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隨著(zhù)電網(wǎng)規模的增大、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供電安全的重要環(huán)節。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備進(jìn)行檢查。人工巡檢存在勞動(dòng)強度大、工作效率低、巡檢質(zhì)量不穩定等缺點(diǎn)，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(wèn)題和劣勢不斷顯現，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(lái)了發(fā)展良機。

1.巡檢系統組成

機器人巡檢系統由機器人本體、充電系統、無(wú)線(xiàn)傳輸系統、本體監控后臺及輔助設施組成。系統組成框圖如圖1所示。

系統具有以下特點(diǎn)：

(1)使用無(wú)軌導航方式，實(shí)現快速部署，可方便站間調配;

(2)采用四輪獨立驅動(dòng)，適應于各種復雜環(huán)境，提供高清晰度紅外及可見(jiàn)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(dòng)，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構部件、運動(dòng)控制系統、供電系統、傳感器系統和導航系統組成。

1)外形結構部件

機器人外形結構設計以簡(jiǎn)潔實(shí)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、穩定性和防護等級要求;表面采用噴塑和陽(yáng)極氧化工藝處理，具有較強的防腐性能;機器人結構大量采用鋁合金材料，重量小于100 kg。

2）運動(dòng)控制系統機器人運動(dòng)控制系統主要由運動(dòng)控制器、電機驅動(dòng)器、電機、減速器、車(chē)輪、超聲波避障模塊、手動(dòng)遙控模塊、狀態(tài)指示燈等組成

為適應變電站戶(hù)外運行需求，機器人車(chē)體選用輪式四輪驅動(dòng)，在運動(dòng)控制中應用PID控制及PMSM矢量控制算法進(jìn)行車(chē)體控制，實(shí)現轉速精確控制和轉矩快速響應，保證了控制算法的成熟性和穩定性。4輪獨立驅動(dòng)及柔性匹配控制實(shí)現了零轉彎半徑，原地360°旋轉，現場(chǎng)路徑規劃靈活，環(huán)境適應能力強。驅動(dòng)電機使用低磁阻大扭矩驅動(dòng)電機，系統調速范圍寬、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(guò)10 cm障礙物、爬坡能力達到25°。

3）供電系統

(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(mǎn)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(zhuān)用電池箱內。

(2)電源管理系統設計。鋰電池組電源管理系統(BMS)采用集中式管理。BMS由主控單元(CMU)和若干個(gè)監控單元(BMU)組成。BMU檢測和均衡管理電池模塊的電壓和溫度，并將數據傳給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及充電機通信，對電池組充放電進(jìn)行保護。

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

h，提高系統可靠性和穩定性。

4）傳感器系統

(1)可見(jiàn)光探測?？梢?jiàn)光攝像機用于觀(guān)察設備外觀(guān)和讀取儀表數值，具備自動(dòng)或手動(dòng)對焦功能，視頻分辨率達1

080

p，光學(xué)變焦倍數達30倍。采用自動(dòng)光圈設計，通過(guò)檢測視頻信號平均值，自動(dòng)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(shí)現可見(jiàn)光夜間和雨天探測。照明燈和雨刷器由本地監控后臺或遠程集控后臺進(jìn)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，把它轉換成電信號，經(jīng)后續放大、濾波、模數轉換，CPU處理后在圖像顯示器上顯示。在實(shí)際測溫中，首先采用高精度黑體進(jìn)行標定，找出黑體溫度與圖像灰度值的對應關(guān)系。紅外熱成像儀具備自動(dòng)對焦功能，可在實(shí)時(shí)影像中疊加顯示溫度最高點(diǎn)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(shí)現與監控后臺雙向語(yǔ)音對講和現場(chǎng)聲音采集。同時(shí)，通過(guò)采集運行設備的正常和異常聲音，提取出聲音的特征參數，建立正常和異常聲音模型庫。將機器人采集的噪聲數據傳送到控制后臺，基于音頻診斷軟件和模型庫進(jìn)行運行狀態(tài)識別，判斷設備異常聲音，并發(fā)出警報。

現有的變電站巡檢機器人自動(dòng)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(jué)導航，本公司產(chǎn)品可以采用磁導航與視覺(jué)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(diǎn)檢測、分幀和加窗。端點(diǎn)檢測用來(lái)檢測輸入聲音信號中的有效語(yǔ)音成分，采用倒譜特征法;分幀是將原始語(yǔ)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(guò)程包括FFT求取功率譜、帶通濾波器組、求取對數能量、離散余弦變換和提取一階差分MFCC系數。顯示部分能夠顯示被測聲音中各個(gè)頻率的數字化信號圖形。

(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(jiàn)光、紅外以及聲音傳感器。云臺以直流伺服電機驅動(dòng)，使云臺具有水平和垂直2個(gè)相互獨立的旋轉自由度。云臺俯仰框裝有紅外和可見(jiàn)光光窗。云臺運動(dòng)控制核心部分采用數字信號處理器(DSP)芯片，該芯片負責水平和俯仰2個(gè)自由度的電機運動(dòng)控制以及與接口轉換模塊通信。云臺主要性能指標滿(mǎn)足如下要求：云臺預置位數量≥10

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

1.2.5 導航系統

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(chē)體定位信息，實(shí)現按照預設路線(xiàn)和?？课恢米灾餍凶吆屯？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(chē)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(chē)體當前坐標，由車(chē)體運動(dòng)學(xué)模型和4輪轉速位移等信息計算得到，誤差在3%以?xún)取?

3. 充電系統

充電房由充電柜、充電座、無(wú)線(xiàn)通信設備和自動(dòng)卷簾門(mén)組成。充電柜和充電座用于機器人自動(dòng)對接充電，無(wú)線(xiàn)通信設備選用與本地監控后臺相同的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋和天線(xiàn)，天線(xiàn)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(jìn)入巡檢狀態(tài)，開(kāi)始執行巡檢任務(wù)，否則拒絕執行并報警。巡檢完成后，機器人返回充電房。機器人在巡檢中實(shí)時(shí)檢測電池電量，如果電量不足則返回充電房充電，充電過(guò)程完全自動(dòng)化。

4.無(wú)線(xiàn)傳輸系統

機器人通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋與本地監控后臺實(shí)現雙向、實(shí)時(shí)信息交互。信息交互內容包括機器人本體狀態(tài)和被檢測設備圖像、語(yǔ)音和指示性數據。機器人采用5.8

GHz頻段高質(zhì)量等級的室外專(zhuān)用數字無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋，實(shí)現長(cháng)距離多路視頻、音頻以及數據的實(shí)時(shí)傳輸，最長(cháng)傳輸距離達10

km，數傳誤碼率≤10-6，數傳時(shí)延≤20 ms，圖傳時(shí)延≤300

ms，由于此頻段的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋無(wú)需申請無(wú)線(xiàn)執照，比其他有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備更方便部署。機器人通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋接收監控后臺的控制指令，進(jìn)行云臺轉動(dòng)、設備檢測、車(chē)體運動(dòng)和自動(dòng)充電，并檢測機器人狀態(tài)和各類(lèi)預警、告警信息并進(jìn)行上報。在通信中斷、接收的報文內容異常等情況下，圖像、語(yǔ)音、數據不丟失，同時(shí)系統將發(fā)出告警信息，并在通信恢復后自動(dòng)續傳。

5. 本地監控后臺

本地監控后臺由計算機、無(wú)線(xiàn)通信設備、監控分析軟件和數據庫等組成。機器人與監控后臺通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數據交互，傳輸內容如圖5所示。監控后臺軟件采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，基于.NET架構，可以在Windows的各個(gè)版本操作系統跨平臺運行，軟件組成

(1)實(shí)時(shí)監控模塊負責查看機器人運行過(guò)程中的圖像信息、車(chē)體狀態(tài)信息、車(chē)體行進(jìn)信息、電池狀態(tài)信息、巡檢現場(chǎng)氣象信息、巡檢任務(wù)信息等。

(2)任務(wù)規劃模塊分為例行、特巡任務(wù)規劃和遙控巡檢3種模式，可隨時(shí)進(jìn)行任務(wù)模式的切換。根據變電站巡檢需求，例行任務(wù)規劃可提前生成若干巡檢任務(wù)，每天定期巡檢;特巡任務(wù)規劃可實(shí)時(shí)生成臨時(shí)巡檢任務(wù)，執行特殊巡檢任務(wù)。

(3)遠程遙控模塊可以實(shí)時(shí)遙控機器人到規定地點(diǎn)做規定動(dòng)作。該模塊可通過(guò)手柄控制云臺方位和俯仰，控制車(chē)體速度和方向。

(4)配置中心模塊包括設備配置、地圖配置和基本配置3個(gè)子界面。設備配置界面包括紅外配置、可見(jiàn)光配置、車(chē)體配置和云臺配置。

(5)歷史查詢(xún)和數據分析模塊可實(shí)現可見(jiàn)光圖像、紅外圖像、聲音及表計讀數、設備位置狀態(tài)、注油設備油位等信息的存儲、診斷和查詢(xún)。

6.環(huán)境適應性

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

1)  “三防”設計

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，機器人內部傳感、控制均采用模塊化設計，標準化生產(chǎn)。機器人采用一體化結構設計，具有防水、防塵功能。整機滿(mǎn)足GB 4208中IP54的設計要求，最大涉水深度大于10 cm。

2)  防風(fēng)設計

機器人采用四輪驅動(dòng)底盤(pán)結構，設備重心低，有利于機器人在地面上穩定運行。機器人本體結構緊湊設計和密封性高，具備抵抗10級風(fēng)能力。

3)  電磁兼容設計

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(guò)阻抗匹配設計、各設備模塊采用等電勢共地設計，輸入輸出接口的濾波和保護設計等技術(shù)確保各模塊的信號完整性、安全和可靠性。

4）防振動(dòng)設計

機器人在變電站巡檢過(guò)程中，由于受路面環(huán)境的影響，不可避免地會(huì )有一定程度的振動(dòng)，針對可能出現的固定螺絲松動(dòng)、部件斷裂等問(wèn)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） 溫度適應性設計

為保證在炎熱或寒冷環(huán)境下正常工作和長(cháng)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;在云臺護罩內安裝排熱風(fēng)扇和加溫板，可自動(dòng)對護罩內環(huán)境進(jìn)行排熱或加溫，有利于護罩內可見(jiàn)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(wú)冷凝水)。

華瑞通科技機器人分為三類(lèi)：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：室內導軌型智能巡檢機器人系統實(shí)現開(kāi)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(dòng)識別，繼保室保護屏柜壓板狀態(tài)、空開(kāi)位置、電流端子狀態(tài)、裝置信號燈指示以及數顯儀表的全自動(dòng)識別讀數。系統采用導軌滑觸式供電方式，實(shí)現24小時(shí)不間斷巡視，也可自定義周期和設備進(jìn)行特殊巡視。

輪式智能巡檢機器人：專(zhuān)為復雜環(huán)境下的巡檢工作而設計的，其基本功能為移動(dòng)監測平臺，屬于監測技術(shù)與機器人技術(shù)相融合的新型監測設備，可以適應規模較大的作業(yè)場(chǎng)地，同時(shí)也兼顧空間較小機柜過(guò)道巡檢任務(wù)。

履帶式電力巡檢機器人：根據固定路線(xiàn)行駛，視覺(jué)檢測識別工業(yè)上、生產(chǎn)線(xiàn)上的各種儀表的參數變化并判斷是否處于正常工作狀態(tài)；檢測生產(chǎn)線(xiàn)各閥門(mén)、通風(fēng)口的開(kāi)閉狀態(tài)及是否存在跑冒滴漏情況；檢測生產(chǎn)線(xiàn)區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(xiàn)工作發(fā)熱點(diǎn)等。并在發(fā)現異常情況會(huì )及時(shí)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用于能源站、橋梁隧道、化工、港口、管道、無(wú)人工廠(chǎng)、居住社區、城市等多種場(chǎng)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。