110kV智能變電站檢修機器人路徑規劃

何滿棠，袁鏡江，吳肯銳，袁文飛

（1.廣東電網有限責任公司東莞供電局，東莞 523000；2.國機智能科技有限公司，廣州 510535）

智能變電站中檢修機器人的設計是以推進智能變電站建設為主要目的。通過借助機器人的巡視系統、測溫系統、導航系統以及后勤系統等構建機器人工作時涉及的不同單元模塊，并對子系統的功能進行明確分類的設計過程。根據系統工作原理以及工作環境，規劃智能變電站中檢修機器人安全工作的路徑，制定科學合理的路徑方案，通過在變電站運用檢修機器人的實驗結果顯示，合理規劃檢修機器人安全工作的路徑可以有效增加變電站的工作效率，因此檢修機器人安全路徑的規劃工作在智能變電站工作中應該得到推廣應用。

1 變電站檢修機器人系統的組成

1.1 變電站檢修機器人本體結構

智能變電站中檢修機器人的外觀與傳統工業機器人造型相同，機器人外殼上安裝有檢修工作中需要的部件。機器人本體結構包括不同單元，通過不同部件的協同合作進行工作。其主要部件為紅外熱像儀、攝像機、聲音采集器、傳感器以及電源面板等[1]。此類機器人可以24小時的通過導航部件以及設備布局，對預先設定的工作任務——即智能變電站的檢修工作進行完成。機器人的視窗內通常安裝有紅外測溫攝像頭，且視窗外部會安裝有雨刮器，以保障機器人工作時視窗得到的景象清晰，同時，視窗上方配有提高紅外攝像儀夜間觀察距離和清晰度的紅外射燈。機器人的頭部安裝有揚聲器，方便工作人員和后臺進行溝通工作。機器人的主體機身上方安裝與頂部相連的云臺部件，以此操控機器人的仰角視角。機器人主體機身的運動依靠底部的驅動輪，而轉彎則需要隨動輪進行輔助進行。機器人尾端設有充電裝置，在機器人需要充電時會自動彈出，且機器人尾端還有電源開關以及機器人的開/關機按鈕等。

1.2 變電站檢修機器人部件功能

為保證在設定時間內實現變電站檢修機器人的檢修工作，變電站檢修機器人的工作系統會使用攝像頭對戶外設備進行逐一檢測，且由于巡檢地點位置不同，機器人檢修時需要對變電站表計以及油位計進行定時拍攝，以此實現檢修工作的的全面覆蓋[2]。由于檢修機器人安裝有紅外攝像頭及測溫裝置，在檢修機器人系統下達檢測任務時，機器人會自動對設備以及接頭的溫度進行檢測，并將紅外測溫影像傳遞給后臺監控界面，對該影像進行存儲，確保紅外影像及設備運行情況可以及時得到傳輸。對于設備運行狀況存在問題的部位，機器人也可以做到人工遙控與自主檢測的切換，且兩者切換速度較快，在人工遙控檢測結束后，不會影響機器人的正常自主檢修工作進度。若機器人檢修時發現變電站設備運行出現故障，會針對故障問題進行應急處理，且將故障部位以及該部位溫度、油位計及表計的數據傳遞給后臺監控單位，進行自動報警處理。機器人在進行檢修時，會定期對自身設備進行檢測，發現故障后會將故障問題發送至后臺，并對機器人的本體信息、檢測信息進行備份記錄，定期生成數據分析表傳給后臺。

2 變電站檢修機器人工作內容

2.1 機器人巡視系統

檢修機器人的巡視工作主要由攝像機完成，其作用是對設備的運行情況進行監控，并觀察和記錄設備主體、表針以及分合位置等部件是否出現異常。檢修機器人依靠其安裝的的攝像頭對所測設備進行各類照片的拍攝工作，且將照片上傳至監控后臺進行存檔[3]。檢修機器人會對設備的本體、避雷器表計、各套管出線、主導流部分、油位計、斷路器本體、油溫表、互感器瓷套外觀、瓦斯繼電器、接地開關、SF6壓力表、冷卻系統、消防系統等運行區域進行監控。

2.2 機器人測溫系統

檢修機器人的紅外熱像儀以及電動云臺會安裝在機器人主體上方，其工作內容為負責對設備的本體及設備各部位溫度進行測量和數據收集，其測溫誤差可控制在2攝氏度之內。檢修機器人的紅外熱像儀工作原理與普通成像儀類似，即將測物的紅外輻射采用光學系統進行聚集，在紅外探測器陣列上進行平面成像，并將其轉換為電信號，通過放大電路以及補償電路等方法對其進行線性處理，經過紅外熱像儀中的圖像采集單元對其進行整合，最終形成被測物表面的熱像圖[4]。在檢修機器人完成熱像圖后，機器人的控制單元會對圖譜進行第一次存儲，并結合機器人巡檢系統安裝前預存在機器人內部的全站設備檔案以及紅外專家庫數據對圖譜進行首輪安全性分析，當發現監控設備溫度超出規定溫度時，檢修機器人會觸發自身報警感應模塊，當發現監控設備溫度較上次測量溫度數據有較為明顯的提高時，檢修機器人也會將此情況傳遞給后臺，觸發報警模塊，并將設備的溫度數據以及紅外圖像上傳至后臺監控系統，以不同顏色加以區分設備區域溫度，由后臺工作人員裁定設備運行情況。

2.3 機器人導航系統

檢修機器人的巡檢導航定位方式通常為RFID定位、磁軌跡引導、激光定位導航以及GPS定位導航[5]。在RFID導航技術中，正常的巡檢時，機器人作為導航中的閱讀器，其根據預設的軌道進行正常的行駛監測。此時鋪設在機器人巡視路線上的RFID點保持為關閉狀態，當機器人進入標簽信號范圍后，會激活機器人內置的RFID檢測模塊，使機器人接收所設標簽的代碼，解讀標簽傳遞的意義，以此完成檢修機器人在這部分RFID點的工作內容。而磁軌跡導航是將磁軌跡布設在檢測路線的中部，由于檢修機器人需要監測到所有設備，因此，機器人的軌道布設需要考慮站內設備布局，減少井蓋、伸縮縫等客觀因素的影響，并要考慮觀測設備的最佳路徑。GPS定位導航也是檢修機器人的導航定位方式之一。但是此種方式受衛星信號影響，在站內的定位精度相對較差。除以上三種導航方式之外，檢修機器人也常采用激光定位導航，其優點是平行性好、距離掌控精準，缺點是周圍環境很容易對其定位產生干擾。

2.4 機器人后勤系統

檢修機器人的后勤系統一般由充電室以及監控后臺組成。充電室的作用是存放機器人和為機器人補充電能。通常充電室內配有配電箱、充電座、充電器等設施。充電室的入口設置感應鎖，當機器人準備進入充電室時，內部的傳感器發出開門命令，觸發感應模塊，使充電室入口打開。監控后臺一般設置在變電站控制室內，其主要由通訊設備、計算機、數據庫和監控分析軟件等組成。監控后臺與檢修機器人通過無線網進行數據的交互工作，其主要功能為檢修任務的下發、監控檢修過程、生成檢修報表、檢修歷史數據的查看、對檢修機器人的操控等。

3 變電站檢修機器人帶電作業安全性的路徑規劃

檢修機器人帶電作業安全性的路徑規劃需要變電站檢修機器人系統根據后臺發布的任務，自主地進行最優檢修路徑的設置，以保證檢修機器人可以在最短的時間內完成下發的檢修任務。

3.1 搜索機器人帶電作業安全性路徑

檢修機器人在站內進行檢修任務時，搜索其帶電作業時的安全路徑工作十分重要。相關工作人員可以采用笛卡爾坐標系對該路徑進行最優化的設計，因為該種算法將路徑規劃問題轉化為空間內路徑搜索問題，可以在不同路徑中計算出最短路徑，將其應用于檢修機器人的站內工作中，將不同檢修任務的最短路徑添加為一個集合，以此搜尋出檢修機器人在站內進行檢修工作時的最短路徑[6]。

但是由于路徑搜索時，實際場地的因素會極大地影響計算結果，因此，在變電站內搜索機器人帶電作業安全性路徑時，需要工作人員結合站內實際情況，對計算路徑進行優化修正，以此提高檢修機器人的工作效率，使檢修工作可以更好更快的完成。

3.2 篩選機器人帶電作業安全性路徑

檢修機器人的運行路徑設計時，通過采用笛卡爾坐標系計算出的最優路徑僅是兩個坐標點之間的最短距離，將檢修機器人的各個最短檢修距離進行搜索整理，形成一個路徑集合，對路徑集合中路線的關節角范圍以及危險邊界平面的終角點進行剔除工作，最終形成一個可達目標點的路徑集合。由于安全性是檢修機器人工作中的重點方向，因此在檢修機器人帶電作業中，絕緣性能是其中較為重要的性能指標，通過對各個路徑集合中經過危險點的頻率，對各個路徑集合的危險性進行評估，以此作為路徑篩選的依據，從路徑集合中篩選出最安全的一條路徑作為檢修機器人工作時的巡檢路徑，并對路徑上的各點進行最終記錄。

3.3 模擬機器人帶電作業安全性實驗

由于變電站工作的危險性較大，對于檢修機器人來說，其帶電工作時，可能受到不同類別和程度的損壞，因此，在路徑搜索及篩選完成后，對路徑進行模擬實驗是驗證路徑安全性的最有效方法之一[7]。通過在計算機內模擬檢修機器人在站內實際工作時可能遇到的所有問題，模擬其帶電工作時設備對其的影響，進而更準確的了解路徑中機器人與設備間的間隙與絕緣材料性能是否達到標準。同時，由于計算機模擬中設備電場固定，而在實際應用時，由于檢修機器人的介入，設備的電場會產生一定的改變，造成實驗結果產生誤差，這便需要工作人員在模擬實驗時，結合空氣擊穿場強強度的大小進行多次實驗，判斷檢修機器人的運行路徑是否安全，從更全面地監督保障檢修機器人在設計路徑可以正常工作，對其安全性路徑進行雙重驗證。

4 結束語

綜上所述，電力系統的結構非常復雜，且其作為對穩定性要求較高的自動化系統，系統的安全穩定運行是其工作的核心，同時也與社會民生的用電安全息息相關。因此，在電力系統中采用新型的科技以及材料，增強電力系統工作時的安全性和穩定性是工作人員關注的重點方向。檢修機器人的路徑設計必須采取最新的科技及方法，使其可以在各種干擾中依然可以正常工作，通過在站內實踐中應用發現，設計最優化的安全路徑可以更好地達成檢修機器人的工作，實用價值較高，值得在變電站中推廣使用。