国家能源集团神东煤炭集团供电中心 陕西榆林719315 摘要:为了更好地促进变电站巡检机器人在变电站中的应用推广,推进变电站无人值守进程,在详细分析了变电站设备巡检的现场需求基础上,提出了一种变电站设备巡检机器人分层混合式体系结构,并设计了适用于变电站环境的精确导航定位系统、可靠的电源管理系统和通讯系统。
关键词:变电站;巡检机器人;自主行为;导航定位;设备检测;故障诊断分析
一、巡检机器人系统架构
智能巡检机器人采用完整而复杂的非接触式检测体系架构工作方式,能够为变电站的安全、稳定运行发挥重要作用。为实现变电站设备的全面巡检,巡检机器人在系统架构方面通常可以分为移动检测系统层、无线传输层、客户端接收层3个层次。其中,移动检测系统层由巡检机器人本体、无线通信收发系统组成,其主要功能是实现对设备状态信息的采集和控制信息的收发;网络传输层由以太网和无线传输设备组成,其主要功能是传输控制指令和图像信息;客户端接收层由无线传输设备和上位机软件系统组成,其主要功能是对机器人采集的设备状态信息进行处理、识别、发出预警并存储信息。依据不同的行进方式,变电站巡检机器人可分为3类,第一类变电站智能巡检机器人也是最早出现的巡检机器人,采用铺设固定轨道的方式,利用在变电站铺设特定的巡检轨道,巡检机器人携带可见光摄像机(CCD)和红外热像仪沿固定轨道运行,对轨道途经的一次设备进行巡检。这种巡检方式能够准确地按照铺设轨道行进并进行设备检测,且具有较高的安全性和可靠性。但由于变电站内环境较为复杂,额外的轨道铺设和轨道维护给工作人员带来不便,在设备的全面巡检方面也存在着先天的不足。随着自主导航技术的发展,在第一类轨道机器人的基础上,发展出了轮式驱动的轮式机器人,包括两轮驱动和四轮驱动行进方式的巡检机器人。相对于轨道式巡检机器人,轮式机器人巡检路线更加灵活,对特定的电力设备可以选用最优路径巡检方案,但这种机器人要求更可靠的通讯方式和数据传输方式,在变电站强电磁环境下,保障通信可靠成为该类机器人需要解决的关键问题。在轮式机器人发展过程中,为解决野外复杂地面环境中机器人的行进问题,又发展出了履带式底盘的巡检机器人,使其具备更强的越障和防滑能力,履带式机器人优良的驱动性能可以更好地适应北方某些积雪过厚和地形险峻的变电站环境,促进了巡检机器人大范围的推广应用。
二、现场应用情况
首台变电站巡检机器人样机于2005-10在济南500kV长清变电站首次试运行,并开始批量推广,已在全国27个省市自治区“上岗”巡检作业,覆盖了华北电网、西北电网、华东电网及南方电网,以及从110~1000kV各电压等级的变电站/换流站,巡检机器人具备以下5种运行模式:
2.1自主巡检
工作人员根据巡检时间、周期、路线、目标、类型(红外、可见光等)灵活进行任务定制,机器人按照定制任务进行自动巡检。
2.2定点巡检
工作人员选择部分设备进行巡检,系巡检机器人统自动生成最佳巡检路线并执行定点任务。
2.3遥控巡检
工作人员通过后台手动控制界面,控制巡检机器人执行巡检任务。
2.4特殊巡检
当遇到恶劣天气条件或大负荷工作条件时,由工作人员启动一次特殊巡视。
2.5顺控配合
当进行变站站顺控操作时,变电站巡检机器人与变电站信息一体化平台配合,通过最优路径规划自动移动至目标位置,自动识别被控设备的状态,上送到信息一体化平台,实现被控设备控前及控后位置的自动校核。
实践证明,变电站巡检机器人能够经受高低温、湿热、雨雪、风沙等恶劣天气的考验,可全天候巡检作业,有效提升了高压变电站运维效率和效益。目前,己发现各种事故隐患几十处,有效避免了多次重大事故的发生,为电力系统安全经济生产提供保障。
三、变电站巡检机器人的关键技术
3.1机器人的导航控制技术
移动机器人的导航控制技术有很多种,如SLAM导航技术、视觉导航技术、磁轨道导航技术、GPS导航技术以及激光反射光导航技术等。(1)SLAM导航技术,它主要应用在军事领域中,用于即时定位和构建地图,近几年已经逐步向机器人领域靠拢。这项技术对环境的适应能力极强、导航的精准度也非常高,在智能机器人和无人驾驶汽车的导航定位中应用较多。缺点是造价太高,对电子地图的精确度要求较高。(2)视觉导航,它是让视觉图像通过移动摄像机进行监视和识别,在机器人的实际位置被关联好的基础上完成自主导航的定位。优点是可以获取大量的信息,成本低;缺点是有大量的图像要处理,并且需要计算,容易受到环境的影响,如光照、烟雾等因素,在和其他导航技术的融合中使用较多。(3)磁轨道导航技术,在早期变电站中,这种方式使用得比较多。精确导航定位可以通过靠在地面的预埋磁条和RFID标签实现。优点是定位精准度高、技术相对比较成熟;缺点是移动路径单一、不够灵活,后期维护和扩展工作的工作量大。(4)GPS导航技术。这种技术的应用范围较广,在机器人导航中,往往会将GPS导航技术进行拆分,缺点是定位精准度低,受卫星信号的影响特别大。(5)激光反射光导航技术。它利用激光对周边环境进行扫描,利用反射光的接收时间计算和推算物体和机器人中间的距离,并进行导航定位。优点是距离的分辨率高、平行性能好;缺点是测距的范围受限制、环境的干扰。
3.2机器人的无线通信网络
机器人的无线通信网络包括以下几种:(1)UWB,它应用的是无载波通信技术,发射功率很低,但是通信的安全性很高,带宽也是高量级的。缺点是传输距离短,终端支持也很少,在移动机器人室内定位应用较多。(2)Li-Fi技术。它的数据传输方式不是靠无线电波作为载体传输,而是靠光谱。优点是非常绿色环保,保密性也较高,不占用无线电频带资源。不过这个技术现在还在研究中,还没有进行正式的应用和推广。(3)WiFi技术。它是短距离的无线载波通信技术,优点是传输速率快、覆盖范围很广,支持无线桥接;缺点是运行功耗消耗太快。
3.3机器人的移动机构
机器人的移动机构包括以下几种:(1)固定轨道式机构。它可以让移动机器人依靠轨道的滑行运行,优点是能够精准地进行定位,多维度的移动能力,空间移动范围较广,环境适应性较强;缺点是灵活性有待提高,运行路径单一。(2)轮式机构。它在日常交通中的应用是最广泛的,优点是结构简单、机动灵活、控制也很方便。它的传动效率很好,但是对地形的适应能力有待提高。(3)仿生腿式机构。它的研究在最近几年非常热门,它是依照多自由度的放生结构让其对地形环境的适应能力更强,使运动更加灵活,可以早日实现非结构地形中的自主移动。而现阶段,由于受到技术水平的限制,目前仿生腿式机构仍存在很多技术难题,商业化的应用推广还无法实现。(4)履带式机构,它在工业机械中的应用非常多,优点是地面附着能力强、越障能力强、运动比较平稳等;缺点是结构比较复杂、体积大不容易转弯、机动性能有待提高。
结语:
综上所述,巡检机器人在变电站的实际应用会随着机器人技术的不断发展而更加成熟。但是,目前巡检机器人的设计中还有一些不足,如综合诊断的分析能力和模式的识别算法都需要进一步加强,变电站早期的设备也是按照传统的模式布置的,没有考虑机器人巡检的需求,在以后的发展中,要对这些问题进行重点研究。
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