、發射(接收)補償網絡、發射線圈、接收線圈、整流電路、負載(巡檢機器人)組成。電源電路主要對交流電源進行整流濾波和DC-DC直流調壓。電能變換電路主要包括Buck APFC電路、高頻逆變電路、DSP控制驅動電路等。系統工作原理為:工頻交流電經整流濾波-Buck APFC電路調整變換為直流電壓，再經高頻逆變電路逆變為85kHz的高頻交流電為發射線圈及補償網絡供電。發射線圈側通過光電傳感器實時采集巡檢機器人位置信息后，通過邏輯數字電平信號轉換后傳輸給DSP控制電路，DSP對巡檢機器人運動軌跡、接收線圈狀態等信息進行處理，通過發射、接收線圈物理位置是否在充電允許范圍的判斷，驅動高頻交流電路使發射線圈和諧振電容發生諧振，經過一段傳輸距離后由相同諧振頻率的接收線圈接收，再經高頻整流濾波后給巡檢機器人充電。DSP控制電路以采用數字高低電平轉換實現對繼電器的信號切換控制，從而控制電能變換電路的通斷，實現充電信號的發送。實施順序是:光電傳感器監測到發射線圈和充電線圈在可傳輸范圍內，打開發射線圈及補償網絡與電能變換電路的控制繼電器，DSP電路向電能變換電路發出升壓信號，實現巡檢機器人充電。一旦充電完成或傳輸范圍受限，DSP控制電路給電能變換電路發送降壓信號，從而關閉繼電器[2]。

2.2 磁藕合結構

巡檢機器人磁耦合結構主要有矩形-圓形、矩形-矩形、圓形-矩形、圓形-圓形4種結構類型。磁耦合結構為發射線圈和接收線圈的結構總稱，其起作用是把高頻交流電轉化為高頻磁場，實現電能的高效轉化和傳輸。無線充電系統磁耦合機構不同對電磁互感變化趨勢產生重要影響，從而決定了巡檢機器人無線充電系統的功率特性曲線和效率特性曲線。磁耦合仿真圖如圖3所示。

圖3 無線充電磁耦合結構仿真

利用系統仿真軟件ANSYS Maxwell，分別設置220 V控制輸入電壓，采用LLC-S電路拓撲結構，設置負載電阻值為4.85 Ω，磁耦合結構垂直距離為8 cm。進行4種磁耦合結構功率及效率仿真測試。

仿真結果表明，無線充電系統磁耦合結構發射線圈為矩形結構時，充電功率及效率曲線斜率變化較明顯，充電效果較為穩定。

2.3 補償網絡

巡檢機器人無線充電系統中，為了調節系統諧振頻率，弱化電路中的邏輯器件電磁暫態沖擊響應，提高整個系統的輸出功率以及充電負載能力，需要在發射及接收電路中增加補償網絡。常用的巡檢機器人無線靜態充電系統采用的補償網絡類型有發射端線圈串聯-接收端線圈并聯(S-P)型、發射端線圈串聯-接收端線圈串聯(S-S)型、發射端線圈并聯-接收端線圈串聯(PS)型、發射端線圈并聯-接收端線圈并聯(PP)型4種結構[3]，巡檢機器人4種無線充電補償網絡結構如圖4所示。

圖4 巡檢機器人4種無線充電補償網絡結構

圖5中4種補償網絡拓撲結構較為簡單，系統參數配置不高，普遍用于靜態無線充電系統。近年來，動態無線充電技術趨于成熟，應用越來越廣泛，動態無線充電系統對整個電路傳輸特性和系統穩定性要求較高，目前多采用LCC-S型補償網絡[4]，其電路結構如圖5所示。

圖5 LCC-S型補償網絡

圖5中，Lf表示發射端補償串聯電感，Lp表示發射端并聯補償電感，Cf表示發射端并聯補償電容，Cp表示發射端串聯補償電容，Rf、Rp分別表示發射端串聯、并聯補償電阻，Ui表示發射端輸入電壓。RS、CS、LS對應表示接收端寄生電阻，接收端串聯補償電容和接收線圈電感，RL表示等效電路輸出電阻(負載)；Ii、Ip、Is分別表示輸入端輸入電流、發射線圈和接收線圈的諧振電流[5]。利用仿真軟件對補償電感、電容、電壓進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 補償網絡電感、電容電壓仿真結果

仿真結果表明，無線充電電路系統在初始啟動到系統穩態過程中，補償網絡電感沖擊電壓在1 000 V左右，發射端補償電容沖擊電壓維持在500 V左右，接收端接收線圈電容沖擊電壓在2 000 V左右。

3 結語

隨著變電站巡檢機器人應用越來越廣泛，極大地提高了巡檢效率，減輕了電力職工工作強度，同時也確保了供電的安全性和穩定性。巡檢機器人充電技術從有線導軌接觸式充電逐漸發展為無線靜態、無線動態充電模式，技術逐漸趨于成熟，充電功率和效率得到了較大的提升。由于無線充電系統較為復雜，設計過程需要充分考慮現實環境、元器件選型、容量及電壓閥值、巡檢路徑等，在實際應用中，應確保系統的安全性、便利性和穩定性。