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变电站智能机器人及其研究展望

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导读 变电站智能机器人及其研究展望
第33卷第1期 2017年2月 上海电 力 学 院 学报 VO1.33.No.1 Feb. 2017 Journal of Shanghai University of Electric Power DOI:10.3969/j.issn.1006—4729.2017.01.004 变电站智能机器人及其研究展望 李祥,崔吴杨,曾俊冬,江超,唐200090) 忠 (上海电力学院电子与信息工程学院,上海摘要:变电站巡检机器人是将移动机器人应用于变电站环境中,代替人工实现变电站设备状态的自动检测 与预警分析.介绍了机器人的3层网络分布式系统结构,阐述了变电站智能巡检机器人的应用实例,并探讨了 其发展趋势. 关键词:智能巡检;机器人;变电站;红外检测 中图分类号:TM63;TP242.6 文献标志码:A 文章编号:1006—4729(2017)01—0015—05 Research and Prospect of Intelligent Inspection Robot for Substation LI Xiang,CUI Haoyang,ZENG Jundong,JIANG Chao,TANG Zhong (School of Electronics and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China) Abstract:The substation inspection robot is all intelligent robot with infrared visible camera and ultraviolet to inspect and analyze the condition of equipment instead of people.The 3-layer network system and applications of the intelligent substation are elaborated.The future development trend of intelligent inspection robot for substation is discussed. Key words: intelligent inspection;robot;substation;infrared 变电站是输电网的枢纽,变电站设备巡检是 有效保证变电站安全运行、提高供电可靠性的一 项基础性工作….传统的巡检方式为人工巡检,每 天例行巡检2次以上.巡检工人在现场对设备巡 检时,主要通过看、触、听、嗅等感官来检查变电站 设备是否出现漏油、裂痕、异常声响等,从而判断 设备的运行状况.这就要求巡检工人有着丰富的 经验和较高的技术水平.而绝大多数故障的表象 均为温度异常,巡检工人通过手持式红外热像仪 态作出评估.这种巡检方式的效果经常受到天气 等恶劣环境的影响,并且缺乏实时的故障分析和 系统分析的能力 J. 机器人技术和计算机性能的不断提升给上述 问题带来了新的解决途径_3 J.国内外众多学者对 变电站智能机器人进行了研究.国外研究变电站 机器人的典型代表是巴西圣保罗大学和加拿大魁 北克水电站.前者通过在变电站内架起高空行走 轨道,研制出基于变电站热点监测的移动机器人; 后者为变电站机器人配置了遥控装置,实现了对 获取设备的温度场分布信息,对变电设备运行状 收稿日期:2016—03—16 通讯作者简介:李祥(1990一),男,在读硕士,河南郑州人.主要研究方向为电力设备状态监测,智能机器人 E—mail:313597789@qq.com. 变I1 ̄#lii的远 . x,l‘变Iix站 能机 人的 成及软什系统功能,对比分析r、 ,n,』变电站巡 愉机 人技术所 i r憾q . 研究 取得r炎做性进腱,f』I】IlI尔1u J科 、 :研究 的 题, 埘 发展前景进 院研发了一种轮』 巡榆机 人.能够 、fi- ̄fl路『n『 稳定 驶,对变『U站主没箭进f 巡愉;lfI J'4f"t. 、 沈…r1动化研究所研制的轨道』I=变IU站 fi ̄?JL器 人,能够住 定轨道l 运i J{ 刈‘变I乜'37 J Jf 巡 愉 . 1 巡检机器人系统架构 能巡榆机÷*{人采川 整而复杂的 接触式 愉测体系架构r作力‘j= .能够为变} 站的安全、稳 定运行发 作川I .为实现变IU站设备的个= …巡捡,巡愉机 人 系统架构力‘ 通常町以分 , 电站巡愉机 人的 il- 川I化 ‘ 解决刈‘ 饥 人的 } 锄0、一动 航披术 、变}U站没ff} iX  h- ‘I像 l圳技术 、J-f 机软f I等众多 题.夺 文_} 闸述J,变l 站 能巡愉机器人符彻什 ̄flK,)- 为毛j;动榆洲系统 、尤线传输 、客 『’I U h接收 3 个层次,系统结构构成 1所示 . r一一一一一一一一一一一一一一一 二.-三三二i三 : Il I 接 收 一一一一一一一一一一一一一 Il 盈 ! 一一I………………………一[巫壶堕 三三 交. ; 一………一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一 === 墨 尤线f‘输』 羞一 尢线通讯设胬 lI U “ ‰ 一船& ∞ B ∞ [\  I I移 检 测 移动站l 机 视频服务器 系 统 i 蛳 定 韫 系 i 0 采 集 系 iV 』鹾i ,T’ 波 聚 系 统 2 电机 驱动 拎制 系统 上 ..I_— 千 : ^ z 台 ▲ ^ 挖 制 统 _1J’ 统 统 光采 集系 统 红外 聚集 系统 紫外 采集 系统 图l I 10 1{ fi 巡} }J【 人3 L 分 构 J川1,移动榆测系统 …巡愉机 人小体、尤 线通 收发系统 成,JrIjt JJ_J能址 脱刈没 状念 息的采 fI】控制fl 息的收发;刚络f々输 …以人网币¨尢线传输改 成, 卜 功能足传 JlJJ能址对 n,J 式,圳冬1 2,d所爪.利川 变电站铺没特定的巡 愉轨道,巡榆fJ【器人携 f 光摄像机(CCD)和宝I: 外热像仪 …定轨道运 ,埘轨道途经的一次设备 进仃巡枪“.这种巡愉力‘J 能够准确地按照铺没轨 道行进并进i 备榆洲,II.j 有较高的发伞一1+1:7:I1订r 输控圳指令 l冬I像信息; r1端接收』 I尢线传 输波箭f1l I f 机软件系统 成, 机 人采集的没符状念 息进仃处 、blll,lj、发… I 性.fl¨tl r变电站『人】环境较为复杂,额外的轨道 没 ̄II@L道fli:h-、 给i-.if 人 带来 便, 没备的全 巡柃力‘ 也仃 荷九人的/f 足.随荷『I主导航技 术的发腱, 第一类轨道机器人的 : -1.1I. ,发展出 J 轮 驱动的轮式机 人,包括两轮驱动和pq轮马Ⅸ 功仃进 ‘』 的巡榆机 人,如图2b所,J:.柑对于轨 坝 』i 仃储信息. 依 /f …t't',s7 进力‘式,变IU站巡榆机 人I『分 为3炎,殳¨ 2所爪.笫・炎变IU站爷 能巡愉机 人也址最‘ fII脱的巡检机 人,采』t]flli没 l定轨道 通』l=巡愉饥 人,轮 l=fJl 人巡愉路线 JJI 1; , f特定I"} J I—j‘以选Jl J』{2 f』亡路f 巡愉力‘ 案…,fI 这 ̄t,.I-T L 人‘ lIJ’ f 门迎 力‘ 弋fIJ敏 协 0输力 』 , ItA I 曲 1tx磁 :境 , Ij j山f ’ J‘ I I 成为陔炎机 人 决的火键 题. 轮一r 机 人发 过 III,乃 决野外 …I' ̄t/~J[1ilf 环境 fI机 人I'I9.7i'5Jl:l',I】题,义发Jf …_r :j= 戍  ̄.…I J" ///愉机 人 ,他』 l 的越『 干¨防i'l }能 J, 2c 爪. ,r…l,w: 饥 人优良fl'J,Sl ̄zTJ l't:fi ̄I j 以 地j J 1J匕力 止 fj! 过JlJ I地肜f 峻fI,J 坚,hh-,Jfs.14k ̄, 进J 巡愉饥 人人池…l i<jjf 。 川. 2巡检机器人功能模块 一股fn i‘,巡}命fJl 人f危够刈 IU 逊f I 或遥 巡 ,能 功 圳没衔的热缺 、外脱 常、 物怂 、仪 数、 火/巾tm,Jf 、7illf 汁f ,j- Iit l z|JJ报 处 J ,J运,H人- 发…t [』、,为没f14状念伶修提 础数 .系统 flIJ: ‘ 披说步 j 、 J 夕f、 f象采!{ 、,:i‘光于f;.! 峰耿 做从,j 解决机 人 制坝块、 航惯J火、愉 删十I!J火 f 饥十l!块 父 的坎术 题. 2.1控制模块 J模块也 刈饥 人运i ’J= 、z f、 f 永 系统的 J .?_=liI能巡f fJl 人fl,J运f J /J。 弋 仃 助巡榆ffI r・, ̄3it-.ill,J巡愉IW种帧』 .迎过 l 巡愉路{ ,fJl 人I-J‘以 』见I I功巡榆、J,I功 I,I- I‘I 、 『J功i, jl,I il J;迎过儆』I= 换 为r功it-':川恢 ‘ ,1 作 人 !川‘以迎过f f f』l 川 ,a l术 机 人,刊丛 特定的}U/J没 ,逊{ 仪 巡 愉 ,从 敞障的怏迷排 . 2.2 导航模块 随卉巡愉柑【 人研究 j 川的小断 入, 航技术“接决定J 能化水、卜的『岛低.“ J n,J 航能 J, 求巡榆机 人能够通过f々感 扶.ilk :境 门 的状念, 』 Ij }上1:境 ……I I 7 的f,l_f 运动.I1 常规的 航力‘ 磁导航、光电 日-f 航、昧 范 航、J lrl矧像的视觉导航、多 WiFi 航卡f JGPS 航 ’. GPS IU站』1 境 },受到一定拌度的I 舷l 扰, i/1 能 、 变Et2.站巡伶机器人的 航 努,这就 。 ht 十} I的 法进行噪』 2.-除. GPS定化系统(ii 5j榆机器人运川¨寸仔住近洲 离定 ;;f 十 较低的州题,f世 Ji.7.qj能住变}U站巡愉机 人 肌 }t九法允分发 : . 此,智能巡伶机 人迎 71  ;采川1 GPS定 系统 他导航 ‘』 十¨ m 的 航技术. 磁 航足II  IL ̄jii/ ‘『I厶垃巡伶机器人返川山 多的 肌坎术.迎过 巡说道路上铺}殳引 嗷条, Ji: 巡愉机 人的 :I 发 多个}l 磁传感 术 收 地Ilf 的磁 l ”.愀 特定的巡榆f , 观十fIjf确的路i/、姚 j 冬l像的视觉系统 航 ‘ : , I 巡f fJ【}} 人Il,J J}J J一泛,jI{,】‘1卡 lj I_、 定 、扶J17.的』1 境 息li甫等优 ftl 发 ‘f ^ 从复 } 宁 -I1分离¨{探 0¨f,J ,f皮。 求 it;IJ系统拥 _i14-g!l ,Jj f’ 处 述 . III无线 ""-Fr恢入 (Access Point,AP)fI】尤 ff成的WiFi儿线 技术址耷l J、J 能机 人迎 ; 采川的1 航力’』I= .它足迎过移动 箭 j AP之川I的九线 交流水确定II标的f ‘I f,从 脱定f . 常』tl r 内定化导航 . 2.3检测模块 IU站巡愉}J【 人迎 擀哉多种榆测fIl块, 利川多几 心融 技术对变l1],)'iii 次设衍运{ 状 … .红外热系统址行种愉洲摸块If r必/f I tJ‘少的・种没 . J 外热成像系统足利Jf_『乡J 外 探 4器,1,i:l卜梭fflJtl'(,J 卜,{: ̄llQ.YiJ物体 li'lf4i'i{r.1,l‘ 的乡l:外线,从 似刊物f小 llf 热分 的“ fJlf热 f象”, ¨I冬I 3 ,J .i亥 If象能够-F,i 定程I建l 反II央 i亥物体 1ii;f的返{ 状念 . 图3 IXt 。 } 1: I、热像,J 0 l8 上海电力学院学报 通过搭载的红外热成像仪获取电力设备实时 热成像图像,能够有效地检测出设备的运行缺陷, 并配合上位机软件对缺陷部位的性质和程度作出 评估判断.因此,红外热成像仪成为电力设备在线 监测的有效手段 . 可见光摄像仪自动抓取特定设备的外观照 片,与该设备的红外图像匹配,精确找到故障存在 围无遗漏地执行巡检任务 ;多传感器技术相融 合,可同时采集声音、温度、电流强度等,多角度全 方位获取变电站的各种信息 ;高精度红外热像 仪可精确检测变压器绕组及油冷系统、高压断路 器、电容器等设备的发热情况,并针对热缺陷发出 不同等级的报警信息,提高设备巡检效率 引. 点.同时自动抓拍仪表图像并智能读取仪表数值, 实现全站的设备监控. 电力设备在漏电状态下会发出异常声音,机器 人通过搭载声音采集装置,获取电力设备在运行状 况下发出的声音.提取声音特征参数并进行人工智 能分析,即可判断电力设备的运行状态 J. 紫外成像仪能够通过获取设备的紫外图像, 判断设备表面是否出现电晕放电及设备的绝缘污 秽程度 .通过与红外热成像仪配合使用,可以 及时发现电力设备早期的各种不良症状_24 J. 2.4上位机软件模块 4变电站智能巡检机器人展望 随着智能电网的建设,电力设备向高功率、高 可靠性、高智能化方向发展,这对变电站的智能化 提出了更高的要求.因此,变电站智能巡检机器人 还应在以下4个方面得到进一步的完善. (1)数据分析智能化 机器人的红外图 像和可见光图像的数据量很大,需要与大数据技 术融合,进一步对大数据进行深度挖掘. (2)移动设备平台灵活化 针对变电站 复杂的环境(山地、积雪严重),一方面要提高变 电站机器人的驱动和越障能力,另一方面也要实 现机器人对简单设备故障的自动处理能力。 (3)巡检设备全面化 目前变电站智能巡检 机器人主要是针对一次设备开展自动巡检,对于 二次设备如高压开关柜还不能进行自动巡检.因 此,需要针对二次设备巡检进行深入研究,以增强 机器人巡检的全面性. 变电站智能巡检机器人上位机软件系统是一 个复杂的系统工程,该系统通过无线通信实现机 器人的图像、音频、指令与上位机之间的传输 . 其中,图像操作系统软件包括实时获取设备红外 图像和可见光图像、对静态图像进行处理及设备 运行状态评估报表的生产3大部分.上位机软件 设计的特点如下: (1)能实时显示当前设备的红外图像和可见光 图像,通过点击鼠标能够获取任一点的温度信息; (2)能及时切换到静态图像处理软件,可对 静态图像进行图像分割和图像增强等操作; (3)可实现图像和视频的实时存储,并生成 设备运行状态评估报表 J. (4)巡检机器人网络化每台变电站巡检机 器人通过互联网相互联系,实时共享巡检设备的 状态信息. 5 结 语 随着工业机器人应用和智能电网的快速推 进,越来越多的企业、变电站已经用工业机器人代 替人工开展高危险性、高精密度、高重复性等工 作.机器人代替人工开展变电站巡检,具有灵活性 强、安全性好、可靠性高等优点.变电站智能巡检 机器人自主在线监测技术是智能电网和智能变电 站巡检技术的发展方向,具有广阔的应用平台和 推广空间. 3变电站智能机器人应用实例 在国家“863”项目推动下,山东电力科学研 究院在2002年率先研发出第一代轨道式智能巡 检机器人.目前,山东、重庆、浙江、河南等省市的 部分变电站已经开始投人使用,通过机器人巡检 基本实现了变电站的无人值守_27]. 目前,变电站智能巡检机器人已经实现以下 基本功能:多种导航方法相融合,精确实现自动导 航,自主定位;可以远程访问、登陆、遥控操作进行 巡检;可见光摄像仪能够准确获取变电站设备的 状态和仪表指针信息,确保视频分析的精度,大范 参考文献: [1]杨旭东,黄玉柱,李继刚,等.变电站巡检机器人研究现状 综述【J].山东电力技术,2015,42(1):30-34. 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