北极星智能电网在线讯:摘要：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。
关键词：变电站 机器人 巡检系统 设计 智能巡检 工程实施 问题分析
作者：彭向阳 , 金亮 , 王柯 , 钱金菊 , 岳卫兵
引言
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传感器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
1.1 巡检系统组成
机器人巡检系统由机器人本体、充电系统、无线传输系统、本体监控后台及辅助设施组成。系统组成框图如图1所示。系统具有以下特点：(1)使用无轨导航方式，实现快速部署，可方便站间调配;(2)采用四轮独立驱动，适应于各种复杂环境，提供高清晰度红外及可见光视频图像，测温精度达0.5 ℃;(3)采用基于激光雷达和惯导组合的精确地形匹配的导航方案，定位精度达到1 cm;(4)超声防撞，提供高可靠性安全保障，可原地全方位运动，为巡检提供更强的易用性。
1.2 机器人本体
机器人本体由外形结构部件、运动控制系统、供电系统、传感器系统和导航系统组成。
1.2.1 外形结构部件
机器人外形结构设计以简洁实用、硬朗可靠为基本原则，配合良好的平面切割技术，兼顾重量、稳定性和防护等级要求;表面采用喷塑和阳极氧化工艺处理，具有较强的防腐性能;机器人结构大量采用铝合金材料，重量小于100 kg。
1.2.2 运动控制系统
机器人运动控制系统主要由运动控制器、电机驱动器、电机、减速器、车轮、超声波避障模块、手动遥控模块、状态指示灯等组成，如图2所示。
运动控制系统主要实现与监控后台的通信以及对车体及云台的控制功能，实时接收车体、云台状态信息并上传，其工作流程如图3所示。
为适应变电站户外运行需求，机器人车体选用轮式四轮驱动，在运动控制中应用PID控制及PMSM矢量控制算法进行车体控制，实现转速精确控制和转矩快速响应，保证了控制算法的成熟性和稳定性。4轮独立驱动及柔性匹配控制实现了零转弯半径，原地360°旋转，现场路径规划灵活，环境适应能力强。驱动电机使用低磁阻大扭矩驱动电机，系统调速范围宽、效率高、可靠性好，机器人最大运行速度可达1.1 m/s，可越过10 cm障碍物、爬坡能力达到25°。
