变电站自动巡检机器人系统及其关键技术

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修不足、盲目维修” 的问题。为提高变电站巡检
的工作效率，保证变电站的安全可靠，推进变电
站无人化的进程，使用变电站自动巡检机器人部
分替代人工巡检已经成为一种趋势。
2. 自主式移动机器人巡检
变电站自动巡检机器人是集机器人技术、远
程控制技术、多传感器信息融合技术、导航定位
从变电站历年故障统计中，可以发 现，变电设备故障导致的事故在变电站 总事故中 占 有 极 大 比 例［1，2］。 只 有 及 时 发现变电设备的缺陷并迅速排除相应故
变电站自动巡检机器人的结构系统
变电站自动巡检机器人系统是一个完 整并且复杂的结构体系，主要分为巡检机 器人移动体部分、监控中心部分 （也称基 站，主要用于对机器人进行有效的监视、 控制和管理） 和网络通道部分，如图 1 所 示［6-9］。利用网 络 通 道 连 接 巡 检 机 器 人 移 动体部分和基站部分，实现机器人检测信 息的传递和基站控制指令的下发，再将变 电站自动巡检机器人系统获得的数据信息 上传给系统调度中心。
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2014 年 7 月上·电力电气·
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到了较大的限制。
电池的电量、电压、充放电电流、内阻以及蓄电
目前变电站自动巡检机器人主要是依靠蓄电 池组的温度等方面，监测系统同时还应具有对蓄
池为其供电，通常情况下，一组蓄电池的电量仅 电池组过充、过放、欠电压等的多重保护，记录、
巡检机器人无线充电装置主要由交流电电源 部分、能量变换模块和能量发射部分三部分构成。 交流电电源部分是整个充电装置的能量来源，用 电缆导线的形式从变电站合适位置引出。能量变 换模块的作用是将工频交流电整流转变为直流电， 再使得直 流 电 经 高 频 变 换 后 逆 变 为 高 频 交 流 电。 能量发射装置主要是由能量发射线圈和补偿电容 等构成，发射线圈接收经变换过的高频电能，并 以高频电磁场的形式发射出去。
障才能保证变电站的安全稳定运行，变
关键词 /Keywords 变电站·
智能电网· 自动巡检机器人·
结构系统· 无线充电·
电设备的异常状况预示着变电设备的安 全隐患和潜在危险，变电设备的巡视检 修能发现缺陷并排除隐患，依据设备的 实际情况制定维护、检修策略，合理降 低运 维 成 本， 保 障 变 电 设 备 的 正 常 运 行，提高电力系统的安全可靠水平。
个蓄电池构成蓄电池组，为机器人的运动、动作、 设备安全稳定运行的重要技术手段，根据设备运
其他检测模块等提供能量来源。
行状态，对设备健康状况和故障发展趋势做出评
巡检机器人电源系统的状态监测主要包含蓄 估，并同时制定合理可靠的维护、检修策略，保
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变电站自动巡检机器人系统及其关键技术
见光检测，并保存检测信息； 机器人将检测到关 于设备的可见光图像 / 视频和红外热图像等信息经 过网络通道传输到控制端计算机； 对相关信息进 行分析后，若发现被检测设备的实时温度超过该 设备预设允许的最高运行温度，巡检机器人会立 即发出警报； 在此停靠点进行多方位的检测，直 至该设备检测完毕。依照此检测流程，机器人继 续检测下一个设备，直至所有巡检任务完毕，机 器人回到充电室进行充电，其工作流程示意图如 图 4 所示。
责对变电设备的监控以及对机器人本体的控制。 控制巡检机器人自主充电，并将设备检测信息和
基站系统包括基站计算机、网络集线器、无 电源系统的状态信息传输给基站系统。
线网 桥、打 印 机 等 硬 件 设 备，它 基 于 PC、Win-
3. 网络通道
dows 操作系统并采用了 C#面向对象编程语言开发
巡检机器人本体采集到的大量的设备红外图
二是接收机器人移动体传递的各种检测信息及其 站之间的纽带，良好的网络通信能力是保证基站 运行状态信息，并对其进行数据处理和分析，从 计算机和机器人移动体正常工作的前提，网络通
而可以迅速有效地获得变电设备监控信息和机器 人移动体的运行状态。基站系统主要由以下几个 模块组成： 巡检任务管理模块、配置模块、机器 人本体控制模块、视频检测模块、图像检测模块、 报警输出模 块、 数 据 存 储 模 块、 数 据 查 询 模 块、 机器人运行状态显示模块和电子地图模块等［4］。
一种是由基站系统预先设置的巡检任务自动下发；
巡检机器人开始巡检工作，利用路径规划功能安
全地行驶至需检测设备附近的停靠点，并停止移
动； 再根据接收到的检测指令移动云台对需检测
设备进行精确定位，根据距离和方位对红外热像
仪和可见光摄像机调焦进行设备的红外检测和可
图 3 基于无线充电的巡检机器人电源系统结构
视觉、触觉、听觉和嗅觉等各个Biblioteka Baidu面智能地巡检
图 4 变电站自动巡检机器人的工作流程
障设备的安全运行。 1. 传统人工巡检 变电站设备状态检修在传统模式下采用的是
定期检修的运营模式，变电站运行规程要求电力 运行人员 必 须 定 期 对 变 电 站 设 备 进 行 巡 检 工 作， 及时采集变电站设备的运行状态信息。目前所采 用的变电站巡检方式主要是通过人工巡检，依靠 人工运用感官、抄表、记录以及使用一些相配套 的检测仪器对变电设备进行检查。人工巡检条件 艰苦，尤其是偏远地区的变电站，耗费大量的人 力、物力和财力，此外，当变电站发生故障时调 度指挥难度也非常大； 另外，变电站内多为高电 压、大电流、含 SF6 气 体 等 危 险 性 较 高 的 设 备， 人工巡检存在比较大的安全隐患。这种人工巡检 方式，巡检时间长、需要巡检的设备种类和数量 多、危险性大、工作压力大，使人容易产生疲惫、
能供应变电站自动巡检机器人工作 3 h 左右，当 存储电源系统的运行状态数据等功能，从而实现 电池电量不足时需要进行再次充电。传统的直接 巡检机器人电源系统的自主管理［21］。电源监测系
接触的充电方式由于可能的接触不良等原因导致 统能够发现蓄电池组的缺陷，从而及时更换电池，
巡检机器人充电失败、存在安全隐患等缺陷，本 提高电源供电的安全性和可靠性，使变电站自动
技术、图像识别技术、红外检测技术、视频采集
技术等为一体的智能机器人，具备自主充电、设
备非接触检测、故障报警、远程监控等功能。
目前变电站自动巡检机器人所承载的设备检
测功能主 要 是 视 频 监 控 和 红 外 测 温 这 两 个 部 分，
而在对运行设备异常声音和气味信息的采集及其
分析判断方面的研究还有待进一步完善。只有从
2. 移动体系统 变电站自动巡检机器人移动体系统承载了变 电设备检测功能，主要包括机器人动作控制子系 统和机器人工作子系统两个部分，其总体结构如 图 2 所示。
道必须具备高带宽、良好的实时性和可靠性。对 于变电站这个特殊的通信环境，建设的无线网络 通道要具备较强抗干扰性和较高可靠性。
目前，联系基站和巡检机器人移动体的网络 通道 是 利 用 成 熟 的 无 线 局 域 网 （ WLAN ） 技 术［15，16］。在基站安装一个工作在 AP （ 访问接入 点） 模式下的无线网桥，巡检机器人本体上安装 一个工作在 client （ 客户端） 模式下的无线网桥， 两个网桥相连接实现基站和机器人移动体之间的 通信。当站区比较大时，要采用多网桥组网的方 式，网桥之间信号通道的切换速度要快，在选择
检机器人具有的巨大优势和发展潜力及其广阔的应用前景 等优点，逐渐被应用到变电站对变电设备
进行了分析预测。
进行巡检工作，及时发现设备缺陷，使变
罗俊豪 /武汉大学电气工程学院 颜雨薇 /首都师范大学
电运行工作人员能及时排除故障，防止事
故发生。 变电站是输电和配电的集结点，它
罗俊豪 /研究助理
作为电力系统的重要环节，承担着变换 电压、接受和分配电能、控制电力的流 向和调整电压的作用，对电网的安全和 经济运行起着不可或缺的重要作用。尤 其是当下社会用电量不断加大、大容量 发电机组投运和超高压、远距离输电大 电网的组建，使变电站安全稳定运行的 压力越来越大。
通信设备时要选择有无缝漫游功能的无线网桥。
图 2 机器人移动体系统结构
巡检机 器 人 动 作 控 制 子 系 统 的 硬 件 主 要 由 PC104 主板、运动控制卡和电机驱动器组成，主 要用于机器人的移动站导航定位、电动机驱动控 制、运动控制、云台动作控制等［10-12］。
巡检机器人工作子系统由红外热像仪、可见 光摄像机、图像 / 视频服务器、电源监测系统、无 线通信设备等装置组成，主要负责设备红外信息 采集、可见光图像采集、视频信息采集、状态信 息上传、能源管理和网络通信等功能。
目前，变电站巡检方式主要是通过
人工巡检，依靠人工运用感官、抄表、
记录以及使用一些相配套的检测仪器对 变电设备进行检查，但是这种人工巡检
图 1 自动巡检机器人系统的结构系统
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变电站自动巡检机器人系统及其关键技术
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1. 基站系统
机器人的动作控制子系统主要负责控制机器
变电站自动巡检机器人采用了分层控制系统， 人的移动和云台的调整等； 其工作子系统要完成
主要分为基站系统和机器人移动体系统两个部分。 机器人应用的最终目的，即对变电设备进行红外
基站系统一般位于变电站主控室的计算机上，负 检测、可见光检测和声音检测等，同时还要负责
变电站无人化的发展进程，利用变电站自动巡检机器人取 电站无人值守化的进程，变电站自动巡检
代人工对变电设备状态进行检测是一种便捷、可靠和经济 机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋 的技术手段。对变电站自动巡检机器人的结构系统、无线 势［3-5］。变电站自动巡检机器人以其灵活
充电系统以及工作流程作了简要介绍，最后将自主式移动 的控制运行方式、巡检信息记录及时准 机器人巡检与传统人工巡检作了对比。并对变电站自动巡 确、不受天气环境因素影响和无主观情绪
设计，提供了良好的人机交互界面。基站系统功 像信息、视频图像信息、移动体的运行状态信息
能主要体现在两个方面，一是接收运行操作人员 等各种数据都要通过网络通道传输到基站，基站
的各种操作指令，再将这些指令发送到机器人移 给机器人移动体系统发送控制指令也要经过网络
动体系统，对 移 动 体 的 动 作、运 动 等 进 行 控 制。 通道［13，14］。网络通道作为连接机器人移动体和基
文基于无接触电能传输技术介绍一种巡检机器人 无线充电方式［17，18］。
变电站自动巡检机器人电源系统主要由无线
巡检机器人能正常工作。
变电站自动巡检机器人的工作流程
充电装置、电能接收装置和电源状态监测装置三
变电站自动巡检机器人的运作指令下发有两
个部分构成，其结构图如图 3 所示。
种方式，一种是由运行操作人员在基站下发，另
基于无线充电的巡检机器人电源系统
巡检机器人电源系统提供高质量的电能是保 障机器人移动体上的其他设备正常稳定工作的前 提，变电站自动巡检机器人要在变电站内长期进 行自主 / 遥控运行的巡检工作，就必须要有一套自 动化水平高、稳定性强的电源系统。
移动机器人供电主要有两种方式，一种方式 是通过电线、电缆等将交流电源与机器人直接连 接进行充电，这种供电方式快捷简单，供电量和 供电时间都不受限制，但是这种充电方式限制了 机器人的活动范围； 另一种方式是利用电池给机 器人供电，在这种方式下机器人活动范围不受限 制，但其最大的缺点就是供电量和供电时间都受
自主式移动机器人巡检与传统人工巡检的 对比
在变电站内，变电设备数量、种类繁多，包 括变压器、断路器、隔离开关、负荷开关、高压 熔断器、避雷器、电压互感器、电流互感器、仪 表、继电保护装置、防雷保护装置、调度通信装 置、无功补偿设备、接地装置以及各种母线、刀 开关等［1］。变电站设备运行状态检修是保证这些
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变电站自动巡检机器人系统及其关键技术
对变电站电气设备进行定期巡视，迅速获得变电设备 方式由于各种外界因素的影响导致其质量
的状态信息并及时发现变电设备的缺陷和隐患，是保障变 难以得到保证。为了提高变电站巡检工作
电站的安全稳定运行的关键。当今智能电网的建设推进了 效率，保证变电站安全可靠运行，推进变
巡检机器人移动体上的电源系统由蓄电池系 统和电源状态监控系统两个部分构成。其中蓄电 池系统用于接收和存储电能，主要包含了能量接 收、能量变换和蓄电池等模块。能量接收部分主 要由能量接收线圈和补偿电容等构成，接收线圈 耦合感应 / 谐振［19，20］发射线圈发出的高频电磁场 形成高频交流电。能量变换模块利用高频整流技 术将接收线圈得到的高频电能变换为直流电再经 过稳压后提供给蓄电池。蓄电池部分一般是由几