变电站室内设备巡视机器人的应用与研究

沈靖龙 赖宝鹏 胡炳杰 吴鹤雯

摘要

智能机器人已经在变电站日常巡视运维作业中起到了举足轻重的作用，然而传统的巡视机器人体积臃肿，避障功能不尽完善为其应用蒙上了阴影，另一方面智能机器人在室内设备巡检领域的研究相对缺失。因此本文对适用于变电站室内设备巡视的智能机器人展开了深入的研究，设计了一款室内设备巡视机器人并投入变电运维生产运用之中。该智能机器人通过红外、超声波传感技术的配合实现了自动避障，并可预置巡视路线，进行变电站室内设备的巡视工作，定点收集10千伏开关拒、继电保护装置的运行信息。采集的设备信息通过无线网络实时传输至变电站后台，提升了变电站的巡视效率，实现了设备的智能运维。

【关键词】巡视机器人 变电站 室内设备 智能巡检

1 引言

随着科技进步、电网发展及机器人技术的推广，国家电网的不少地市公司已经在变电站运行维护工作中应用和推广智能机器人。智能机器人不仅可以代替变电站值班人员进行变电站内一次二次设备的例行巡视、安防消防检查还可以完成巡视大数据收集和整理，便于变电站管理人员和检修人员进行分析和总结。智能机器人的采用意味着常规变电站运维值守模式的更新换代，并且随着机器人应用经验和技术的进一步积累，机器人代替人类管理变电站将成为可能。

巡视机器人的研究始于80年代末，并且逐渐成为变电站巡视技术改进和推广的研究重点。加拿大、日本、美国在智能巡视机器人的研究中处于领先地位，如加拿大魁北克水电研究院在1998年开始进行输电线路巡视机器人的研究，所设计的“LineScout”机器人，经过多代改进之后，采用遥控方式，可沿735千伏的导线进行自动避障巡视;日本东京大学2008年研制了“Expriner”机器人，可在500千伏的四分裂导线上行走，其机身使用碳纤维结构，配置两对组轮具有两个维度的作业臂;2014年美国研制的TI机器人趋于完善，可完成756千伏线路的高速巡视和强力续航。

在国内，不少高校也在智能巡视机器人的研究中取得了不错的成就，如哈尔滨工业大学于2010年研制了高压线除冰机器人，能除掉8-15毫米直径导线上包裹的60毫米厚的冰柱;山东电力研究院于2012年研制出用于多分裂线路巡检机器人样机。

诚然智能机器人已经在输电线路、变电站户外设备巡视领域中成就颇丰，但关于变电站室内设备巡检机器人的设计和巡检技术研究方面，较为薄弱。因此本文在深入研究变电站机器人巡检技术的同时，还着力于设计一款可适用于变电站室内设备巡视的智能机器人，填补变电站机器人巡视领域的空缺。

2 室内机器人巡检技术研究

2.1 自动避障技术

变电站室内地面通常由盖板构成如10千伏开关室和主控保护室，盖板的铺设导致室内设备路况存在坑洼、不平和障碍物的可能。因此如何实现巡视机器人在室内巡视过程中自动避障，并可根据设定的巡视路线进行巡视作业，将成为机器人研究中的重要一环。

本文自动避障技术采用红外传感器和超声波传感器进行配合。通过机器人发射红外线和超声波模拟量，实时反馈成Arduino核心中的成数字量，通过Arduino计算左右驱动电机偏移量（PWM波占空比）i，j的算如下式。

式中，i₁、j₁分别为上一次采样值的PWM占空比。i₂、j₂分别为本次采样值的PWM占空比。i_exp、j_exp为需要修正的PWM波占空比，进行路线的实时修正和自动避障。避障方案如图1所示。

自动巡视的路线设定也是根据光感传感器，反馈至CPU实时计算出路线偏移量S_exp，实现指定路线巡视。如图2所示。

2.2 室内设备巡检技术

室内设备巡视和检测的范围包括110kVGIS室、电容器室、主控继保室、10kV开关室和电缆层。主要设备涵盖低压馈线柜，电容器组、站用变、保护屏的视频音频信息采集和运行工况判断。

在巡视机器人上装配无线网卡、高清摄像头或者蓝牙模块，通过摄像头采集巡视影像或照片，经无线网络系统传输至手机或者电脑终端，实现视频的远距离自动传输和保存。另一方面经无线网络或者蓝牙系统将手机或者电脑终端发送的小车操控指令（前进、后退、左转、右转、摄像头左转、摄像头右转）通过串口通信的方式传输智能机器人CPU，实现对智能巡视机器人的控制（前进、后退、左转、右转、摄像头左转、摄像头右转）。巡检技术方案如图3所示。

3 室内机器人设计与应用

3.1 智能机器人硬件系统设计

机器人的设计以亚克力板，铜柱，铜螺母为材料，组装机器人机身。以直流电机为驱动电机，设计四轮驱动类似汽车结构的機身作为变电站智能机器人的主要构架，为了实现机器人具备的室内设备巡检功能，以Arduino开发板为基础，拓展红外传感电路、数模转换电路、PWM驱动电路、超声传感电路、循迹模块电路、按键电路等设计智能巡视机器人的硬件电路部分，硬件电路和设计方案如图4所示。

3.2 智能机器人软件系统设计

智能巡视机器人的软件部分用C语言编写，主要由主程序和循迹子程序、Wi-Fi控制子程序、避障子程序等子程序组成，智能机器人程序流程框图和方案如图5所示。

4 实验仿真验证

为了验证本文所设计的室内设备巡检机器人性能和实用性，选取漳州供电公司所辖的三座变电站（220kV良璞变，1lOkV南坑变，110kV新华变）进行现场机器人巡视实验。所设计的机器人和巡视视频截图如图6所示。

在三个变电站的不同场所，包括户外设备场地，主控室，继电保护室，电缆层，排水沟等，检验巡视机器人巡视3种巡视效果（室内外设备巡视、电缆层巡视、排水沟巡视）和4个功能（WIIF传输视频，远程操控，自动循迹，自动避障功能）效果检查，收集巡视时间信息如表1所示。

从图6可以看出，所设计的智能机器人能够实时传输变电站室内设备的运行工况影响，从而实现了机器人的智能巡检。从表1数据分析发现，采用所设计的巡视机器人，是的变电站巡视时间有效缩短，巡视效率达到提升。

5 结论

本文对变电站巡视机器人的避障技术和巡检技术进行了研究，设计了一款适用于室内设备巡检的智能机器人。通过实验发现，所设计的智能机器人在保证巡视任务完成和巡视质量的同时，缩短了巡视时间，有效提高了巡视效率。

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