李新海，徐寶軍，肖星，曾令誠(chéng)，羅其鋒，劉德志，凌霞，羅海鑫

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山528400）

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電設(shè)備可靠運(yùn)行對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行巡檢、及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷隱患并消缺是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高供電可靠性的常規(guī)基礎(chǔ)工作[1-3]。目前電網(wǎng)企業(yè)普遍采用人工方式，通過(guò)運(yùn)行人員對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行定期巡檢或特殊巡檢。人工巡檢作業(yè)需要運(yùn)行人員近距離看、聽、聞、嗅，作業(yè)時(shí)需攜帶大量的檢測(cè)儀器，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、人身安全無(wú)保障、人機(jī)工效差等問(wèn)題，同時(shí)受運(yùn)行人員素質(zhì)、惡劣氣候條件影響，巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定，管理成本高，容易產(chǎn)生漏判、誤判[4-5]。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，變電站采用機(jī)器人巡檢可以彌補(bǔ)人工巡檢的不足，為解決上述問(wèn)題提供了新的途徑[6]。

從20世紀(jì)80年代開始國(guó)內(nèi)外對(duì)變電站機(jī)器人巡檢技術(shù)陸續(xù)開展了研究。日本在20世紀(jì)90年代利用紅外傳感器技術(shù)研制了500 kV變電站有軌巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電設(shè)備溫度的自動(dòng)測(cè)量[7-8]。2008年巴西圣保羅大學(xué)研制高空軌道機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備異常發(fā)熱進(jìn)行紅外線熱成像測(cè)溫[9]。2002年我國(guó)在國(guó)家863計(jì)劃的支持下開展變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研究并成功制造出第1臺(tái)變電站巡檢機(jī)器人[10-11]。但由于相關(guān)技術(shù)的限制，機(jī)器人巡檢未在變電站大規(guī)模推廣應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)性能的大幅提升以及通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、高清攝像技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人巡檢代替人工巡檢已成為變電設(shè)備巡檢的發(fā)展方向。目前巡檢機(jī)器人按行走方式主要分為軌道式、輪式和履帶式三種機(jī)器人[12]。由于城市用地的緊張，室內(nèi)六氟化硫封閉式組合電器（gas insulated switch?gear，GIS）變電站取代傳統(tǒng)的敞開式變電站已成為主流[13]。室內(nèi)變電站繼電保護(hù)室、GIS室、高壓室等設(shè)備室存在設(shè)備眾多、空間狹小、布局復(fù)雜等問(wèn)題，導(dǎo)致輪式、履帶式以及地面軌道式機(jī)器人因巡檢角度難以對(duì)室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行全方位巡檢，同時(shí)因室內(nèi)設(shè)備阻擋導(dǎo)致無(wú)線通訊質(zhì)量不佳，進(jìn)而影響了機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航和信息通訊。

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢室內(nèi)變電設(shè)備功能，本文提出并研制了變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，通過(guò)在變電站設(shè)備室內(nèi)安裝吊頂軌道，將機(jī)器人掛軌在該軌道上實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙行走，從而定點(diǎn)對(duì)變電設(shè)備的空氣開關(guān)、壓板、指示燈、把手、表計(jì)、端子排、套管、接線掌、高壓柜等設(shè)備元件進(jìn)行人工智能圖像識(shí)別、紅外測(cè)溫、局放信息采集等功能巡檢。該系統(tǒng)可代替人工巡檢，降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了巡檢效率和巡檢質(zhì)量，可智能診斷設(shè)備隱患并預(yù)警變電運(yùn)行人員進(jìn)行消缺，確保變電設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1 變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)由后臺(tái)主機(jī)、各設(shè)備室掛軌機(jī)器人就地管理裝置及各設(shè)備室的掛軌機(jī)器人組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of the track-hanging robot intelligent inspection system in substation

系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)通過(guò)就地管理裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備室機(jī)器人的控制、管理，對(duì)機(jī)器人發(fā)布巡檢任務(wù)和巡檢路線。各設(shè)備室機(jī)器人通過(guò)就地管理裝置將采集到的可見光圖片信息、紅外測(cè)溫信息、局放信息上傳到系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)。系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)對(duì)機(jī)器人上傳的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、智能診斷、預(yù)警設(shè)備隱患，生成巡檢報(bào)告并制定運(yùn)維檢修策略，為設(shè)備運(yùn)維檢修提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)主要采用有線通信，系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)利用交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接入各設(shè)備室就地管理裝置內(nèi)載波模塊，就地管理裝置內(nèi)載波模塊利用滑觸線接入掛軌機(jī)器人內(nèi)的載波模塊，掛軌機(jī)器人的主機(jī)以及檢測(cè)儀器通過(guò)以太網(wǎng)接入本體載波模塊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)與掛軌機(jī)器人數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)傳輸帶寬不小于60 Mbps，保證了可見光高清圖片、紅外測(cè)溫圖片、巡檢任務(wù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸。掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)還提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，支持遠(yuǎn)程系統(tǒng)瀏覽機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)信息。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備室內(nèi)機(jī)器人的巡檢管理，主要功能如下：

1）編輯、制定巡檢任務(wù)并發(fā)布給機(jī)器人。

2）制定與巡檢任務(wù)相對(duì)應(yīng)的機(jī)器人巡檢路線并發(fā)布給機(jī)器人，能實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)器人的位置。

3）與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，收集機(jī)器人采集的紅外測(cè)溫圖片、可見光圖片和局放信息，并進(jìn)行存檔。

4）對(duì)采集的信息進(jìn)行智能診斷分析并自動(dòng)生成設(shè)備缺陷報(bào)表，一鍵生成巡檢報(bào)告并具有打印、導(dǎo)出功能。

5）對(duì)巡檢發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷、機(jī)器人本體故障以及通訊中斷等異常情況生成告警信息，可語(yǔ)音報(bào)警并短信通知運(yùn)維人員進(jìn)行維護(hù)、消缺。

6）具有巡檢策略管理、告警定值管理、設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)分析、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、歷史查詢等功能。

1.2.2 就地管理裝置功能設(shè)計(jì)

掛軌機(jī)器人就地管理裝置主要由220 V交流電源切換模塊、整流模塊、載波模塊組成，每個(gè)設(shè)備室的就地管理裝置都有獨(dú)立的IP地址，具有承上啟下功能。

就地管理裝置通過(guò)滑觸線為機(jī)器人提供工作電源，同時(shí)利用滑觸線作為載波通道與機(jī)器人通訊，向機(jī)器人發(fā)布巡檢命令并接收機(jī)器人發(fā)送過(guò)來(lái)的巡檢信息。就地管理裝置與系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接，接收系統(tǒng)發(fā)布的各種控制信息以及將接收的巡檢數(shù)據(jù)信息上傳到系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)。

1.2.3 軌道功能設(shè)計(jì)

掛軌機(jī)器人需沿軌道行駛到達(dá)巡檢目標(biāo)。軌道需承載掛軌機(jī)器人重量，機(jī)器人重量約為50 kg，即要求軌道具備足夠剛度，以保障機(jī)器人長(zhǎng)期行駛而軌道不變形。軌道安裝需滿足機(jī)器人平滑順暢行駛以及對(duì)巡檢設(shè)備從上至下全方位巡檢。

為滿足掛軌機(jī)器人的行駛要求，即能適應(yīng)各種不同布局的設(shè)備室，本文設(shè)計(jì)的軌道采用高強(qiáng)度鋁合金材料制作的直軌與彎軌拼接吊頂安裝而成。該軌道通過(guò)可調(diào)節(jié)的吊頂固定裝置來(lái)固定安裝，從而保證軌道安裝高度適宜且水平。軌道的形狀可由直軌與彎軌拼接成單線型軌道或交叉型軌道。吊頂固定裝置主要由吊頂固定構(gòu)件、可調(diào)節(jié)高度構(gòu)件、水平調(diào)節(jié)底座、軌道水平固定構(gòu)件等組成。吊頂固定構(gòu)件通過(guò)拉爆螺絲將其固定在室內(nèi)天花板上，通過(guò)調(diào)整可調(diào)節(jié)高度構(gòu)件可使軌道安裝高度滿足掛軌機(jī)器人運(yùn)行要求，通過(guò)調(diào)整水平調(diào)節(jié)底座的調(diào)節(jié)螺桿兩端螺母可調(diào)節(jié)軌道水平。

1.2.4 供電及通訊系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人行駛以及檢測(cè)設(shè)備工作需要工作電源，目前主要采用電池或滑觸線供電兩種方式。機(jī)器人采用電池供電方式需使用大容量電池來(lái)保證電池的續(xù)航能力，同時(shí)還需建立配套的充電管理系統(tǒng)以及定期對(duì)電池維護(hù)，因此機(jī)器人采用電池供電方式將增加建設(shè)成本，同時(shí)也增大機(jī)器人本體的體積及重量，不利于掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)的建設(shè)。掛軌機(jī)器人采用滑觸線供電方式可保證不間斷供電，機(jī)器人本體無(wú)需安裝大容量電池，減小了機(jī)器人本體的體積及重量，起到了節(jié)能降耗作用。

本文設(shè)計(jì)的掛軌機(jī)器人采用滑觸線供電，滑觸線安裝在軌道上方，實(shí)現(xiàn)了不間斷供電，解決了因電池電量不足而導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法完成巡檢任務(wù)的問(wèn)題。同時(shí)滑觸線實(shí)現(xiàn)了就地管理裝置與機(jī)器人本體的有線連接，利用滑觸線作為載波通信通道實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)的通訊功能，無(wú)需再額外安裝有線通訊線路或無(wú)線通訊裝置。

1.2.5 掛軌機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

掛軌機(jī)器人具備自動(dòng)行駛、定位、信息采集、數(shù)據(jù)交互功能。機(jī)器人本體的集電裝置可實(shí)時(shí)在滑觸線上取得工作電源并建立載波通信通道實(shí)現(xiàn)通訊功能。集電裝置采用雙電刷并排安裝方式，掛軌機(jī)器人直行時(shí)兩電刷平面同時(shí)與滑觸線接觸，掛軌機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)、外彎轉(zhuǎn)彎時(shí)，兩電刷有效配合，保持圓弧面或平面與滑觸線表面有效接觸。掛軌機(jī)器人底盤采用輪式結(jié)構(gòu)在軌道上行駛，利用碼盤與定位標(biāo)簽共同實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)停靠功能。機(jī)器人根據(jù)巡檢任務(wù)自動(dòng)定點(diǎn)停靠在巡檢目標(biāo)前，伸縮臂自動(dòng)伸縮控制云臺(tái)高度，云臺(tái)自動(dòng)調(diào)整角度后對(duì)焦進(jìn)行可見光圖片、紅外測(cè)溫圖片拍攝及局放信息采集。機(jī)器人利用滑觸線作為載波通道將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行智能診斷分析以判斷巡檢設(shè)備是否正常，同時(shí)還將機(jī)器人自檢的故障信息上傳至系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)以通知運(yùn)維人員進(jìn)行維護(hù)、消缺。

2 變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 掛軌行駛驅(qū)動(dòng)技術(shù)

掛軌機(jī)器人底盤采用輪式結(jié)構(gòu)，其主要由電機(jī)、1個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、4組導(dǎo)向輪、4個(gè)彈簧裝置以及定位標(biāo)簽讀取裝置組成。驅(qū)動(dòng)輪安裝在導(dǎo)軌下方緊貼導(dǎo)軌，電機(jī)拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪行駛，驅(qū)動(dòng)輪上裝有計(jì)算行程的碼盤用以記錄機(jī)器人的行駛距離。定位標(biāo)簽讀取裝置可快速識(shí)別軌道上的定位標(biāo)簽信息，及時(shí)修正機(jī)器人當(dāng)前的位置信息。4組導(dǎo)向輪分別安裝在軌道上、下兩側(cè)，上方的導(dǎo)向輪壓在導(dǎo)軌上以支撐整個(gè)機(jī)器人。軌道上方的導(dǎo)向輪旁并排安裝了一個(gè)彈簧裝置，利用軌道外側(cè)彈簧與內(nèi)側(cè)彈簧的水平壓縮力調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪方向?qū)崿F(xiàn)彎道轉(zhuǎn)彎，保障機(jī)器人在彎道上平滑行駛。

掛軌機(jī)器人通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了掛軌機(jī)器人行駛控制策略，可減小運(yùn)動(dòng)慣性引起的定位誤差。掛軌機(jī)器人行駛控制策略邏輯如圖2所示，掛軌機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)首先根據(jù)巡檢路線判斷目標(biāo)距離并控制行駛速度，距離巡檢目標(biāo)有超過(guò)2個(gè)定位標(biāo)簽時(shí)掛軌機(jī)器人快速行駛達(dá)到正常行駛速度，在經(jīng)過(guò)與巡檢目標(biāo)最近的第2個(gè)定位標(biāo)簽時(shí)，掛軌機(jī)器人自動(dòng)將行駛速度控制為正常速度的50%，在經(jīng)過(guò)與巡檢目標(biāo)最近的一個(gè)定位標(biāo)簽時(shí)，掛軌機(jī)器人自動(dòng)將行駛速度控制為正常速度的20%，到達(dá)巡檢目標(biāo)時(shí)即發(fā)停止制動(dòng)命令。

圖2 掛軌機(jī)器人行駛控制策略邏輯圖Fig.2 Logic diagram of the control strategy of the track-hanging robot

2.2 巡檢定位技術(shù)

掛軌機(jī)器人沿軌道行駛，通過(guò)碼盤進(jìn)行測(cè)距和定位，同時(shí)通過(guò)軌道上的定位標(biāo)簽對(duì)碼盤測(cè)距進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精確定點(diǎn)停靠。軌道上裝設(shè)的定位標(biāo)簽，可采用二維碼、磁條、射頻識(shí)別（radio fre?quency identification，RFID）等技術(shù)[14-15]。根據(jù)各設(shè)備室巡檢對(duì)象的間隔，選取合適間距在軌道上精確安裝定位標(biāo)簽，配合安裝在掛軌機(jī)器人本體的定位標(biāo)簽讀取裝置，可實(shí)現(xiàn)測(cè)距、校準(zhǔn)功能。

系統(tǒng)對(duì)掛軌機(jī)器人所在設(shè)備室的軌道、定位標(biāo)簽、設(shè)備位置進(jìn)行巡檢模型建模。進(jìn)行巡檢工作前在系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)建立巡檢任務(wù)，并在建好的巡檢模型中自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前機(jī)器人與各巡檢目標(biāo)的距離，自動(dòng)規(guī)劃、生成并發(fā)布最優(yōu)巡檢路線。機(jī)器人接收到的巡檢任務(wù)及最優(yōu)巡檢路線后自動(dòng)開展巡檢工作，通過(guò)碼盤實(shí)時(shí)測(cè)距并上送至后臺(tái)主機(jī)形成巡檢軌跡記錄，機(jī)器人經(jīng)過(guò)定位標(biāo)簽時(shí)自動(dòng)修正位置信息、碼盤測(cè)距結(jié)果并進(jìn)行碼盤測(cè)距校準(zhǔn)，經(jīng)行駛預(yù)定距離后定點(diǎn)到達(dá)巡檢目標(biāo)位置，自動(dòng)開展巡檢工作。掛軌機(jī)器人巡檢定位流程如圖3所示。

圖3 掛軌機(jī)器人巡檢定位流程圖Fig.3 Inspection positioning flowchart of track-hanging robot

2.3 自動(dòng)采集信息技術(shù)

系統(tǒng)對(duì)設(shè)備室內(nèi)每個(gè)巡檢目標(biāo)的不同部位進(jìn)行巡檢任務(wù)建模。每個(gè)巡檢目標(biāo)中包含多個(gè)子設(shè)備，如裝置本體、壓板、空氣開關(guān)等。系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)根據(jù)巡檢規(guī)范要求選擇安排子設(shè)備的巡檢項(xiàng)目，如是否拍攝可見光圖片、是否進(jìn)行紅外測(cè)溫、是否收集局放信息等。每個(gè)子設(shè)備任務(wù)中還包含了掛軌機(jī)器人伸縮臂長(zhǎng)度控制以及全向云臺(tái)檢測(cè)儀器采集角度控制。機(jī)器人按巡檢路線達(dá)到巡檢目標(biāo)前，根據(jù)巡檢任務(wù)自動(dòng)調(diào)整伸縮臂長(zhǎng)度，自動(dòng)控制全向云臺(tái)將檢測(cè)儀器調(diào)整至預(yù)定采集角度，再進(jìn)行相關(guān)拍攝、測(cè)溫、局放檢測(cè)后將采集信息上傳至系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了掛軌機(jī)器人巡檢信息的自動(dòng)采集。

2.4 紅外防碰撞技術(shù)

系統(tǒng)采用了防碰撞技術(shù)防止掛軌機(jī)器人工作或行駛過(guò)程中誤碰障礙物而損壞設(shè)備。因紅外傳感器具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低廉、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不受電磁波及周圍可見光的影響[16-18]，故在掛軌機(jī)器人上安裝了紅外傳感器以實(shí)現(xiàn)防碰撞功能。掛軌機(jī)器人工作或行駛過(guò)程中定時(shí)向周圍發(fā)射紅外線，碰到障礙物后反射回機(jī)器人接收，根據(jù)紅外線發(fā)射及接收的時(shí)間以及紅外線的傳播速度即可計(jì)算掛軌機(jī)器人與障礙物之間的距離。當(dāng)檢測(cè)機(jī)器人與前方障礙物的距離小于設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人即向驅(qū)動(dòng)輪的電機(jī)控制器發(fā)送停車命令并向系統(tǒng)后臺(tái)主站發(fā)送告警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輪將停止行駛。當(dāng)檢測(cè)機(jī)器人與下方障礙物的距離小于設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人即向伸縮控制器發(fā)送停止伸長(zhǎng)命令并向系統(tǒng)后臺(tái)主站發(fā)送告警信號(hào)，伸縮臂將停止向下伸長(zhǎng)。運(yùn)行人員收到告警信號(hào)后需到現(xiàn)場(chǎng)清除障礙物，待障礙物被清除，機(jī)器人檢測(cè)到無(wú)障礙物后可繼續(xù)行駛或工作。掛軌機(jī)器人防碰撞技術(shù)邏輯如圖4所示。

圖4 掛軌機(jī)器人防碰撞技術(shù)邏輯圖Fig.4 Logic diagram of anti-collision technology for track-hanging robots

2.5 直流載波通信技術(shù)

設(shè)備室內(nèi)的掛軌機(jī)器人與就地管理裝置之間采用了直流載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互通訊功能，滑觸線不僅為機(jī)器人提供工作電源，同時(shí)兼作信號(hào)通訊線。在以太網(wǎng)傳輸?shù)男盘?hào)加載到滑觸線上之前，需利用數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)（fre?quency shift keying，F(xiàn)SK）將發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，抗噪聲和抗衰減性能較強(qiáng)，有助于提高通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性[19-20]。掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)直流載波通信如圖5所示。

圖5 變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)直流載波通信圖Fig.5 DC carrier communication diagram of track-hanging robot intelligent inspection system in substation

就地管理裝置采用雙電源切換的工作模式來(lái)提高供電可靠性，兩路交流電源AC 220 V進(jìn)線經(jīng)切換繼電器切換后進(jìn)入整流模塊，由整流模塊整流輸出DC 36 V，為滑觸線提供工作電源。機(jī)器人的集電裝置從滑觸線上取得工作電源來(lái)保證各個(gè)部件的正常電源供應(yīng)。就地管理裝置以及機(jī)器人本體分別安裝了載波模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與高頻模擬信號(hào)的調(diào)制。發(fā)送信號(hào)端的載波模塊將以太網(wǎng)傳輸來(lái)的數(shù)字信號(hào)調(diào)制成36.8 kHz高頻信號(hào)后耦合到直流滑觸線上進(jìn)行傳輸，接收信號(hào)端的載波模塊將從直流滑觸線上接收到的36.8 kHz高頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)后通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)與掛軌機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交互通訊。就地管理裝置以及機(jī)器人本體內(nèi)部直流電源接入處均安裝了阻波電感L，確保高頻載波信號(hào)全部進(jìn)入載波模塊內(nèi)，從而減少了高頻信號(hào)衰減，提高了載波通信的可靠性。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與效果

500 kV文山變電站是南方電網(wǎng)首座500 kV戶內(nèi)GIS變電站，也是南方電網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用示范點(diǎn)。500 kV文山變電站目前安裝500 kV變壓器2臺(tái)、500 kV線路4條、220 kV線路8條以及相關(guān)二次設(shè)備，其設(shè)備主要分布在500 kV GIS室、220 kV GIS室、主變及35 kV設(shè)備高壓場(chǎng)、繼電保護(hù)室等4個(gè)區(qū)域。其中220 kV GIS室有220 kV線路、主變、電壓互感器（potential transformer，PT）、母聯(lián)、分段等間隔設(shè)備共18個(gè)，繼電保護(hù)室有保護(hù)、測(cè)控、通信等屏柜共182面。按照廣東電網(wǎng)公司《變電設(shè)備運(yùn)維策略實(shí)施細(xì)則》對(duì)500 kV變電站設(shè)備的巡檢要求，變電運(yùn)行人員需對(duì)上述設(shè)備開展每日1次的日常巡檢和每月1次的全面巡檢，巡檢任務(wù)繁重，耗時(shí)較長(zhǎng)。

2018年12月，本文研制的變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)已安裝應(yīng)用于500 kV文山變電站，在220 kV GIS室、繼電保護(hù)室分別安裝了掛軌機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)備的智能巡檢功能。該系統(tǒng)按“每月1次人工全面巡檢標(biāo)準(zhǔn)”開展每日1巡，采集設(shè)備可見光高清圖像、紅外測(cè)溫圖像等數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工智能分析并生成巡檢報(bào)告，預(yù)警設(shè)備存在的缺陷隱患，為變電設(shè)備運(yùn)維檢修提供決策依據(jù)。

圖6為500 kV文山變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)自定義繼電保護(hù)室500 kV獅文乙線主Ⅱ保護(hù)屏壓板巡檢任務(wù)界面，變電站運(yùn)行人員可按巡檢工作要求自定義巡檢任務(wù)及巡檢內(nèi)容。

圖6 掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)自定義巡檢任務(wù)界面Fig.6 Customized inspection task interface for the trackhanging robot intelligent inspection system

圖7為500 kV文山變電站繼電保護(hù)室掛軌機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作畫面，該機(jī)器人按系統(tǒng)發(fā)布的巡檢任務(wù)、巡檢路線在500 kV獅文乙線主Ⅱ保護(hù)屏前開展壓板巡檢工作。

圖7 繼電保護(hù)室掛軌機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)巡檢工作畫面Fig.7 On-site inspection work picture of trackhanging robot in relay protection room

截止到2019年12月，500 kV文山變電站利用掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)按照《變電設(shè)備運(yùn)維策略實(shí)施細(xì)則》要求對(duì)220 kV GIS室、繼電保護(hù)室實(shí)施了掛軌機(jī)器人巡檢。表1為掛軌機(jī)器人巡檢與人工巡檢的內(nèi)容及時(shí)間對(duì)比表。由表1數(shù)據(jù)測(cè)算，利用掛軌機(jī)器人代替人工巡檢，每月至少可節(jié)省人工173工時(shí)，每年可節(jié)省人工2 076工時(shí)。該系統(tǒng)的應(yīng)用將文山站運(yùn)行人員從繁重的巡檢任務(wù)中解放了出來(lái)，可更好地投入到設(shè)備運(yùn)維工作中，有效提升了500 kV文山變電站設(shè)備運(yùn)維水平。

表1 掛軌機(jī)器人巡檢與人工巡檢的內(nèi)容及時(shí)間對(duì)比表Tab.1 Comparison table of content and time of track-hanging robot inspection and manual inspection

3.2 應(yīng)用問(wèn)題與解決措施

1）掛軌機(jī)器人掉電重啟或通訊中斷后的定位失效問(wèn)題。掛軌機(jī)器人本體在掉電或與后臺(tái)通訊中斷過(guò)程中掛軌機(jī)器人無(wú)法識(shí)別或上傳定位信息，此時(shí)如果機(jī)器人因某種原因移動(dòng)位置而碼盤測(cè)距失效將造成掛軌機(jī)器人位置定位失效。500 kV文山變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)設(shè)置了掉電重啟與通訊恢復(fù)后機(jī)器人的位置定位策略，即掉電重啟或通訊恢復(fù)后機(jī)器人自動(dòng)沿軌道行走至相鄰定位標(biāo)簽，讀取定位標(biāo)簽信息并上傳到后臺(tái)主機(jī)，從而完成掉電重啟或通訊中斷后掛軌機(jī)器人位置定位。

2）掛軌機(jī)器人定位精度控制問(wèn)題。500 kV文山變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)后臺(tái)主機(jī)建立了掛軌機(jī)器人所在設(shè)備室的軌道模型、巡檢目標(biāo)模型、機(jī)器臂的伸縮長(zhǎng)度及儀器拍攝角度等模型，要求掛軌機(jī)器人精準(zhǔn)到達(dá)巡檢目標(biāo)位置后開展巡檢工作，確保采集的圖像信息滿足后臺(tái)主機(jī)識(shí)別要求并與模型圖庫(kù)進(jìn)行有效比對(duì)。掛軌機(jī)器人在定位標(biāo)簽間的位置采用碼盤測(cè)距進(jìn)行定位，按照本文“2.2節(jié)巡檢定位技術(shù)”要求需選取合適的距離安裝定位標(biāo)簽。經(jīng)測(cè)試，在軌道上按每間隔3 m設(shè)置一個(gè)定位標(biāo)簽可使機(jī)器人到達(dá)位置與巡檢目標(biāo)位置的定位誤差控制在2～3 cm以內(nèi)，滿足了巡檢定位精度控制要求。

3）掛軌機(jī)器人彎道行駛穩(wěn)定控制問(wèn)題。500 kV文山變電站掛軌機(jī)器人采用S型懸掛軌道，掛軌機(jī)器人重量達(dá)50 kg，機(jī)器人在高速轉(zhuǎn)彎行駛過(guò)程中由于慣性大導(dǎo)致機(jī)器人本體出現(xiàn)大幅晃動(dòng)，對(duì)掛軌機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和軌道造成嚴(yán)重?fù)p害。為保障機(jī)器人彎道行駛時(shí)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)在軌道彎道兩端前設(shè)置了彎道定位標(biāo)簽，機(jī)器人駛?cè)霋燔墢澋狼笆状巫x取彎道標(biāo)簽后即減速行駛，隨后機(jī)器人慢速、穩(wěn)定通過(guò)掛軌彎道，駛出掛軌彎道并再次讀取彎道標(biāo)簽后再恢復(fù)正常速度行駛。

4 結(jié)論

本文基于掛軌行駛驅(qū)動(dòng)技術(shù)、巡檢定位技術(shù)、自動(dòng)采集信息技術(shù)、紅外防碰撞技術(shù)、直流載波通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了變電站掛軌機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在空間狹小復(fù)雜的變電站設(shè)備室內(nèi)的機(jī)器人智能巡檢功能。

該系統(tǒng)可代替人工巡檢設(shè)備，減輕了運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，保障了運(yùn)行人員的人身安全，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷隱患并預(yù)警通知運(yùn)維人員維護(hù)、消缺，有效地提升了變電設(shè)備運(yùn)維工作質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)在500 kV文山變電站的應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性及有效性，對(duì)變電站機(jī)器人智能巡檢技術(shù)發(fā)展有著積極推動(dòng)作用。