研发了一套变电站机器人智能巡检系统，从机器人本体、充电系统、无线传输系统、本地监控后台和环境适应性等方面介绍了巡检系统设计方案和各组成部分的关键技术。从现场勘查、设备安装、巡检规划和巡检应用等方面介绍了工程实施步骤和在电网220 kV、500 kV变电站的实际应用情况。分析了机器人巡检调试过程中存在的行进时出轨、无线通信不稳定、表计读取不准确、行走转弯卡涩等问题，并提出了解决措施。该巡检系统具有部署快速、适应性强、采集数据准确、定位精度高、超声防撞等显著优点，各项性能指标均满足变电站智能巡检需求，具有良好的推广应用前景。

随着电网规模的增大、电压等级的提高，对供电安全可靠性要求也更加严格，变电站正常运行成为保障电力系统供电安全的重要环节[1-2]。目前中国电网主要采用人工巡检作业方式，即采用人工巡视、手工记录的模式对运行中的变电设备进行检查。人工巡检存在劳动强度大、工作效率低、巡检质量不稳定等缺点，恶劣气象条件对巡检人员身体也存在危害[3-5]。近年来，采用机器人巡检代替人工巡检模式已成为变电站巡检发展的热点方向[6-8]。

国外较早开展变电站机器人研究工作。日本在20世纪80年代开始研制的变电站巡检机器人使用可见光和红外对变电站设备进行巡检，实现对巡检数据进行自动处理[9-10]。加拿大魁北克研制的变电站巡检机器人，实现了远程监控，可在后台对机器人进行实时控制和远程操作[11]。巴西研制了在变电站高空行走轨道移动的热点监测机器人，实现了变电设备异常发热的红外检测[12]。

国内山东省电力公司于1999年最早开始变电站巡检机器人研究，并于2004年研制成功第1台功能样机，后在国家863项目支持下研制出变电站巡检机器人[13]。2012年重庆电力公司在500 kV巴南变电站成功应用机器人进行自主巡检作业。2014年浙江国自机器人公司研制的机器人在瑞安变电站投运。目前，中国在变电站机器人巡检领域取得了长足进展，但在多传感器综合探测、四轮驱动移动平台、综合导航和精确对准、故障精确诊断等技术方面还存在瓶颈[14-15]。

基于上述关键技术难点，研发了一套变电站机器人智能巡检系统。本文介绍巡检系统总体设计方案和组成部分，论述巡检系统各部分关键技术，说明变电站机器人巡检工程实施细节和在220 kV清远站和500 kV五邑站巡检应用情况，分析巡检应用存在的问题并提出解决措施。研发的变电站机器人智能巡检系统在后续巡检应用中能较好地完成巡检任务，取得良好的巡检效果，具有良好的推广应用前景。

1 机器人巡检系统总体设计

架构，可以在Windows的各个版本操作系统跨平台运行，软件组成如图6所示。

(1)实时监控模块负责查看机器人运行过程中的图像信息、车体状态信息、车体行进信息、电池状态信息、巡检现场气象信息、巡检任务信息等。

(2)任务规划模块分为例行、特巡任务规划和遥控巡检3种模式，可随时进行任务模式的切换。根据变电站巡检需求，例行任务规划可提前生成若干巡检任务，每天定期巡检;特巡任务规划可实时生成临时巡检任务，执行特殊巡检任务。

(3)远程遥控模块可以实时遥控机器人到规定地点做规定动作。该模块可通过手柄控制云台方位和俯仰，控制车体速度和方向。

(4)配置中心模块包括设备配置、地图配置和基本配置3个子界面。设备配置界面包括红外配置、可见光配置、车体配置和云台配置。

(5)历史查询和数据分析模块可实现可见光图像、红外图像、声音及表计读数、设备位置状态、注油设备油位等信息的存储、诊断和查询。

机器人按照全国各地区变电站极端环境气候设计，针对暴风大雨、湿热、高海拔、寒冷等恶劣气候条件，变电站强电场、强磁场环境，通过“三防”设计、防风设计、电磁兼容性、抗震设计以及温度适应性等设计，确保机器人在不同气候条件下长期可靠、安全稳定运行。

机器人外壳采用静电喷涂工艺，具有防腐蚀、防水、防氧化三防功能，机器人内部传感、控制均采用模块化设计，标准化生产。机器人采用一体化结构设计，具有防水、防尘功能。整机满足GB 4208中IP54的设计要求，最大涉水深度大于10 cm。

机器人采用四轮驱动底盘结构，设备重心低，有利于机器人在地面上稳定运行。机器人本体结构紧凑设计和密封性高，具备抵抗10级风能力。

机器人电子元器件，电源、通信等模块采用屏蔽、隔离处理，关键信号通过阻抗匹配设计、各设备模块采用等电势共地设计，输入输出接口的滤波和保护设计等技术确保各模块的信号完整性、安全和可靠性。

机器人在变电站巡检过程中，由于受路面环境的影响，不可避免地会有一定程度的振动，针对可能出现的固定螺丝松动、部件断裂等问题，采取以下防振措施：(1)对所有紧固件增加弹垫、齿形垫圈、涂加螺纹胶及采用防松螺母等设计提高螺栓螺钉紧固效果及紧固强度;(2)对部件断裂部分优化设计提高部件强度;(3)增加防护套、减振弹簧等措施，减缓外力对管路连接部位的作用。

1.6.5 温度适应性设计

为保证在炎热或寒冷环境下正常工作和长期储藏，机器人所有部件和元器件均选用宽温度范围的工业级产品;在云台护罩内安装排热风扇和加温板，可自动对护罩内环境进行排热或加温，有利于护罩内可见光相机和红外探测器在不同温度环境下正常工作。机器人工作环境温度为–25 ℃~+55 ℃，存储环境温度为–30 ℃~+65 ℃，工作和存储环境相对湿度为5%~95%(无冷凝水)。

2 变电站机器人巡检工程实施

2.1 变电站现场勘查

变电站机器人巡检工程实施的现场勘查阶段分为以下几个步骤：(1)根据站内设备分布、特征物和巡检便利性等信息选取充电房最优安装位置;(2)根据变电站建筑物实际情况选择无线通信设施安装位置;(3)视道路连通性、台阶高度等决定道路是否需要改造;(4)根据站内设备布置情况，初步确定巡检路线。

机器人充电房内设有自动充电装置，配有能够自动开启和关闭的门禁系统。充电房外形尺寸2.0 m (宽)&mes;2.5 m (长)×2.8 m (高)，采用一体化箱式结构，安装在变电站高压设备区的空地上，所在位置比站内主干道高，修筑的地基自然放坡与站内道路相连。充电房选址原则：(1)靠近主控室，基建和调试方便;(2)选择平整地面，避免坑洼明显地带;(3)不宜过于远离巡检区域。

2.2.2 无线网桥和气象传感器安装

无线网桥和微气象传感器是机器人巡检辅助设备，分别承担着无线通信和气象监测功能，二者均采用户外使用的环境设计，防护等级达到IP55，为便于与后台监控设备进行有线连接，将无线网桥和气象传感器安装在站内主控楼顶层，电源及数据线沿墙壁套管走线，连接至监控后台。

监控后台由计算机、路由器、鼠标、键盘、扩音器和麦克风等组成。计算机和无线网桥连接至路由器上，路由器可连接至运行单位局域网。

技术人员根据待巡检设备分布位置、巡检道路情况，以充电房为起点进行站内巡检路线的规划，实现巡检路径最优的方案规划。

巡检地图通过机器人本体行走，借助后台控制软件自动生成，不需要改动变电站内部环境，不需改动变电站路面，不影响变电站设备设施正常运行。变电站巡检地图构建步骤如下。

(1)选择地图原点：原点选取一般靠近充电房。

(2)初始化激光雷达设备：开启机器人激光雷达传感器传输功能，完成激光雷达初始化。

(3)采集地图构建数据：遥控机器人按照规划的巡检线路，绕整个变电站中行走一圈，机器人自动记录所有设备以及建筑物地理信息，进而完成整个地图构建数据的采集。

(4)自动生成地图：完成地图构建数据采集后，开启地图生成程序，自动生成变电站巡检地图。

(5)设定巡检点与巡检路线：地图构建完成后，根据变电站巡检设备类型及数量，设定巡检点，并优化巡检路线。

(6)巡检测试：按照标定完成的最优路线，对变电站设备的巡检点进行测试，查找遗漏，调整巡检路线，保证设备巡检点的全覆盖。

机器人巡检流程如图7所示。

2015年12月完成机器人充电房、无线网桥和监控后台在220 kV清远站的布置，2016年1月机器人开始进行激光导航地图扫描、巡检地图制作及巡检任务点采集，4月完成巡检应用。经过4个月的现场调试应用，完成了机器人部署和任务点采集，随后执行全站巡检调试。巡检任务包含主变区域、220 kV区域、110 kV区域的2 490个巡检任务点，覆盖率达94.1%。巡检任务点分布如图8所示。

2016年9月完成机器人充电房、无线网桥和监控后台的布置，10月完成站内主变和500 kV区域的巡检部署并开展巡检。经过2周的现场调试，解决了机器人在500 kV区域强电磁场环境下的通信干扰问题，机器人在全部500 kV区域均可与后台系统可靠通信。同时完成了主变和500 kV第一串区域部署和任务点采集，随后执行部署区域巡检。巡检任务包含64个可见光巡检任务点、273个红外巡检任务点和10个高清辅助观测点。高清辅助观测点包含开关控制箱、主变等设备外观图像。

3 巡检应用问题分析与解决措施

在变电站进行机器人巡检调试过程中，发现尚有待解决的技术问题，例如机器人运行中受外物干扰出轨、无线信号连接不稳定、表计读取准确率不够、机器人行走转弯卡涩等。

3.1 机器人巡检中出轨

机器人巡检过程中，受到外部干扰，例如人员围观时，发生机器人脱离巡检路线问题，经分析导航计算机记录的传感器、通信等数据，发现机器人里程计的输出数据在出现异常时刻偶发一次跳变，由于跳变数值大于40 m，恰好达到下个转弯点设定坐标，造成程序误判使得机器人误认为已到达转弯点并执行转弯动作。此后随着机器人移动，里程数据仍按照跳变后的数值继续累加，导致转弯后机器人继续前行的问题。

解决措施如下：(1)在车体控制板和导航计算机增加里程数据跳变判别和异常情况下处理数据程序，当里程数据变化量大于设定应用变化量时，车体控制板滤除异常数据，导航计算机按照前一帧正常数据累加预测值替代异常数据;(2)将迭代最近点算法用于巡检机器人的前期地图拼接和导航过程中的机器人定位，该算法具有逻辑简单、精度较高、易实现、自身具有稳定性和鲁棒性的特点。采用以上措施后，机器人运行中的抗干扰能力大大增强，实现了任意角度折线路径的行走。

3.2 无线通信不稳定

机器人运行调试初期，存在部分巡检路段后台显示画面卡涩、数据回传速度降低等现象。经现场观察和分析，发现原因是该路段处于定向接收天线覆盖的死角，接收通信信号太弱，造成后台画面停顿，数据回传速度降低。

通过更换大功率、大发射角天线，并且调整信号增益、信号频率、通信模式等参数，大大改善了通信质量，确保了机器人正常运行。

3.3 表计读取不准确

巡检任务中有较多的SF6压力表需要识别读取，但机器人对此类仪表的识别准确率较低，经分析发现是由于该变电站内安装的SF6压力表的指针细小，指针下半部为白色，上半部为黑色，而表盘刻度也为黑色，造成了仪表识别软件难以区分指针和刻度，从而使得判读不准确。

经过对站内全部SF6压力表样本的大量采集，重新优化仪表识别软件的指针读取算法，在后续的巡检任务中，机器人SF6压力表计识别准确率大大提升。

机器人在原地转向过程中，出现个别车轮悬空，转弯动作卡涩现象。经过现场观察和分析，原因是巡检现场路面不平整，机器人安装的是实心轮胎，轮胎弹性小，造成原地转弯中个别车轮悬空。由于机器人原地转弯是依靠4个轮子同时驱动完成的，车轮悬空造成转弯动力不足，产生转弯卡涩。

通过将实心轮胎更换为弹性较好的充气轮胎，大大减小了路面不平造成的个别车轮悬空几率，在后续巡检过程中未曾出现此类问题。

变电站机器人智能巡检是电力巡检模式发展的重要方向，实际应用中仍存在不少技术瓶颈。本文研发了一套变电站机器人智能巡检系统，从机器人本体、充电系统、无线传输系统、本地监控后台和环境适应性等方面介绍了巡检系统设计方案和各组成部分的关键技术。该巡检系统具有部署快速、适应性强、采集数据准确、定位精度高、超声防撞等显著优点，各项关键性能指标均满足变电站智能巡检任务需求。

从现场勘查、设备安装、巡检规划和巡检应用等方面介绍了变电站机器人巡检工程实施步骤，通过在电网220 kV、500 kV变电站实际巡检，指出了机器人巡检调试过程中发现的问题，并进行分析解决，在后续巡检应用中较好地完成了各类巡检任务，取得了显著效果，研发的巡检系统具有良好的推广应用前景。

作者：彭向阳 , 金亮 , 王柯 , 钱金菊 , 岳卫兵

[1]赵坤. 变电站智能巡检机器人视觉导航方法研究[D]. 北京: 华北电力大学, . (1)

[2]宋晓明. 变电站智能巡检机器人关键技术研究[D]. 长沙: 长沙理工大学大学, . (1)

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