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1、智能变电站巡检机器人研制及应用周立辉 1, 张永生 1, 孙 勇 2,3, 梁 涛 2, 3, 鲁守银 2, 3(1. 浙江省电力公司金华电业局 , 浙江省金华市 321000; 2. 国家电网公司电力机器人技术实验室 , 山东省济南市 250002;3. 山东电力研究院 , 山东省济南市 250002摘要 :介绍了一种基于移动机器人的设备巡检系统在智能变电站的应用情况 。 该系统携带可见光摄像机 、红外热像仪 、 拾音器等传感器 , 基于磁轨迹实现最优路径规划和双向行走 , 以自主或遥控方 式对站内一次设备进行巡检 , 及时发现设备热缺陷和外观异常 ; 通过图像处理和模式识别 , 判别出开关
2、和刀闸的分合状态 ,并在遥控或顺序控制操作时 , 与智能变电站顺控系统配合 , 代替人工实现 被控设备位置的自动校核 。 现场实际应用情况表明 , 移动式变电站设备巡检机器人为智能变电站 或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型的设备检测和监控手段 。 关键词 :智能变电站 ; 巡检机器人 ; 顺序控制 ; 磁轨迹 ; 最优路径规划收稿日期 :2010-12-20; 修回日期 :2011-05-03。 0 引言变电站设备巡检是有效保证变电站设备安全运 行 、 提高供电可靠性的一项基础工作 , 主要分为例行 巡检和特殊巡检 。 例行巡检每天 至少 2次 ; 特殊巡检一般在高温天气 、大负荷运行
3、 、 新投入设备运行前 以及大风 、 雾天 、 冰雪 、 冰雹 、 雷雨后进行 。 此外 , 检修人员还通过手持红外热像仪 , 一 般每半个月一次 对变电站设备进行红外测温 。 现有巡检方式主要为人工巡视 ,手工或手持掌上电脑记录 , 每次巡视时间 在 2h 以上 。 中国地域辽 阔 , 有 很 多 变 电 站 的 地 理条件十分恶劣 , 如高海拔 、 酷热 、 极寒 、 大风 、 沙尘 、 多 雨等 , 只靠人工在室外进 行 长 时 间 的设备巡检工作 十分困难 。 人工巡检存在劳动强度大 、 工作效率低 、检测质量分散 、 管理成本高等明显不足 1-3。 随着机器人技术的快速发展 , 将机
4、器人技术与电力应用相结合 ,基于室外机器人移动平台 , 携带检 测设 备 代 替 人 工 进 行 设 备 巡 检 成 为 可 能 。 早 在 2002年 , 电力机器人技术实验 室在 国家 “ 863计划 ”(2002A A 420110-3 的支持下 , 研发出第 1代变电站 设备巡检机器人 4-5。 该机器人携 带 可 见 光 摄 像 机 和红外热像仪等传感器 , 沿一 条闭合磁轨迹单向巡视 , 不支持双向行走 ; 作为 一 个 独 立 的巡检系统 , 也 未实现与外部系统的接口 ; 此外 , 该机器人在运行性 能和可靠性等方面 , 还无 法 做 到 室 外长时间的自主 运行 。 经过几年
5、的持续研究与改进 , 2010年实验室 又研发出第 4代巡检机器人 , 系 统 性能和可靠性显 著提高 , 采用百万像素的网络高清摄像机 , 重新设计了室外柔性充电机构 ,新 增 基 于磁轨迹 的 最 优路径 规划和双向行走 、 自动配 合 遥 控或顺序 控 制 操作进 行被控设备的位置校核 、一个变电站双机器人协同 、 与固定点视频融合等功能 。 新一代巡检机器人已成 功应用于浙江某 500k V 智能变电站改造项目 。1 变电站设备巡检机器人系统变电站设备巡检机器人基于自主导航 、 精确定 位 、 自动充电的室外全天 候移动平台 , 集成可见光 、 红外 、 声音等传感器 ; 基于磁轨迹和
6、路面特殊布置的 无线射频识别 (R F I D 标签 , 实现巡检机器人的最优 路径规划和双向行走 , 将被检测设备的视频 、 声音和 红外测温数据通过无线网 络传输到 监 控 室 ; 巡 检后 台系统通过设备图像处理 和模式识 别 等 技术 , 结合 设备图像红 外 专 家 库 , 实 现 对 设 备 热 缺 陷 、 分 合 状 态 、 外观异常的判别 , 以及 仪表读数 、 油 位 计 位置的 识别 ; 并配合智能变电站 顺 控 操作系统 实 现 被控设 备状态的自动校核 。1. 1 系统组成设备巡检机器人系统设计为网络分布式架构 , 如图 1所示 。 系统分为 3层 :基站层 、 通信层
7、和终端 层 。 基站层由监控后台组 成 , 是整个巡 检 系 统的数 据接收 、 处理 与 展 示 中 心 , 由 数 据 库 (模 型 库 、 历 史 库 、 实时库 、 模型配置 、 设备接口 (机器人通信接口 、红外热像仪接口 、 远程控制接口等 、 数据处理 (实时 数据处理 、 事 项 报 警 服 务 、 日 志 服 务 等 、 视 图 展 示(视频视图 、 电子地图 、 事项查看等 等模块组成 。 基 站层通过图像处理和模式 识别等技 术 , 实 现 设备缺 陷的自动识别和报警 。58 第 35卷 第 19期 2011年 10月 10 日 V o l . 35 N o . 19O
8、c t . 10, 2011 图 1 变电站巡检机器人系统结构图F i g . 1 S y s t e m s t r u c t u r e o f s u b s t a t i o n i n s pe c t i o n r o b o t 通信层由网络交换机 、 无线网桥基站 (固定在主控楼楼顶 及 无 线 网 桥 移 动 站 (安 装 在 移 动 机 器 人 上 等设备组成 , 采用 W i f i 802. 11n 无线网络传输 协议 , 为站控层与终端层 间 的 网 络 通信提供透明的 传输通道 。终端层包括移动机器人 、 充电室和固定视频监 测点 。 移动机器人与监控后台之
9、间为无线通信 , 固 定视频监测点与监控后台之间可采用光纤通信 。 充 电室中安装充电机构 , 机器人 完成一次巡视任务后 或电量不足时 , 自动返回充电室进行充电 。 1. 2 主要功能1检测功能 :通过在 线 式 红 外 热像仪检测一次 设备的热缺陷 , 包括电流致热型 、 电压致热型设备的 本体及接头的红外测温 ; 通过 在线式可见光摄像仪 进行一次设备的外观检查 , 包括破损 、 异物 、 锈蚀 、 松 脱 、 漏油等 ; 断路器 、 刀闸的位置 ; 表计读数 、 油位计 位置 ; 通过音频模式识别 , 分析一次设备的异常声音 等 。2导航功能 :按预先规划的路线行驶 , 能动态调 整
10、车体姿态 ; 差速转向 , 原地转弯 , 转弯半径小 ; 磁导 航时超声自动停障 ; 最优路径规划和双向行走 , 指定 观测目标后计算最佳行驶路线 。3分析及报警 :设备 故 障 或 缺 陷的智能分析并 自动报警 ; 自动生成红外测 温 、 设备巡视等报表 , 报 表格式可由用户定制 , 可通过 I E C 61850接口 上送 信息一体化平台 ; 按设备 类 别 提供设备 故 障 原因分 析及处理方案的辅助系统 , 提供设备红外图像库 , 协 助巡检人员判别设备的故障 。4 控制功能 :设备巡 检 人 员可在监 控 后 台进行 巡视 ; 可对车体 、 云台 、 红 外 及 可见光摄 像 仪
11、进行手 动控制 ; 实现变电站设备巡检的本地及远方控制 ; 与 顺序控制系统相结合 , 代替人工实现开关 、 刀闸操作 后位置的校核 。5特殊巡视 :当因天 气 恶 劣或设备 附 近 存在安 全隐患等原因 , 运行人员不便靠近该设备时 , 机器人 可代替运行人员到达指定 设备的观 测 位 置 , 运 行人 员在后台通过调整机器人云台位置对准被观测设备 进行检测 。6固定视频点接入 :设 备 巡检机器 人 系 统还可 接入变电站的固定视频监 测点 ,覆盖机 器 人 无法到 达的观测死角 , 实现全站的视频监测 。 7 与外部系统接口 :与 变 电站综合 自 动 化系统 接口 , 获取设备实时负荷
12、电流进行设备温升分析 ; 作为 I E C 61850服务端与综合自动化或智能变电站信 息一体化系统接口 , 配合 遥 控 或顺序控 制 进 行被控 设备的位 置 校 核 。 与 生 产 管 理 信 息 系 统 (M I S 接 口 , 上送红外测温和设备外观异常信息 。2 变电站设备巡检机器人系统的关键技术2. 1 基于磁导航的最优路径规划和双向行走文献 6提出一种巡检机器人寻迹方案 , 先利用 全球定位系统 (G P S 粗定位 (约 3m , 再由光电传 感器 、 电感式接近开关 、 光电编码器探测轨迹中的金属信号源 , 实 现 精 确 定 位 。 但 G P S 信 号 在 变 电 站
13、 易受干扰 , 机 器 人 在 高 压 设 备 区 接 收 不 到 G P S 信 号 。目前 , 磁 导 航 (路 面 磁 轨 迹 结 合 R F I D 标 签 定 位 是应用于变电站室外强电磁环境 、 全天候条件下 的最为可靠的一种导航定位方式 , 定位精度在 2c m 以内 。 与 G P S 坐标式导航方式不同 , 采用磁导航时 无法得到机器人的位置坐 标 , 通常机器 人 只 能沿一条闭合路径单向行走 ,可 以 实 现基本的 设 备 巡检功 能 。 为通过机器人实现智能变电站中遥控或顺序控制的位置校核 , 机器人要 从 当 前位置沿 最 优 路径迅 速运动到被控设备的观测 位置 ,
14、 下面设 计 了 一种基 于磁轨迹实现最优路径规划和双向行走的解决方案 并成功通过变电站现场的实际验证 。2. 1. 1 磁轨迹与 R F I D 标签的布置变电站内磁轨迹和 R F I D 标签的布置方式如图2所 示 。 磁 轨 迹 敷 设 在 道 路 中 间 ,停 靠 检 测 点 的 68 2011, 35(19R F I D 标签埋 设 在 磁 轨 迹 的 右 侧 (相 距 约 20c m 。 如机器人只沿一个闭合路径单向 行走 , 则每个路口 只需 安 置 1个 R F I D 标 签 。 为 实 现 机 器 人 双 向 行 走 , 需要根据 路 口 类 型 埋 设 多 个 R F I
15、 D 标 签 。 由 于 机器人识别到 R F I D 标签后进行平稳停车时有一定的停车距离 (约 20c m , 所 以 在 所 有 路 口 以 路 口 交 叉点为基准 , 在机器 人 的每 个 方 向 沿磁轨迹驶向路 口交叉点的右侧 , 埋设路口标示点 R F I D 标签 (横向 距磁轨迹约 20c m , 纵向距道路中心点约 50c m , 路 口标 示 点 R F I D 标 签 的 埋 设 数 量 分 别 为 :拐 弯 处 2个 ,丁字路口 3个 , 十字路口 4个 。 移动机器人底 部的左右两侧对 称 安 装 2个 R F I D 读 卡 器 , 这 样 机 器人行驶过程 中 读
16、 到 任 一 R F I D 标 签 时 , 均 能 识 别 出自身的位置和行走的方向 。图 2 磁轨迹与 R F I D 标签布置示意图F i g . 2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f m a gn e t i c p a t h a n d R F I D t a gs 2. 1. 2 磁轨迹与 R F I D 标签模型配置和规划算法采用全局路径规划中的拓扑法对巡视道路进行 建模 。 根据 R F I D 标 签 的 连 通 性 建 立 拓 扑 网 状 图 , 为简化计算 , 路 口 多 个 R F I D 标 签 先 合 并 为 图 中 的 一个
17、节点 , 磁轨迹作为图 中 的 一 条边 。 通过对节点 和边的遍历 , 计算 2个节点间的最短连通路径 , 再转 换到以 R F I D 标签 序 列 标 示 的 行 驶 路 线 , 在 每 个 路 口 R F I D 标签 , 根据路径连通性 , 计算出机器人的转 动角度 。2. 2 顺序控制的位置校核 2. 2. 1 顺序控制顺序控制是指自动完成相关运行方式变化要求 的一系列设备操作 , 是智 能 变 电 站 在数字化变电站 基础上扩展的一项重要功能 。 在对开关或刀闸进行 操作时 , 巡检机器人可代替人工 , 按自动规划出的最 优路径移动到目标设备的监测位 置 , 通过所携带的 可见光
18、摄像机或红外热像仪抓取 设备图像 , 并对设 备图像进行图像处理和模式识别 , 识别出开关或刀闸的当前位置 ,从而实现 被 控 设备控前 及 控 后位置 的校核 , 在站内和远端实现可视化操作 , 满足无人值 班及区域监控中心站管理模式的要求 。 巡检机器人 与顺序控制系统的交互过程如图 3所示 。图 3 与顺序控制系统的交互步骤F i g . 3 I n t e r a c t i v e s t e p s w i t h s e q u e n c e c o n t r o l s ys t e m 2. 2. 2 支持顺序控制的 I E C 61850接口 在机器人巡检系统的 I E
19、 C 61850智能电子设备 (I E D 模型中 , 创建变电站内所有需要控制的开关 、 刀闸设备的 逻 辑 节 点 (即 逻 辑 节 点 C S W I , 机 器 人 对开 关 进 行 模 式 识 别 的 结 果 通 过 逻 辑 节 点 G G I O 的 I n d 数据点组织成信息报告发送给信息一体化平 台 , I n d 采用 S P S 单点遥信 , 上送的数据为遥控结果 (用布尔量表示 :1表示成功 (控分且识别的结果为 分 , 控合且识别的结果为合 , 0表示失败 (控分未分 到位 , 控合未合到位 ; 另外 , 在失败时以报告的形式发送告警信号 。如图 4所示 , 巡检机器
20、人后台与信息一体化平 台 顺 序 控 制 系 统 服 务 器 配 合 校 验 的 过 程 , 与 I E C 61850标准中控制信息模型中带增强安 全 的 操 作前选择模型一致 , 可以用 I E C 61850中定义 的控 制操作和信息报告来完成上述交互过程 。 当顺序控 制系统遥控站内的某个设 备时 , 在向该 开 关 发送正 常遥控命令的同时 , 也给巡检机器人 I E D 模型中的 设备节点发送遥控命令 。3 变电站现场应用情况浙江某 500k V 变电站 (南北约 300m ,东 西约 200m 配 置 2台 巡 检 机 器 人 , 500k V 区 1台 ,220k V 和 35
21、k V 区 1台 , 每 台 机 器 人 1个 充 电 室 , 如图 5所示 。2台机器人 一 般 分 区 巡 视 ,需 要 时 也 可 跨 区 巡 视 。 2个区域的巡视道路 总长约 5k m , 以 R F I D 标 签标示的路口有 50多个 ; 以 R F I D 标签标示的机器 人停 靠 点 近 300个 ; 设 备 观 测 位 置 约 1200个 (平 均 78 新技术新产品 周立辉 , 等 智能变电站巡检机器人研制及应用 图 4 顺序控制的 I E C 61850接口 F i g . 4 I E C 61850i n t e r f a c e o f s e qu e n c
22、e c o n t r o l 图 5 机器人现场巡检路线示意图F i g . 5 S c h e m a t i c d i a g r a m o f p a t r o l l i n g p a t h o f m o b i l e r o b o t 在每个停靠点观测附近的 4个设备 。 500k V 区全任务巡检约 70m i n , 220k V 和 35k V 区全任务巡检 约 150m i n。 每天上午 、 下午 、 晚上定时执行 3次巡 检任务 ,巡检任务执行结束后 , 机器人返回充电室自 主充电 。 如机器人接收到顺序控制系统的遥控操作命令 , 将停止充电或正进行的巡
23、检任务 , 根据被控设 备的观测位置 , 计算出最 佳 行 驶 路 径并直接运动到 被控设备的预定观测位置进行检测 。 机器人现场配 合测试顺序控制操作票 200余张 , 设备位置识别成 功率达 98%以上 。 现场应用情况见附录 A 图 A 1图 A 3。4 结语本文介绍了设备巡检机器人在智能变电站的典型应用模式 , 该机器 人 基于 室 外 全 自主移动平台和 磁轨迹导航 , 实现了最优路径规划和双向行走 , 可以 取代或辅助变电站运行人 员进行日常的设备巡检 、红外测温等工作 ; 巡检机 器 人 还能代替 人 工 配合顺 序控制系统实现被控设备位置的自动校核 。 通过巡 检机器人可 实
24、现 变 电 站 设 备 巡 检 的 无 纸 化 和 信 息化 ,切实提高设备巡检的工作效率和质量 , 降低变电 站运行人员的劳动强度和 工作风险 , 为 智 能 变电站 或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型的 设备检测和监控手段 。附录见本 刊 网 络 版 (h t t p :/a e p s . s g e p r i . s gc c . c o m. c n /a e p s /c h /i n d e x . a s px 。 参 考 文 献1陈启卷 , 毛慧和 , 肖志怀 , 等 . 便携式电力设备巡 检装置 J .电 力 系统自动化 , 2001, 25(2 :61-63.
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32、要研究方向 :电力系统变电运行维护与管理 。孙 勇 (1969, 男 , 通信作者 , 硕士 , 高级工程师 , 主要 研究方向 :电力系统自动化 、 电力特种机器人 。 E -m a i l :s u n y p o w e r o b o t . o r g(下转第 96页 c o n t i n u e d o n p a ge 96 88 2011, 35(195宋述波 , 袁鹏 , 吴宏波 . 贵 广 直 流 系 统 无 功 功 率 控 制 小 结 J .继 电器 , 2007, 35(11 :69-71. S O N G S h u b o , Y U A N P e n g ,
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38、p C o n t r o l i n Y u n n a n -G u a n g d o n g 800k V U H V D C S y s t e m L I U M a o t a o , Z HA N G Z h i c h a o , S O N G S h u b o , WA N G Y a n g(G u a n g z h o u B u r e a u o f C S G E HV P o w e r T r a n s m i s s i o n C o m p a n y , G u a n gz h o u 510405, C h i n a A b s t r
39、a c t :A s a n i m p o r t a n t f u n c t i o n o f t h e h i g h v o l t a g e d i r e c t c u r r e n t (HV D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m , t h e r e a c t i v e po w e r c o n t r o l f u n c t i o n i s u s e d i n Y u n n a n -G u a n g d o n g 800k V u l t r a -h i g h v o l t a g e
40、 d i r e c t c u r r e n t (UHV D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m j u s t l i k e i n t h e t r a d i t i o n a l HV D C s y s t e m. I n a d d i t i o n , t h e r e a c t i v e p o w e r b a c k u p c o n t r o l f u n c t i o n i s u s e d i n t h e UHV D C s y s t e m a s a s u p p l e m e
41、n t . T h e c o n t r o l s t r a t e g y a n d r e a l i z i n g m e t h o d o f r e a c t i v e p o w e r b a c k u p c o n t r o l f u n c t i o n a r e a n a l y z e d . I t i s p o i n t e d o u t t h a t w h e n t h e c o n t r o l -b u s c o m m u n i c a t i o n o f b o t h t h e p o l e c o
42、 n t r o l a n d t h e D C s t a t i o n c o n t r o l b e c o m e s f a u l t y , t h e r e a c t i v e p o w e r b a c k u p c o n t r o l f u n c t i o n i s f o u n d d e f e c t i v e . A n i m p r o v e m e n t p r o p o s a l i s m a d e a n d a p p l i e d o n t h e s p o t i n t h e Y u n n
43、 a n -G u a n g d o n g 800k V UHV D C t r a n s m i s s i o n s ys t e m. K e y w o r d s :u l t r a -h i g h v o l t a g e d i r e c t c u r r e n t (UHV D C t r a n s m i s s i o n s y s t e m ; r e a c t i v e p o w e r b a c k u p c o n t r o l ; c o n t r o l s t r a t e g y ; i m pr o v e m e
44、 n t p r o p 櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧 o s a l (上接第 88页 c o n t i n u e d f r o m p a ge 88 D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f E q u i p m e n t I n s pe c t i o n R o b o t f o r S m a r t S u b s t a t i o n s Z H O U L i h u i 1, Z HA N G Y o n g s h e n
45、 g 1, S U N Y o n g 2, 3, L I A N G T a o 2, 3, L U S h o u yi n 2, 3(1. J i n h u a P o w e r A d m i n i s t r a t i o n o f Z h e j i a n g, J i n h u a 321000, C h i n a ; 2. E l e c t r i c P o w e r R o b o t i c s L a b o r a t o r y o f S t a t e G r i d C o r p o r a t i o n , J i n a n 250002, C h i n a ; 3. S h a n d o n g E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e , J i n a n 250002, C h i n a A b s t r a c t :T h e a p p l i c a t i o n o f t h e e q u i p m e n t i n s p e c t i o n s ys t e m b a s e d o n t h e o u t d o o r m o b i l e r o b o t
