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隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、電壓等級的提高，對供電安全可靠性要求也更加嚴格，變電站正常運行成為保障電力系統(tǒng)供電安全的重要環(huán)節(jié)。目前中國電網(wǎng)主要采用人工巡檢作業(yè)方式，即采用人工巡視、手工記錄的模式對運行中的變電設(shè)備進行檢查。人工巡檢存在勞動強度大、工作效率低、巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點，惡劣氣象條件對巡檢人員身體也存在危害。一方面人工巡檢問題和劣勢不斷顯現(xiàn)，另一方面電力巡檢需求還在不斷釋放，兩方面的矛盾，讓電力巡檢機器人迎來了發(fā)展良機。

1.巡檢系統(tǒng)組成

機器人巡檢系統(tǒng)由機器人本體、充電系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、本體監(jiān)控后臺及輔助設(shè)施組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具有以下特點：

(1)使用無軌導航方式，實現(xiàn)快速部署，可方便站間調(diào)配;

(2)采用四輪獨立驅(qū)動，適應(yīng)于各種復雜環(huán)境，提供高清晰度紅外及可見光視頻圖像，測溫精度達0.5℃;

(3)采用基于激光雷達和慣導組合的精確地形匹配的導航方案，定位精度達到1 cm;

(4)超聲防撞，提供高可靠性安全保障，可原地全方位運動，為巡檢提供更強的易用性。

2.機器人本體

機器人本體由外形結(jié)構(gòu)部件、運動控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和導航系統(tǒng)組成。

1)外形結(jié)構(gòu)部件

機器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計以簡潔實用、硬朗可靠為基本原則，配合良好的平面切割技術(shù)，兼顧重量、穩(wěn)定性和防護等級要求;表面采用噴塑和陽極氧化工藝處理，具有較強的防腐性能;機器人結(jié)構(gòu)大量采用鋁合金材料，重量小于100 kg。

2）運動控制系統(tǒng)機器人運動控制系統(tǒng)主要由運動控制器、電機驅(qū)動器、電機、減速器、車輪、超聲波避障模塊、手動遙控模塊、狀態(tài)指示燈等組成

為適應(yīng)變電站戶外運行需求，機器人車體選用輪式四輪驅(qū)動，在運動控制中應(yīng)用PID控制及PMSM矢量控制算法進行車體控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，保證了控制算法的成熟性和穩(wěn)定性。4輪獨立驅(qū)動及柔性匹配控制實現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑，原地360°旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場路徑規(guī)劃靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強。驅(qū)動電機使用低磁阻大扭矩驅(qū)動電機，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、效率高、可靠性好，機器人最大運行速度可達1.1

m/s，可越過10 cm障礙物、爬坡能力達到25°。

3）供電系統(tǒng)

(1)電池選型。采用磷酸鐵鋰電池供電，電池額定電壓36 V，電池容量50 Ah，為滿足電池充放電及儲運狀態(tài)下的安全要求，電池安裝在防爆、阻燃材料制作的專用電池箱內(nèi)。

(2)電源管理系統(tǒng)設(shè)計。鋰電池組電源管理系統(tǒng)(BMS)采用集中式管理。BMS由主控單元(CMU)和若干個監(jiān)控單元(BMU)組成。BMU檢測和均衡管理電池模塊的電壓和溫度，并將數(shù)據(jù)傳給CMU。CMU檢測鋰電池組的總電壓、總電流及絕緣度，負責與機器人控制系統(tǒng)及充電機通信，對電池組充放電進行保護。

(3)BMS性能改進。鋰電池間各個參數(shù)不可避免地存在一些微小差異，由于內(nèi)阻、自放電影響及充放電次數(shù)增多，電池間參數(shù)差異會放大，將減少鋰電池壽命甚至產(chǎn)生電源安全隱患。通過BMS實施均衡管理，電池組將保持較好的一致性，可延長電池壽命和降低成本，確保電池一次充電后續(xù)航能力不小于5

h，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

4）傳感器系統(tǒng)

(1)可見光探測?？梢姽鈹z像機用于觀察設(shè)備外觀和讀取儀表數(shù)值，具備自動或手動對焦功能，視頻分辨率達1

080

p，光學變焦倍數(shù)達30倍。采用自動光圈設(shè)計，通過檢測視頻信號平均值，自動控制鏡頭光圈的擴大或縮小，即可在不同照度下獲得標準視頻信號電平。機器人云臺上安裝了強光LED照明燈和雨刷器，實現(xiàn)可見光夜間和雨天探測。照明燈和雨刷器由本地監(jiān)控后臺或遠程集控后臺進行控制。

(2)紅外熱像探測。紅外熱像儀的紅外探測器接收物體輻射熱量，把它轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)后續(xù)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPU處理后在圖像顯示器上顯示。在實際測溫中，首先采用高精度黑體進行標定，找出黑體溫度與圖像灰度值的對應(yīng)關(guān)系。紅外熱成像儀具備自動對焦功能，可在實時影像中疊加顯示溫度最高點位置及溫度值，紅外熱像儀熱靈敏度優(yōu)于50

mK，測溫精度優(yōu)于2 K。

(3)聲音探測。機器人安裝有擴音器和麥克，可實現(xiàn)與監(jiān)控后臺雙向語音對講和現(xiàn)場聲音采集。同時，通過采集運行設(shè)備的正常和異常聲音，提取出聲音的特征參數(shù)，建立正常和異常聲音模型庫。將機器人采集的噪聲數(shù)據(jù)傳送到控制后臺，基于音頻診斷軟件和模型庫進行運行狀態(tài)識別，判斷設(shè)備異常聲音，并發(fā)出警報。

現(xiàn)有的變電站巡檢機器人自動化和智能化程度不高，部分使用用GPS定位、電磁導航或者視覺導航，本公司產(chǎn)品可以采用磁導航與視覺導航相配合從而精確定位。

聲音分析軟件主要由信號處理、信號特征提取和信號顯示等部分組成。信號處理部分包括端點檢測、分幀和加窗。端點檢測用來檢測輸入聲音信號中的有效語音成分，采用倒譜特征法;分幀是將原始語音信號分為小段，并做幀移處理;加窗是在分幀之后使頻譜平滑、防止高頻泄漏。信號特征提取過程包括FFT求取功率譜、帶通濾波器組、求取對數(shù)能量、離散余弦變換和提取一階差分MFCC系數(shù)。顯示部分能夠顯示被測聲音中各個頻率的數(shù)字化信號圖形。

(4)全方位智能云臺。云臺安裝在機器人平臺上方，用于承載可見光、紅外以及聲音傳感器。云臺以直流伺服電機驅(qū)動，使云臺具有水平和垂直2個相互獨立的旋轉(zhuǎn)自由度。云臺俯仰框裝有紅外和可見光光窗。云臺運動控制核心部分采用數(shù)字信號處理器(DSP)芯片，該芯片負責水平和俯仰2個自由度的電機運動控制以及與接口轉(zhuǎn)換模塊通信。云臺主要性能指標滿足如下要求：云臺預置位數(shù)量≥10

000個，垂直運動范圍–30°~+90°，水平運動范圍0°~+360°連續(xù)，定位精度±0.1°，水平旋轉(zhuǎn)速度0.01~60°/s，垂直旋轉(zhuǎn)速度0.01~30°/s。

1.2.5 導航系統(tǒng)

機器人依靠激光雷達、慣導、里程計綜合導航，利用多傳感器融合技術(shù)，得到車體定位信息，實現(xiàn)按照預設(shè)路線和停靠位置自主行走和?？抗δ?。激光雷達選用SICK公司LMS511高性能室外型激光掃描雷達，測量距離達80

m，掃描范圍190°，分辨率0.166 7°，掃描頻率高達25 Hz?？稍讪C30 ℃~+55

℃惡劣環(huán)境中工作。慣導可提供車體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度信息，分辨率0.05°，誤差1.5°。里程計信息包括車體當前坐標，由車體運動學模型和4輪轉(zhuǎn)速位移等信息計算得到，誤差在3%以內(nèi)。

3. 充電系統(tǒng)

充電房由充電柜、充電座、無線通信設(shè)備和自動卷簾門組成。充電柜和充電座用于機器人自動對接充電，無線通信設(shè)備選用與本地監(jiān)控后臺相同的無線網(wǎng)橋和天線，天線安裝在充電房的頂部。

機器人工作狀態(tài)分為巡檢、充電、空閑等3種。收到巡檢命令后，機器人檢查電池電量是否充足，充足即進入巡檢狀態(tài)，開始執(zhí)行巡檢任務(wù)，否則拒絕執(zhí)行并報警。巡檢完成后，機器人返回充電房。機器人在巡檢中實時檢測電池電量，如果電量不足則返回充電房充電，充電過程完全自動化。

4.無線傳輸系統(tǒng)

機器人通過無線網(wǎng)橋與本地監(jiān)控后臺實現(xiàn)雙向、實時信息交互。信息交互內(nèi)容包括機器人本體狀態(tài)和被檢測設(shè)備圖像、語音和指示性數(shù)據(jù)。機器人采用5.8

GHz頻段高質(zhì)量等級的室外專用數(shù)字無線網(wǎng)橋，實現(xiàn)長距離多路視頻、音頻以及數(shù)據(jù)的實時傳輸，最長傳輸距離達10

km，數(shù)傳誤碼率≤10-6，數(shù)傳時延≤20 ms，圖傳時延≤300

ms，由于此頻段的無線網(wǎng)橋無需申請無線執(zhí)照，比其他有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署。機器人通過無線網(wǎng)橋接收監(jiān)控后臺的控制指令，進行云臺轉(zhuǎn)動、設(shè)備檢測、車體運動和自動充電，并檢測機器人狀態(tài)和各類預警、告警信息并進行上報。在通信中斷、接收的報文內(nèi)容異常等情況下，圖像、語音、數(shù)據(jù)不丟失，同時系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，并在通信恢復后自動續(xù)傳。

5. 本地監(jiān)控后臺

本地監(jiān)控后臺由計算機、無線通信設(shè)備、監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)庫等組成。機器人與監(jiān)控后臺通過無線局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互，傳輸內(nèi)容如圖5所示。監(jiān)控后臺軟件采用C++語言開發(fā)，基于.NET架構(gòu)，可以在Windows的各個版本操作系統(tǒng)跨平臺運行，軟件組成

(1)實時監(jiān)控模塊負責查看機器人運行過程中的圖像信息、車體狀態(tài)信息、車體行進信息、電池狀態(tài)信息、巡檢現(xiàn)場氣象信息、巡檢任務(wù)信息等。

(2)任務(wù)規(guī)劃模塊分為例行、特巡任務(wù)規(guī)劃和遙控巡檢3種模式，可隨時進行任務(wù)模式的切換。根據(jù)變電站巡檢需求，例行任務(wù)規(guī)劃可提前生成若干巡檢任務(wù)，每天定期巡檢;特巡任務(wù)規(guī)劃可實時生成臨時巡檢任務(wù)，執(zhí)行特殊巡檢任務(wù)。

(3)遠程遙控模塊可以實時遙控機器人到規(guī)定地點做規(guī)定動作。該模塊可通過手柄控制云臺方位和俯仰，控制車體速度和方向。

(4)配置中心模塊包括設(shè)備配置、地圖配置和基本配置3個子界面。設(shè)備配置界面包括紅外配置、可見光配置、車體配置和云臺配置。

(5)歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊可實現(xiàn)可見光圖像、紅外圖像、聲音及表計讀數(shù)、設(shè)備位置狀態(tài)、注油設(shè)備油位等信息的存儲、診斷和查詢。

6.環(huán)境適應(yīng)性

機器人按照全國各地區(qū)變電站極端環(huán)境氣候設(shè)計，針對暴風大雨、濕熱、高海拔、寒冷等惡劣氣候條件，變電站強電場、強磁場環(huán)境，通過“三防”設(shè)計、防風設(shè)計、電磁兼容性、抗震設(shè)計以及溫度適應(yīng)性等設(shè)計，確保機器人在不同氣候條件下長期可靠、安全穩(wěn)定運行。

1)  “三防”設(shè)計

機器人外殼采用靜電噴涂工藝，具有防腐蝕、防水、防氧化三防功能，機器人內(nèi)部傳感、控制均采用模塊化設(shè)計，標準化生產(chǎn)。機器人采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有防水、防塵功能。整機滿足GB 4208中IP54的設(shè)計要求，最大涉水深度大于10 cm。

2)  防風設(shè)計

機器人采用四輪驅(qū)動底盤結(jié)構(gòu)，設(shè)備重心低，有利于機器人在地面上穩(wěn)定運行。機器人本體結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計和密封性高，具備抵抗10級風能力。

3)  電磁兼容設(shè)計

機器人電子元器件，電源、通信等模塊采用屏蔽、隔離處理，關(guān)鍵信號通過阻抗匹配設(shè)計、各設(shè)備模塊采用等電勢共地設(shè)計，輸入輸出接口的濾波和保護設(shè)計等技術(shù)確保各模塊的信號完整性、安全和可靠性。

4）防振動設(shè)計

機器人在變電站巡檢過程中，由于受路面環(huán)境的影響，不可避免地會有一定程度的振動，針對可能出現(xiàn)的固定螺絲松動、部件斷裂等問題，采取以下防振措施：(1)對所有緊固件增加彈墊、齒形墊圈、涂加螺紋膠及采用防松螺母等設(shè)計提高螺栓螺釘緊固效果及緊固強度;(2)對部件斷裂部分優(yōu)化設(shè)計提高部件強度;(3)增加防護套、減振彈簧等措施，減緩外力對管路連接部位的作用。

5） 溫度適應(yīng)性設(shè)計

為保證在炎熱或寒冷環(huán)境下正常工作和長期儲藏，機器人所有部件和元器件均選用寬溫度范圍的工業(yè)級產(chǎn)品;在云臺護罩內(nèi)安裝排熱風扇和加溫板，可自動對護罩內(nèi)環(huán)境進行排熱或加溫，有利于護罩內(nèi)可見光相機和紅外探測器在不同溫度環(huán)境下正常工作。機器人工作環(huán)境溫度為–25

℃~+55 ℃，存儲環(huán)境溫度為–30 ℃~+65 ℃，工作和存儲環(huán)境相對濕度為5%~95%(無冷凝水)。

華瑞通科技機器人分為三類：輪式電力巡檢機器人、軌道電力巡檢機器人、履帶式電力巡檢機器人。

軌道智能巡檢機器人：室內(nèi)導軌型智能巡檢機器人系統(tǒng)實現(xiàn)開關(guān)柜紅外測溫、局放檢測、柜面及保護裝置信號狀態(tài)指示等的全自動識別，繼保室保護屏柜壓板狀態(tài)、空開位置、電流端子狀態(tài)、裝置信號燈指示以及數(shù)顯儀表的全自動識別讀數(shù)。系統(tǒng)采用導軌滑觸式供電方式，實現(xiàn)24小時不間斷巡視，也可自定義周期和設(shè)備進行特殊巡視。

輪式智能巡檢機器人：專為復雜環(huán)境下的巡檢工作而設(shè)計的，其基本功能為移動監(jiān)測平臺，屬于監(jiān)測技術(shù)與機器人技術(shù)相融合的新型監(jiān)測設(shè)備，可以適應(yīng)規(guī)模較大的作業(yè)場地，同時也兼顧空間較小機柜過道巡檢任務(wù)。

履帶式電力巡檢機器人：根據(jù)固定路線行駛，視覺檢測識別工業(yè)上、生產(chǎn)線上的各種儀表的參數(shù)變化并判斷是否處于正常工作狀態(tài)；檢測生產(chǎn)線各閥門、通風口的開閉狀態(tài)及是否存在跑冒滴漏情況；檢測生產(chǎn)線區(qū)域是否存在氣體泄漏，即有毒有害氣體的濃度；還可以檢測空氣濕度、工作噪音、生產(chǎn)線工作發(fā)熱點等。并在發(fā)現(xiàn)異常情況會及時發(fā)出警報并標定位置。

智能電力巡檢機器人除了可以完成電力巡檢以外還可以應(yīng)用于能源站、橋梁隧道、化工、港口、管道、無人工廠、居住社區(qū)、城市等多種場景，能有效的降低成本、能以高效率的智能巡檢方式解決巡檢難題，提升巡檢的效率和精度。