0 引言

近年来随着传感器技术、通讯技术的不断发展，智能巡检机器人技术已经成熟，也出现基于模块设计思想的软硬件体系结构的变电站巡检智能移动机器人。基于该体系结构，有车体运动学的建模和避障算法的相关研究，也有基于可见光点和耦合器件（CCD）摄像机、远程红外热成像摄像机和高性能定向传感器（MIC）等传感器的变电站设备的图像巡检、设备仪表的自动识别、一次设备的红外检测以及移动物体侦测等功能模块的实现。还有巡检机器人云台控制系统，控制精度良好，云台定位准确，能满足巡检任务的要求。在巡检机器人的自主充电方面，有采用激光引导达到很高的定位精度。在信息化综合监控平台方面，已有融合输电线路管理、巡检图片的分类管理、机器人巡检工作管理、可见光图片的视觉识别、红外分析诊断、导线动态增容及与企业局域网一体联网的巡检机器人后台管理与诊断系统。

1 概述

1.1总体研究目标

本项目计划在现有室外巡检机器人（一矿北头嘴35kV降压站）基础上增加新功能，进行产品升级换代。具体而言，对供电运维管理中心所属110kV变电站配置1套室外智能巡检机器人系统，对变电站室外设备进行日常巡检，特殊巡检，能检测视频、温度、发现缺陷，提出报警，进行初步诊断等。

系统包括智能巡检机器人、无线通信系统、充电房、本地监控后台等组成部分。智能巡检机器人通过自身搭载的可见光摄像机、红外热成像仪和声音采集等检测设备，完成变电站的巡视工作。巡视内容包括全站一次设备的外观，一次设备的本体和接头的温度，断路器、隔离开关的分合状态，变压器等充油设备的油位计指示，避雷器泄漏电流指示，变压器、电抗器噪声等。巡视方式包含例行巡视、单项巡视、全面巡视和特殊巡视等。巡视过程中，机器人可借助无线通信系统将巡检数据实时上传至本地监控后台。巡视结束后，机器人自动返回充电房完成充电。

1.2主要研究内容

本项目主要研究内容是为高电压、大面积、多巡检点的变电站开发一套室外智能巡检机器人系统。巡检机器人自主巡检、避障和充电，在巡检过程中，对设备进行智能巡检，应用红外热成像和高清视频双视结合技术，精确识别变电站内各类仪表设备并完成读数，利用拾音器等装置对巡检设备和巡检环境进行声音采集。通过无线通信系统将巡检获得的视频、图像、声音和温度等数据一同传回集成信息化综合监控后台系统，再对各个电力设备的历史巡检数据进行综合分析，并对异常数据进行识别和报警。在巡检中能根据巡检策略自主优化巡检路径，并能对电池管理模式进行智能切换以优化续航能力。

1.3预期成果

1）巡检机器人可进行日常巡检，特殊巡检和快速巡检等多种巡检方式，对主要监测设备进行识别并读取仪表数据；

2） 巡检机器人能依据巡检任务自主规划最优的巡检路径，合理安排巡检点位进行巡检；

3）巡检机器人能根据巡检任务对电源管理进行优化，智能选择合适的电源管理模式；

4）巡检机器人可以在完成巡检任务和低电量情况下进行自主充电；

5）巡检机器人会对高温和声音异常等情况进行识别并自动报警；

6）监控后台能够通过视频监控，实时查看巡检机器人的巡检内容，并进行拍摄；

7）监控后台提供自动生成报表的功能，并具有查询和打印报表的功能。

2.项目需求分析

2.1产业发展现状及市场需求分析

随着变电站向无人值班化及智能化方向快速发展，对变电站巡检机器人的需求十分迫切。变电站巡检机器人的发展趋势可归纳为以下2个方向：

1）数据分析智能化。继续提高现有基于模板的模式识别算法的适用性，提高模式识别成功率和效率，同时开展基于设备形状和纹理特征的模式识别技术研究，实现机器人按设备类型学习。

2）移动平台智能化。针对变电站设备区复杂地面，一方面提高移动平台的驱动和越障能力，提高执行效率，另一方面开展组合导航技术的研究，实现机器人巡检路径的自由规划。

目前，智能电网建设和增强供电可靠性已上升为国家战略，电力设备状态检测、监测作为近几年发展起来的新兴行业，呈现出巨大的成长潜力和发展空间。采用机器人技术进行变电站巡检工作，能够最大限度的发挥人工巡检的灵活性和智能性，并同时克服和弥补人工巡检存在的一些缺陷和不足，更贴近于智能变电站和无人值守变电站的发展的实际需求，具有巨大的优越性，具有广阔的发展空间和应用前景。

2.2国内外研究现状及发展趋势

通过对国内外研究资料的收集，以及对重点用户使用的走访，发现目前自动巡检系统的研究已有一定的基础，但针对煤矿变电站而言，目前还未在国内外调研到有成熟案例。根据国家电网公司制定的发展规划要求，2016-2020年期间要实现新建变电站智能化率100%，新建智能变电站约8000座，原有枢纽及中心变电站智能化改造率100%。此建设规划将极大地推动智能巡检机器人的市场需求，成为巡检机器人行业持续增长的长期推动力，加快推进变电站向无人值班化及智能化方向快速发展。未来变电站巡检机器人的研究目标是提高巡检机器人的智能性、运动灵活性以及高精度和配置简便的导航方式等，其发展趋势表现在数据分析智能化、移动平台灵活化、开展组合导航技术的研究等。

2.3项目的必要性和重要性分析

煤矿变电站在日常运行过程中，站内的电力设备和线路安全隐患主要通过温度、仪表读数和声音异响灯得到反映，目前主要采用人工巡视的方式，也即巡视人员手持红外热像仪、目测或者耳听对设备和线路进行安全隐患的判断。一方面，该方法受距离和巡检人员的经验等因素影响，存在检测不及时，误判或者漏判等不足，也难以对大量巡检数据进行挖掘分析，无法与设备的历史数据进行比对分析，不能及时发现安全隐患。另一方面，变电站内的巡检设备多为高压、高辐射设备，人工巡检具有很大的危险性，同时变电站朝着无人或者少人值守的趋势发展，当有故障发生时应急指挥调度难度较大。这就促使变电站需要加快技术革新，智能移动机器人巡检系统应运而生。

目前，一矿北头嘴35kV降压站已实现室外巡检机器人进行巡检，然而该站的巡检环境较为常规，巡检路径也简单，能否推广到具有更大巡检面积和复杂巡检路径环境下更高变电等级的变电站中，任然缺乏充足的试验依据。本项目旨在对在北头嘴降压站室外巡检机器人项目的基础上设计并开发一款巡检机器人，应用于矿区电网110kV变电站，并且增加新功能，进行产品的升级换代，从而更好地监测变电站各类设备的运行情况，排除安全隐患。

3.项目实施的现有基础、技术条件

首先，本团队已经对矿区电网110kV变电站进行了实地考察，初步了解变电站室外的整体结构布局，有助于巡检机器人的设计开发与功能模块的集成实现。

其次，随着传感器技术、通讯技术的不断发展，智能巡检机器人的相关技术也已经成熟，针对变电站的巡检机器人的主要技术也有了很好的研究基础。具体分为以下几方面：

（1）巡检机器人3D无轨化导航技术。

（2）巡检机器人结构设计。

（3）巡检机器人自主充电技术。

（4）巡检机器人信息化综合监控系统。

4.项目实施的风险性分析

在该项目的实施过程中主要存在着管理风险与环境风险。管理风险是因为项目的实施有一定的周期，设计环节多，在这期间如果某个环节出现问题，就会大大影响项目的进度。所以在项目的实施过程中，要完善各项管理制度，保障各个环节按时保质完成倡导组织创新、思想创新，以适应不断变化的外部环境。环境风险是由于现场环境复杂，可能会对设备造成一定的影响，例如，场地处于高变压等级变电站内，需要考虑到对电磁无线的干扰，场地内道路的平整度以及台阶高度也会对机器人的运动带来障碍，所以在项目设计时就要充分考虑到运行环境，并需要去实地进行探查甚至进行局部改造从而保证巡检过程的顺利实施。

5.项目的预期成果及经济、社会效益分析

5.1项目的预期成果

实现巡检机器人总体研究目标，可以实时监控变电所各类情况，掌握设备运行情况，发现设备缺陷，抄录设备运行参数，及时上报安全隐患。

5.2经济、社会效益分析

1)经济效益

智能机器人，可在煤矿井上变电所推广使用，可有效提高工作效率、降低工作成本、加强作业安全性，并具有可观的经济效益。

①降低巡视设备采购及人工成本

煤矿井上变电所机器人巡检可在一定程度上代替人工完成设备的巡检工作，以及主变、室内等区域减少值班人员前往巡检的次数，从而减轻了值班人员的工作强度，减少运维人员投入，降低人员成本。采用智能机器人巡视工作，采集的数据均可实时传送至后台，同时在设备异常情况下巡检机器人可产生报警信号，在理想状态下，可以节约原有运维人员工作时间。

②节约设备全寿命周期投入及维护成本成本

设备的全寿命周期成本主要包括改造一次性投入、改造后运行寿命周期内停电损失和运

行维护费用之和。

③提高操作、检修快速反应能力，有效控制设备受损率

2)社会效益

智能机器人是集成机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、无线传输技术、数据安全技术，先进的现代科技的应用所产生的社会效益极为突出。

①实现数字化变电所，提升整体管理水平。

②规范操作流程，加强安全管理。

③提高地区经济发展水平，带动相关产业与技术发展。

④提升企业社会形象。

[参考文献]

[1] 王东辉 张玉亮 宋彦军.变电站智能巡检机器人的应用研究 电工技术 理论研究实践，2015.

[2] 周立辉 张永生 孙勇.变电站智能巡检机器人研制及应用.电力系统自动化，2011.

[3] 胡启明 胡润滋 周平.变电站巡检机器人应用技术.华中电力，2011.

[4] 鲁思燕 郭葛峰.智能变电站巡检机器人研制及应用.华东科技（综合），2017.

[5] 孙淑艳.智能巡检机器人在500kV变电站中的应用研究，2019.