王建纲

（山西太钢集团岚县矿业公司，山西 吕梁 035200）

0 引 言

对于110 kV 变电站智能巡检中应用的机器人，具体研究中，首先需要充分了解其对地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、变压器、高压开关柜等电器设备巡检工作中的主要应用优势，然后再结合当前110 kV 变电站的智能巡检工作需求，对其硬件组成和软件功能进行分析。

1 110 kV 变电站电气设备巡检中的机器人应用优势

就目前来看，智能机器人在110 kV 变电站电气设备巡检中的主要应用优势包括以下几点：（1）通过各类先进检测技术与设备的应用，可让获取到的检测数据更加精准，以此来提升变电站巡检质量；（2）可替代传统人工进行各类的常规巡检工作，从而降低巡检工作人员的作业强度，实现人力资源及其成本的合理节约；（3）可在室内出现异常情况时完成一些应急动作，如控制开关柜以及灭火等，以此来保障110 kV 变电站电气设备的安全性；（4）可实现有毒气体、温度等环境条件的全面、准确监测，并具备交互对讲和指挥功能，从而在110 kV 变电站应急救援等工作中发挥出更好的优势；（5）可灵活实现转弯、窄小空间避障等多项操作，并替代人工完成各项危险操作，从而进一步提升变电站巡检工作人员的安全性[1]。凭借着这些优势，智能巡检机器人在当今的110 kV 变电站电气设备巡检中得到了越来越广泛的应用。而此类机器人的硬件组成及其软件功能应用也成了当今电力工程领域中的重点研究内容。

2 110 kV 变电站电气设备智能巡检中机器人的硬件分析

本次所研究的是一种应用在110 kV 变电站电气设备智能巡检中的机器人，其主体组成部分包括云台、激光传感器、红外热像仪、高清摄像头、超声传感器、核心控制机箱、底盘模块以及安全停障模块等。以下是对其主要组成硬件进行的分析。

2.1 运动方式、模块和障碍物感应装置

此变电站户外区域的机器人采用是地轨机器人，地轨巡检机器人沿轨道行走，以激光雷达确保行走安全，搭载的高清可见光摄像机、红外热成像仪、环境及气体传感器对待巡检对象进行表计读数抄录、位置状态识别、温湿度检测以及机器人所处位置的局部环境监测。

此变电站户内区域的机器人为挂轨形式，其主要材料是欧标直角4080 铝型材，吊架部分使用膨胀螺栓固定在楼板上，吊架系统包括吊架顶板、吊架连接件、吊架底板。主控制室部分轨道离地约2.3 m，每隔2 m 左右安装一个吊架；10 kV 配电室部分轨道离地2.6 m，每隔2.5 m 设置一个吊架，保证轨道及机器人运行的稳定性。

具体巡检时，该机器人行走模块可实时监测自身的低压、高压、断路、短路、过流、过温以及通信等情况，如果发现异常，则会控制机器人自动停工，并及时将错误状态上报[2]。同时，该轨道式模块的适应性也很稳定，在激光雷达导航的支持下，可在复杂地形、特殊环境下稳定行走，检测画面准确。

安全停障模块是其障碍物感应装置，该模块包括远距离和近距离2 级停障装置，可在机器人巡检中免受障碍物撞击危害。其超声停障警戒范围为50 ～100 cm，当检测到这一范围内存在障碍物时，机器人便会减速，当机器人和障碍物的距离不足50 cm时，机器人行走运动将立即停止。

2.2 可见光与红外热影像仪集成的一体化云台

在该机器人中，云台的主要作用是对巡检时的红外热像仪与高清摄像头拍摄角度加以控制，将全向型云台用作云台设备，可为其360°水平旋转拍摄与90°垂直拍摄提供支持。每一次上电后，云台都会通过全向旋转的方式进行一次自检。该机器人云台中的高清摄像头像素为200 万，光学变焦可达30 倍，以此来及时发现110 kV 变电站中存在的异常，尽最大限度避免产生严重的故障和事故。

2.3 无线通信设备和AP 无线网络箱

将Rocket M2 设备用作该机器人中的无线通信设备，通过专利天线技术和模块之间的完美组合，可在不需要外接天线的条件下实现30 km 的远距离通信，同时也将栅格天线的全部功能都集成在其中，以此来充分满足机器人巡检中的通信需求[3]。

将实际巡检区域作为依据，在变电站中进行无线网络架设，其网络覆盖主要通过无线接入点（Access Point，AP）来实现。为确保机器人巡检中高清视频的流畅播放，可将一个无线AP 设置在110 kV 变电站，另一个无线AP 设置在客户端，通过2 个无线AP 的连接来进行高清巡检视频的实时获取和播放，以此来实现110 kV 变电站智能巡检中实际情况的实时掌握。

巡检机器人通过滑触线电力载波方式与后台服务器实时通信控制。充分利用配电房的电力资源，基于现有滑触电力线通过载波方式高速传输模拟或数字信号，无需另外架设网络线路，实现了机器人与远程控制室的通信及数据远程传输等功能，通信方式经济且高效。巡检机器人的主要通信方式如图1 所示。

图1 巡检机器人主要通信方式

2.4 自主充电装置和充电房

机器人的自主充电主要通过自主充电装置来完成，该装置主要由信号触头和正负极触头组成，充电成功后，装置上的充电指示灯会呈绿色，充电电流会显示在电流表上。同时，该装置也支持自动充电和手动充电2 种模式的相互切换。在手动充电模式中，只需要让机器人的正负极充电触头正确接触到充电座上的正负充电触头，便可直接为机器人充电。

充电房的主要作用是存放机器人并为其充电，本次设计的机器人充电房尺寸是180 cm×180 cm×220 cm，其中设置了自主充电座、专用配电箱、自动卷帘门、手动充电器以及电灯等装置。通过角钢和优质槽钢焊接出机械强度足够高的基本骨架，通过镀锌板材料制作其外壳，从而使整个充电房具备良好的坚固性和抗腐蚀能力。

2.5 监控平台和微气象站数据交互

在该机器人进行110 kV 变电站电气设备巡检时，监控平台和微气象站之间的数据交互主要通过网络来实现，从而使监控平台能够对变电站的室外环境监测数据做到实时获取。本次设计中，监控平台和微气象站之间的通信协议为传输控制协议/网络协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。具体巡检中，需根据实际的环境情况来合理设置机器人辅助硬件，使其与检测环境相适应[4]。借助于监控平台，用户可对110 kV 变电站室外的风速、温度、湿度以及降水等信息进行实时查询，以此来满足实际的变电站巡检需求。

2.6 其他附属设备设置

除了以上几种主要的硬件设备外，在该机器人的硬件中，还包括以下几项其他附属设备：（1）设置了2 个开关按钮，一个是电源开关，主要负责为机器人中的各个设备上电，另一个是急停开关，主要负责机器人底盘停止运动操作的强制执行；（2）将UF-R1021T 型耳神蓝牙音响作为机器人音响，将厚实的橡胶包裹在其两边，以此来实现智能检测中的语音播报；（3）将HD-18D 碟型拾音器设置在机器人上，负责硬盘录像机、有源音箱以及录音机等的直接驱动；（4）将遥控安卓手机作为遥控器，以此来进行机器人巡检操控。

3 110 kV 变电站电气设备智能巡检中机器人的软件功能分析

在110 kV 变电站电气设备智能巡检机器人的实际应用中，其主要的软件功能包括实时监控、巡检计划、远程遥控以及数据管理等。以下是对其主要软件功能进行的分析。

3.1 实时监控

在机器人巡检时，用户可通过打开客户端软件，进入模块界面来实时查看其巡检路线、当前位置和即将巡检的设备等，这些信息都将以红外视频或高清视频的形式显示在界面上。在该模块的实现中，主要的支持功能包括电子地图、可见光视频、红外视频、微气象信息、近期巡检任务以及运行信息等。110 kV变电站智能巡检中的机器人实时监控模块主要功能情况如表1 所示。

表1 110 kV 变电站智能巡检中的机器人实时监控模块主要功能情况

3.2 巡检计划

在该巡检机器人的巡检计划软件模块中，主要的功能包括以下2 个：（1）任务安排，通过一个日历信息控件显示日历中每一天关于巡检任务的信息，包括当天110 kV 变电站巡检任务的制定、执行及其完成等信息，具体应用中，可根据实际需求对机器人的重复巡检计划加以科学制定，包括每个月的巡检频次、巡检日期以及每次巡检时间等；（2）任务编辑，该软件主要负责110 kV 变电站机器人巡检任务的编辑与下发处理，具体应用中，可按照实际需求对该功能界面任务树里的一些设备进行勾选，将其储存成一个巡检任务，并将这个任务下发给机器人，以此来进行机器人的巡检控制。为便于用户巡检设备的勾选，该软件还设置了变电站设备分类与查询功能，借助于这一功能，可按照110 kV 变电站中不同的设备区域、不同的设备类型以及不同巡检类型进行设备查询，或通过关键字搜索进行设备查询[5]。

3.3 远程遥控

操作者可在该软件上按实际的巡检任务需求将机器人遥控到指定的巡检地点，对待检测设备实施特巡，并进行红外和可见光图像拍摄。该软件模块的主要支持控件包括以下几种：（1）雷达控件，该控件和汽车倒车雷达具有基本相同的功能，可实现机器人巡检中激光信息的实时显示，遥控其与周边障碍物保持安全距离；（2）车体控件，该控件和汽车方向盘功能类似，点击其中的不同区域，便可对机器人巡检中的左转、右转、前进以及后退进行遥控；（3）云台控件，该控件与车体控制操作方法类似，通过键盘鼠标组合的方式，可对云台进行左转、右转、变倍、降低、抬高等运动进行遥控；（4）模式切换控件，主要负责机器人巡检中遥感遥控和按钮遥控2 种模式的切换。

3.4 数据管理

在该巡检机器人的软件系统中，数据管理也是一个至关重要的软件功能模块。通过该模块，可将110 kV 变电站机器人巡检中获取到的历史数据进行统计分析，再将最终获得的结果以设备地图、日历、柱状图、列表等形式显示在客户端软件界面上。在110 kV 变电站的智能巡检工作中，机器人数据管理软件主要可实现以下几项功能：（1）缺陷控件可显示出系统设备分析所获得的异常结果，对于这些异常情况，可采用人工确认的方式重新进行修改；（2）历史曲线控件可将某一设备巡检中的所有历史数据绘制为一条曲线，通过这条曲线，便可明确该设备在某一段时间里的实际运行状态；（3）历史数据界面上会显示出同一设备不同历史时段里的巡检图片，并对其差异性做出科学对比，以此来实现相应设备异常及其发展趋势的科学掌握。

4 结 论

要想使其硬件和软件优势得以充分发挥，相关单位、研究者、技术人员就需要对其硬件组成及其软件功能等进行全面研究。明确硬件系统中各个组成部分的主要功能及其应用方法，借助于各种软件功能来进行机器人巡检作业的控制。通过这样的方式，才可以进一步提升巡检机器人的应用效果，提升其巡检效率、质量和安全性，以此来充分满足当今110 kV 变电站电气设备的实际巡检工作需求，为智能巡检机器人的应用和110 kV 变电站的发展奠定良好基础。