隨著社會發(fā)展水平的不斷進步，變電站自動化水平也在不斷提高，無人值守的場景也越來越普遍，與此同時變電站作為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，其安全性對人們的生產(chǎn)和生活都有著十分重要的影響，其安全巡檢工作一直是重中之重。傳統(tǒng)的巡檢方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代變電站的發(fā)展需求，隨著國家推廣力度的增加，智能巡檢機器人的應(yīng)用也越來越廣泛，機器人巡檢也是未來變電站主要用到的巡檢方式。

眾所周知，電力系統(tǒng)安全對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著無可替代的作用，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生事故，都可能帶來連鎖反應(yīng)，會造成大面積的停電、人身傷亡、主設(shè)備損壞甚至造成全網(wǎng)崩潰的災(zāi)難性事故。變電站作為連接主干網(wǎng)和配電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，如何保證它的正常運行直接關(guān)系整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。為了保證對變電站內(nèi)主變、母線、開關(guān)等主要一次設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，需要對變電站進行檢查和維護。

01智能巡檢機器人簡介

變電站智能巡檢機器人，可以代替人完成簡單的、復(fù)雜的或者重復(fù)性的工作，就目前而言，智能巡檢機器人主要組成部分有導(dǎo)航單元、主控單元和通訊單元等。該類型機器人的主要優(yōu)點為運行時間長、智能化、無軌化、可調(diào)配和不受溫度影響等特點。

巡檢機器人的主體構(gòu)成主要有紅外熱像儀、安全停障模塊、云臺、激發(fā)傳感器、可見光攝像儀等主要核心設(shè)備和一些其他輔助設(shè)備構(gòu)成。和其他智能機器人一樣，巡檢機器人也有四輪驅(qū)動底盤，四輪驅(qū)動底盤主要方便機器人進行轉(zhuǎn)彎和直行操作，如果機器人碰到比較復(fù)雜的路況，可以進行無死角檢測，適應(yīng)能力較強。而可見光攝像儀可以有效獲取巡檢范圍的紅外熱像情況，以便工作人員及時發(fā)現(xiàn)異常情況，從而實現(xiàn)對故障問題的快速處理。云臺主要是控制巡檢過程中的拍攝角度，以便可以準(zhǔn)確拍出圖像和視頻。超聲波傳感器主要是方便機器人對周圍障礙物進行識別，避免機器人在巡檢過程中受到傷害。巡檢機器人可以通過將獲得的數(shù)據(jù)與微氣象站的數(shù)據(jù)進行計算，從而獲得外界溫度、風(fēng)速等天氣信息，根據(jù)不同天氣情況合理規(guī)劃巡檢計劃，提高巡檢效率。

02當(dāng)前主流導(dǎo)航方式介紹

電廠智能巡檢機器人根據(jù)使用區(qū)域、行進方式的不同，導(dǎo)航方式主要分為以下幾種：電磁導(dǎo)航、射頻識別導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、GPS/慣性導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航和SLAM導(dǎo)航。

電磁/射頻識別組合導(dǎo)航：電磁導(dǎo)航一般配合RFID（射頻識別）一起使用，在地面上鋪設(shè)磁軌道，其包含多條引導(dǎo)電纜，每條電纜流經(jīng)不同頻率的電流，機器人通過感應(yīng)線圈對電流的檢測來感應(yīng)路徑信息，作為移動路線，在需要停止進行巡檢的位置預(yù)埋RFID，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。機器人在巡檢過程中，其上的磁傳感器陣列檢測機器人中心相對于磁軌道的偏差，然后利用運動控制裝置調(diào)整機器人左右輪的差速，從而使機器人沿磁軌道行駛。機器人需要停止巡檢的位置一般由兩個RFID標(biāo)簽進行控制，第一個標(biāo)簽為減速點，包含停站點的距離信息，當(dāng)巡檢機器人檢測到減速點標(biāo)簽后，即根據(jù)停站點距離信息選擇合適的多級減速方案，確保機器人在到達(dá)精確停站點時處于低速可即停狀態(tài)，此時當(dāng)機器人檢測到停站點標(biāo)簽時，立即精確停站。電磁導(dǎo)航的優(yōu)點是巡檢機器人能夠精準(zhǔn)運動，能夠做到精準(zhǔn)定位，并且抗干擾能力強，缺點是需要預(yù)鋪磁軌道，機器人不能預(yù)測道路變化趨勢及不能高速運行，嚴(yán)重限制了機器人的巡檢效率。

激光導(dǎo)航：激光導(dǎo)航利用視覺傳感器拍攝路面圖像，通過圖像識別技術(shù)，提取具有特征的點，作為路標(biāo)，并計算各路標(biāo)在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，為激光導(dǎo)航提供依據(jù)。巡檢機器人運行時，激光定位傳感器通過檢測路標(biāo)信息（檢測到的路標(biāo)信息不能少于3點），利用三角測量法計算得到機器人的位置信息，從而調(diào)整運行路線。具體實現(xiàn)原理為：機器人的激光傳感器每掃描一周就會得到被檢測路標(biāo)相對激光傳感器的夾角，當(dāng)檢測到3個路標(biāo)后，經(jīng)過迭代計算就可以得到激光傳感器在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，結(jié)合設(shè)定的導(dǎo)航路線數(shù)據(jù)，計算得到機器人相對于設(shè)定路徑的位置偏差和航向偏差，通過調(diào)整左右輪驅(qū)動器的速度進行路線調(diào)整，引導(dǎo)機器人沿設(shè)定路線運行。

視覺導(dǎo)航：機器人通過裝配的攝像頭拍攝路面及環(huán)境的局部圖像，通過圖像處理技術(shù)，進行圖像特征識別、距離估計等，作為視覺導(dǎo)航的依據(jù)。機器人運行時對拍攝到的畫面進行采集、預(yù)處理、壓縮，與之前存儲的圖像進行對比，通過一系列算法，計算得到機器人的當(dāng)前位置。為了將障礙物和背景分開，一般需要進行大量的圖像分析，導(dǎo)致導(dǎo)航實時性受限，針對該問題一般把掃描到的圖像分為目標(biāo)、背景、不平地區(qū)和平地四部分，來減少無用信息的分析，提高導(dǎo)航速度。由于僅通過單幅圖像分析出來的信息來判斷障礙物和運行速度存在很大誤差，因此在實際中往往采用多攝像頭進行導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航的優(yōu)點是導(dǎo)航定位精度高，信號探測的范圍廣，缺點為首先現(xiàn)有的視覺導(dǎo)航技術(shù)圖像處理速度和移動速度不能很好的匹配，造成運行中常出現(xiàn)一定的延遲，其次對不同的道路環(huán)境和復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境不能較好的適應(yīng)，實時性和魯棒性有所欠缺。

GPS/慣性導(dǎo)航：GPS導(dǎo)航原理是通過計算物體與GPS衛(wèi)星的距離，通過三邊測量法來計算定位物體的位置及速度信息，定位所需的GPS衛(wèi)星不能少于3顆，該方法要求整個系統(tǒng)中存在一個高精度的時間基準(zhǔn)以保證距離測量的準(zhǔn)確度。GPS導(dǎo)航技術(shù)一般分為三種：高精度差分GPS導(dǎo)航技術(shù)、DGPS/DR組合導(dǎo)航技術(shù)以及GPS/慣性導(dǎo)航技術(shù)。高精度差分GPS導(dǎo)航技術(shù)原理是首先建立差分GPS基準(zhǔn)臺，基準(zhǔn)臺建立后其精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)便確定了，然后通過計算被測點根據(jù)該基準(zhǔn)點的修正坐標(biāo)后發(fā)送給被測點，對被測點進行修正，以提高GPS定位精度。差分GPS定位分為三類：位置差分、偽距差分和相位差分。DGPS/DR組合導(dǎo)航技術(shù)是一種傳統(tǒng)的跟蹤導(dǎo)航算法技術(shù)，當(dāng)物體突然失去GPS信號時，通過DR進行位置計算。具體原理是根據(jù)運動物體的當(dāng)前位置坐標(biāo)，通過慣性導(dǎo)航元件測量物體移動速度和航向角，進而推算物體在下一時刻的位置坐標(biāo)。此種技術(shù)會隨著時間的增加導(dǎo)致精度大幅下降，DR導(dǎo)航不能單獨、長時間使用，常常作為一種短時輔助的定位手段。GPS/慣性導(dǎo)航技術(shù)以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過加速度計和陀螺儀測量物體在慣性參考系的加速度和轉(zhuǎn)動角速度，通過時間積分，把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，從而得到物體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置。由于慣性導(dǎo)航技術(shù)不與外界發(fā)生光、電交換，不向外界輻射電磁信號，因此有很好的隱蔽性和抗干擾能力，但是由于導(dǎo)航信息是由于積分產(chǎn)生，定位誤差會隨著時間的增加而增大，導(dǎo)致其不能長時間獨立工作，并需要初始化，其價格也相對比較昂貴。GPS導(dǎo)航技術(shù)的前提是需要有穩(wěn)定的GPS信號，但在電廠強電磁環(huán)境下、室內(nèi)或鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)GPS信號會大幅減弱，嚴(yán)重影響巡檢機器人的定位導(dǎo)航。此種導(dǎo)航技術(shù)只能適合室外巡檢機器人應(yīng)用。

超聲波導(dǎo)航：超聲波是一種頻率在20Hz以上的聲波，傳播路徑為直線傳播，遇到固體會產(chǎn)生反射，運用這種特點，通過接收超聲波傳感器自身發(fā)射的超聲波信號，利用時間差，計算前方物體距離。超聲波傳感器角度分辨率較差，但具探測速度快、靈敏度、距離分辨率高。在實際應(yīng)用中，超聲波傳感器存在一定的局限性，往往配合其他的導(dǎo)航方式一起應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)避障。

SLAM導(dǎo)航：SLAM導(dǎo)航指的是機器人在自身位置不確定的條件下, 在完全未知環(huán)境中通過定位、建圖、SLAM算法進行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航，前面提到的激光導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航都是SLAM導(dǎo)航。

03智能巡檢機器人目前面臨的問題

1、對二次設(shè)備及直流系統(tǒng)巡檢功能的缺失

目前大多數(shù)已投入運行的智能巡檢機器人基本能夠完成對站內(nèi)一次設(shè)備的全面巡檢，但由于站內(nèi)直流系統(tǒng)及二次設(shè)備多位于變電站獨立的小室或是主控樓內(nèi)，且室內(nèi)設(shè)備的門口均設(shè)置有防鼠擋板。這客觀上給巡檢機器人設(shè)置了“路障”，使之無法有效地對此類設(shè)備開展巡視檢查工作。然而，站內(nèi)直流系統(tǒng)及二次設(shè)備對變電站的安全穩(wěn)定運行同樣至關(guān)重要。因此，使巡檢機器人能夠有效發(fā)揮自主判斷，對二次設(shè)備與直流系統(tǒng)完成巡檢是必要的。

2、表記數(shù)據(jù)讀取

巡檢機器人配備有可變焦的高清攝像頭，這樣做的主要目的是為了在對表記數(shù)據(jù)的讀取過程中更加方便，因為在一些地區(qū)，由于表記的位置較高，工作人員在操作的過程中沒辦法看清表記中的數(shù)據(jù)，而巡檢機器人可以采用高清攝像頭自動對表記進行對焦，然后對數(shù)據(jù)進行讀取，在讀取數(shù)據(jù)后還可以將數(shù)據(jù)進行存儲，這樣也可以省時省力。但在實際應(yīng)用過程中，由于高壓表記長時間在室外，導(dǎo)致表記表面存在大量灰塵等雜質(zhì)，這種情況巡檢機器人根本無法獲得準(zhǔn)確信息。另一方面，巡檢機器人的攝像頭表面也會有污穢灰塵等雜質(zhì)，也會導(dǎo)致攝像頭出現(xiàn)對焦失敗的情況。

3、 惡劣天氣抗干擾能力不強

近年來，在霧霾天氣日益頻發(fā)的北方地區(qū)，采用激光制導(dǎo)的智能巡檢機器人可能會受到霧霾天氣的影響。由于激光束在霧霾環(huán)境中會受到水分、塵埃等的影響，發(fā)生折射現(xiàn)象而發(fā)散，導(dǎo)致激光定位及導(dǎo)航失效。從而造成巡檢機器人巡檢質(zhì)量下降，甚至不能完成指定巡檢任務(wù)等情況的發(fā)生。因此，需改善巡檢機器人在大雪、大雨尤其是霧霾等惡劣天氣下的激光定位及導(dǎo)航能力。

4、 自主充電及巡檢路徑

巡檢機器人在巡檢過程中要借助遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離物體感應(yīng)裝置，避免巡檢機器人在巡檢過程中碰到障礙物而受到損壞。這項技術(shù)在實際運用過程中也會出現(xiàn)一些問題，如變電站內(nèi)的地面不僅會有硬化地面，也有草坪。巡檢機器人在對草坪進行巡檢的過程中，周圍可能會有個別雜草出現(xiàn)，巡檢機器人由于識別到了雜草將其視為障礙物，從而不能繼續(xù)下面的巡檢工作，如果工作人員不能及時發(fā)現(xiàn)巡檢機器人的情況，就會導(dǎo)致機器人無法工作直到電量用盡。等工作人員發(fā)現(xiàn)時，還要將及運回充電處，浪費時間和精力，也增加了工作人員的工作量。

綜上，變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)以其具有的檢測手段多樣化，檢測靈活、客觀、智能等特點，在變電站一次及二次設(shè)備的運維、巡檢作業(yè)中起著日益重要的作用。依據(jù)長時間的智能機器人巡檢經(jīng)驗，說明當(dāng)前智能巡檢機器人在變電站的應(yīng)用狀況，著重分析了當(dāng)前機器人在運用中存在問題，給出解決方案。以期在巡檢機器人的幫助下，進一步降低變電站運維成本，提高電網(wǎng)設(shè)備自動化管理水平。