变电站巡检方式对比及其智能巡检机器人的研究与设计

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变电站巡检方式对比及其智能巡检机器人的研究与设计

文／沈阳农业大学信息与电气工程学院　　孙国凯　　韩　　刚

变电站设备巡检机器人系统以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等异常现象，自动报警或进行预先设置好的故障处理。

为了完成对变电站内主变、母线、开关等主要一次设备运行状态的监控，需要对变电站进行定期的检查和维护。传统的变电站监控和巡视主要通过人工方式，对设备进行感官的简单定性判断。后来随着计算机技术的发展和进步，微机监控在广大的变电站中得以应用。即遥测、遥信、遥控、遥调、遥视的“五遥”微机监控。后来，更灵活实用的变电站机器人巡视系统也慢慢得以应用，变电站设备巡检机器人系统以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可及时发现电力设备的热缺陷、异物悬挂等异常现象，自动报警或进行预先设置好的故障处理。它运行灵活自由，真正起到了减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的进程。

来，所以听往往是发现故障的关键；当运行设备的绝缘发生破坏时，常常伴随有异味，所以嗅也是判断运行设备绝缘的关键。

设备存在缺陷或隐患，有的人能发现，有的人不能发现，这除了与巡视人员对设备的熟悉程度、业务水平、工作经验、态度、责任心和精神状态有很大关系外，还与巡视人员采用的巡视设备和记录手段有关。从前，对电力系统设备的缺陷检修或设备的常规检查等定性状态信息采用手工记录。手工记录常出现记录不完整和容易丢失的问题。特别是一些严重缺陷未能及时上报和处理，延误处理从而发生严重事故，造成不必要的损失。而且事故发生后缺乏故障分类、系统分析，责任不清，这样很难满足对供电质量日益提高的要求。

２．　“五遥”微机监控

随着无人值班变电站的广泛推广，传统的变电站具备的四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）功能在一定程度上忽略了事后对事故发展的准确判断，并降低了对事故处理的快速反应能力。一旦变电站发生异常，调度人员必须先通知分局变电运行班赶到现场了解真实情况、事故波及设备范围，再由变电运行班人员汇报调度员、分局领导，分局才组织维护班进行抢修。人不到变电站就无法准确了解或根本不掌握现场详细情况，这样一来一往，大大延误了排除故障的时间，影响了供电局的售电量和服务承诺。

因此，很多变电站增加了“第五遥”（遥视）功能，即在变电站内安装摄像机及各类探头，将无人值班变电站的防火、防盗以及设备运行、发热、事故直

变电站现场监控的发展

１．　变电站就地人工巡视

变电站运行工人在现场进行设备巡视，对运行设备进行感观的定性判断，主要通过看、触、听、嗅等感官去实现。通过看可以检查设备有无渗漏情况，检查设备参数是否正常，夜间闭灯检查设备的发光和电晕现象，检查设备的绝缘情况和有无放电痕迹，雨雪天检查导体上的积雪融化和雨水的蒸发情况，刮风时应检查各寻线间的摆动情况是否满足绝缘距离的要求；通过触摸运行设备的外壳（如电动机和变压器）检查其振动情况和温升变化情况，并与积累的经验对照，从而判断其运行状况；运行设备的故障前兆往往先通过放电的响声或振动的响声表现出

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观情况及波及范围，通过站内电话线或光纤等通道传到调度所，以便调度人员做出正确的决策。

３．　变电站设备巡检机器人

长期以来，我国电力行业沿用的变电站设备人工巡检作业方式，在高压、超高压以及恶劣气象条件下，不仅对人身危害大，而且对电网安全运行带来一定隐患。变电站设备巡检机器人可代替人工完成变电站高压变电设备的所有巡检作业。变电站设备巡检机器人系统以自主或遥控的方式，在无人值守或少人值守的变电站对室外高压设备进行巡检，可以根据操作人员在基站的任务操作或预先设定的任务，自动进行变电站内的全局路径规划，通过携带的各种传感器，完成变电站设备的图像巡视、设备仪表的自动识别、一次设备的红外检测等，并记录设备信息，提供异常报警。操作人员只需通过后台基站计算机收到的实时数据、图像等信息，即可完成变电站的设备巡视工作。利用智能移动机器人完成电站设备的巡检，可以提高工作效率和质量，真正起到减员增效的作用，能更快地推进变电站无人值守的进程。

座。另有数据显示，全国１１０　ｋＶ以下、３５　ｋＶ以上的终端变电站有１８　０００余座，其中近一半实现自动化。以上数据可以看出，实现变电站智能巡检机器人有一定的现实意义和价值。

变电站智能监控机器人的结构分析与应用

　本文讨论和设计了变电站智能巡检机器人的结构和主要功能。机器人的主体部分设计成小车的模样，因此简单也可称为变电站智能巡检小车。

１．　巡检机器人系统的构成

智能巡检小车是一个完整而复杂的无线监测的体系结构，本文主要构设了小车的几个重要功能模块，介绍了各个部分的功能和工作原理。基本组成和各功能模块实现了机器人在变电站现场自主巡检，其硬件结构如图１所示。

移动站系统

基站系统后台工控机无线通信设备

无线通信设备

ＤＧＰＳ定位系统

电动机驱动控制系统

云台控制系统

云台可见红外光采采集集系系统统图像处理工控机

运动控制系统

视频服务器

变电站智能巡检机器人的必要性和可行性

１．　在变电站监控应用中的技术可行性１）　视频监控可以使人们通过网络监控远端现场发生的事情，这种系统在工业生产和社会生活的各个领域得到了广泛的应用。而采用无线网络传输的视频监控的应用范围则更为广阔，因为这种系统可以使监控的范围突破地理条件的限制。

２）　在电力系统中，由于电能生产、输送、分配和使用的连续性，对系统中各设备单元的安全可靠运行都有很高的要求。特别是随着电力工业向着大机组、大容量、高电压的迅速发展，保障设备运行的可靠性更成为安全生产的突出课题。因此，电力设备的巡视，特别是一些先进技术、方式、方法在设备故障诊断中的应用也越来越受到普遍的重视，取得的经济效益也越来越明显。

２．　在变电站监控的市场普及可行性分析变电站自动化市场特点略有不同：据不完全统计，截至２００３年末，全国有５００　ｋＶ变电站近１００座，５００　ｋＶ变电站的运行与控制全部实现了计算机化。全国约有２２０　ｋＶ变电站１　８００多座，实现无人值守的已超过２６０座；约有１１０　ｋＶ变电站５　９００座，实现无人值守的已超过３　４００座；６６　ｋＶ／３５　ｋＶ变电站有５　７００多座，其中开展无人值守工作的约为３　３００

基站ＧＰＳ

定位系统

图１　　硬件结构示意图

（１）运动控制系统

运动控制系统实现机器人动力驱动，根据系统路径规划和遥控指令实现车体的运动控制，包括速度、位置及加速度控制。

１）　实现底层动力驱动，由两套直流伺服系统分别实现两后轮的驱动，步进系统实现前两轮的转向。

２）　根据车体结构建立车体运动模型，分析机器人运行过程中，两后轮驱动速度分配与前轮转向角关系。

３）　根据运动模型将局部路径规划指令与遥控指令分解，实现机器人指令速度（速度大小、转向角度）与各轮转动相匹配，并将指令下发，实现车体运动控制。

根据上层控制指令的不同，设计的运动控制系统的实现包括自主行驶和遥控行驶两种形式。其手动遥控行驶示意如图２所示。

（２）　红外采集系统

红外热像仪是目前利用红外辐射测温领域中的

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