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隨著社會發(fā)展水平的不斷進(jìn)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(shí)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(jī)器人的應(yīng)用也越來越廣泛，機(jī)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(jì)的發(fā)展起著無可替代的作用，任何一個(gè)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(diǎn)，如何保證它的正常運(yùn)行直接關(guān)系整個(gè)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(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要對變電站進(jìn)行檢查和維護(hù)。
01智能巡檢機(jī)器人簡介
變電站智能巡檢機(jī)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(jī)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(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)行時(shí)間長、智能化、無軌化、可調(diào)配和不受溫度影響等特點(diǎn)。
巡檢機(jī)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(jī)器人一樣，巡檢機(jī)器人也有四輪驅(qū)動底盤，四輪驅(qū)動底盤主要方便機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和直行操作，如果機(jī)器人碰到比較復(fù)雜的路況，可以進(jìn)行無死角檢測，適應(yīng)能力較強(qiáng)。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(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，從而實(shí)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(jī)器人對周圍障礙物進(jìn)行識別，避免機(jī)器人在巡檢過程中受到傷害。巡檢機(jī)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(jìn)行計(jì)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(jì)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(jī)器人根據(jù)使用區(qū)域、行進(jìn)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(jī)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(jìn)行巡檢的位置預(yù)埋RFID，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。機(jī)器人在巡檢過程中，其上的磁傳感器陣列檢測機(jī)器人中心相對于磁軌道的偏差，然后利用運(yùn)動控制裝置調(diào)整機(jī)器人左右輪的差速，從而使機(jī)器人沿磁軌道行駛。機(jī)器人需要停止巡檢的位置一般由兩個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行控制，第一個(gè)標(biāo)簽為減速點(diǎn)，包含停站點(diǎn)的距離信息，當(dāng)巡檢機(jī)器人檢測到減速點(diǎn)標(biāo)簽后，即根據(jù)停站點(diǎn)距離信息選擇合適的多級減速方案，確保機(jī)器人在到達(dá)精確停站點(diǎn)時(shí)處于低速可即停狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)機(jī)器人檢測到停站點(diǎn)標(biāo)簽時(shí)，立即精確停站。電磁導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是巡檢機(jī)器人能夠精準(zhǔn)運(yùn)動，能夠做到精準(zhǔn)定位，并且抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是需要預(yù)鋪磁軌道，機(jī)器人不能預(yù)測道路變化趨勢及不能高速運(yùn)行，嚴(yán)重限制了機(jī)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(diǎn)，作為路標(biāo)，并計(jì)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(jī)器人運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)），利用三角測量法計(jì)算得到機(jī)器人的位置信息，從而調(diào)整運(yùn)行路線。具體實(shí)現(xiàn)原理為：機(jī)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(gè)路標(biāo)后，經(jīng)過迭代計(jì)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(jì)算得到機(jī)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(jìn)行路線調(diào)整，引導(dǎo)機(jī)器人沿設(shè)定路線運(yùn)行。
視覺導(dǎo)航：機(jī)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(jìn)行圖像特征識別、距離估計(jì)等，作為視覺導(dǎo)航的依據(jù)。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)對拍攝到的畫面進(jìn)行采集、預(yù)處理、壓縮，與之前存儲的圖像進(jìn)行對比，通過一系列算法，計(jì)算得到機(jī)器人的當(dāng)前位置。為了將障礙物和背景分開，一般需要進(jìn)行大量的圖像分析，導(dǎo)致導(dǎo)航實(shí)時(shí)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(yùn)行速度存在很大誤差，因此在實(shí)際中往往采用多攝像頭進(jìn)行導(dǎo)航。視覺導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)航定位精度高，信號探測的范圍廣，缺點(diǎn)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(yùn)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(shí)時(shí)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(jì)算物體與GPS衛(wèi)星的距離，通過三邊測量法來計(jì)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(gè)系統(tǒng)中存在一個(gè)高精度的時(shí)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(jì)算被測點(diǎn)根據(jù)該基準(zhǔn)點(diǎn)的修正坐標(biāo)后發(fā)送給被測點(diǎn)，對被測點(diǎn)進(jìn)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(shí)，通過DR進(jìn)行位置計(jì)算。具體原理是根據(jù)運(yùn)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(jìn)而推算物體在下一時(shí)刻的位置坐標(biāo)。此種技術(shù)會隨著時(shí)間的增加導(dǎo)致精度大幅下降，DR導(dǎo)航不能單獨(dú)、長時(shí)間使用，常常作為一種短時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)間的增加而增大，導(dǎo)致其不能長時(shí)間獨(dú)立工作，并需要初始化，其價(jià)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(yùn)用這種特點(diǎn)，通過接收超聲波傳感器自身發(fā)射的超聲波信號，利用時(shí)間差，計(jì)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(shí)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(jī)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(jìn)行路徑規(guī)劃，實(shí)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(jī)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(yùn)行的智能巡檢機(jī)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(dú)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(jī)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(yùn)行同樣至關(guān)重要。因此，使巡檢機(jī)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(jī)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?yàn)樵谝恍┑貐^(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(jī)器人可以采用高清攝像頭自動對表記進(jìn)行對焦，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，在讀取數(shù)據(jù)后還可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，這樣也可以省時(shí)省力。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于高壓表記長時(shí)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(jī)器人根本無法獲得準(zhǔn)確信息。另一方面，巡檢機(jī)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(qiáng)
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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人在巡檢過程中碰到障礙物而受到損壞。這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際運(yùn)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(jī)器人在對草坪進(jìn)行巡檢的過程中，周圍可能會有個(gè)別雜草出現(xiàn)，巡檢機(jī)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(shí)發(fā)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的情況，就會導(dǎo)致機(jī)器人無法工作直到電量用盡。等工作人員發(fā)現(xiàn)時(shí)，還要將及運(yùn)回充電處，浪費(fèi)時(shí)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(jī)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(diǎn)，在變電站一次及二次設(shè)備的運(yùn)維、巡檢作業(yè)中起著日益重要的作用。依據(jù)長時(shí)間的智能機(jī)器人巡檢經(jīng)驗(yàn)，說明當(dāng)前智能巡檢機(jī)器人在變電站的應(yīng)用狀況，著重分析了當(dāng)前機(jī)器人在運(yùn)用中存在問題，給出解決方案。以期在巡檢機(jī)器人的幫助下，進(jìn)一步降低變電站運(yùn)維成本，提高電網(wǎng)設(shè)備自動化管理水平。
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