换流站智能机器人控制器设计

换流站智能机器人控制器设计

 ,韩建波

  中国南方电网超高压输电公司天生桥局  

摘 要：虽然“十四五”期间我国智能电网建设将迎来快速发展阶段，但是与之而来的是换流站数量的增加与人员的不足，传统的换流站人工运维巡检已经不符合发展要求，使用智能巡检机器人代替人工检测实现无人化在线监测已是大势所趋。通过巡检机器人搭载传感器可对换流站内的各种设备进行高频，全方位的检查，发现故障并报警，减少了安全隐患的同时提高了巡检效率。　　

关键词：换流站；巡检机器人；嵌入式系统；红外成像；人机界面

1前言

机器人顾名思义是一种高度自动化的智能机器，可以通过编程使机器代替人来完成各种任务和依据人工智能技术创立的规范与编码指令使它执行[1]。伴随着人工智能技术的产生到现在逐步走向成熟，机器人的产品应用场景不断扩大，广泛应用于医疗，工业和军事等行业。人工巡检方式往往只是对换流站内的一二次设备进行肉眼的感官判断，根据看到，听到，摸到的信息作出判断是否存在设备问题，分析方法如下：变压器出现油温反常、闻到电力设备异味、数据显示错误、声音异常等[2]。

2当前研究现状　　

换流站巡检机器人作为一种专为电力行业而研究开发的电力专用移动机器人主要应用于高压换流站[3,4]。国外其他国家和日本首先使用了此类相关技术和应用，不过国内对于巡检机器人的研究应用已经出现明显赶超的趋势。然而不管在国内还是国外，机器人如何实现在换流站中运动定位和判断检测目标一直是换流站机器人应用中的一个主要问题[5]。

2.1国外研究现状　　

机器人检测在电力相关领域的研究最早出现在1980年和90年代初的日本。而且早期，大多数应用机器人都只是通过远程操作来检查输电线路的，还远没有达到脱离人来巡检的目的。一开始为了方便机器人的路径规划和驱动控制，日本研发了一款搭建固定轨道的变电所巡检机器人，再在本体上搭载红外热像仪和相关传感器设备来获取换流站内电力设备的信息[6]。　　

2.2国内研究现状　　

巡检机器人行业厂商因为技术等壁垒的问题国内竞争较少，处于领先队伍的公司如浙江国自依托多家合作中心与国家支持，开始研制出使用激光雷达高精度定位技术的巡检机器人，并且已经投入使用在全国各个省份，实现应用换流站的等级从66kV到1000kV全覆盖。　　

3换流站巡检机器人关键技术　　

不同于一般的工业机器人，换流站巡检机器人工作在强电磁干扰的换流站环境中，并且很难实现自主运动、避障和导航的控制。为了提高检测机器人的智能化水平，需要解决以下几个技术问题：机器人本体设计，精确定位与运动控制，换流站巡检机器人的设备检测技术。这些机器人技术是当前换流站机器人应用发展的重要阻碍。

3.1机器人本体　　

巡检机器人首先是一种精密仪器，而且换流站本身就是一个特殊的环境，在工作期间会面临大量静电和磁场，同时暴露在户外，粉尘和天气的影响不可避免。当巡检机器人长期运行于换流站这种室外环境里时，会对其内部元件的正常寿命影响较大，尤其是可见光镜头、红外镜头、通信装置和电池等方面。

3.2点位识别　　　　

随着GPS导航技术和视觉技术的发展，这些技术也开始应用于巡检机器人定位导航中，但都会受到户外环境的影响，必须搭配起来一起使用来综合分析。现阶段越来越多的新兴技术走向多元化，把激光定位应用在巡检机器人精确定位中就是其中一种，其效果显著。同时，无轨机器人巡视时的导航也靠智能识别技术，识别精度的选择也是目前的一个难点，过高过低都会影响机器人的正常运行。

3.3可见光识别　　

巡检机器人要实现在巡检过程中获得相关仪器仪表的读数，而实际运行中会发现，机器人的仪表读数的正确性很难保证，会大面积误报警。一方面与现场设备状态有关，例如仪表玻璃脏污、互感器油位较难观测等；另一方面是机器人识别技术的不完善，不能对获取的图片进行准确获取信息。这就导致机器人的可见光巡检形同虚设，并没有减轻运维人员的工作量。

4 变电站巡检机器人主控系统软件设计　　

近些年来伴随着嵌入式技术需求大爆发，越来越多的嵌入式开发板上很多运行的操作系统是Linux。Linux 操作系统移植到目标板大概可以总结分为四个流程，第一步需要完成的是引导程序Bootloader的加载，第二步完成的是kernel的配置和移植，第三步完成的是制作根文件系统，最后一步是交叉开发环境的搭建。MPU上的嵌入式操作系统软件承担完成所有软件硬件资源的控制，并且通过裁剪某些应用模块来满足系统所要求的功能[26]。

4.1交叉开发环境的搭建　　

嵌入式系统的开发是在PC上完成的，不在嵌入式系统上开发是因为它的资源限制问题，还有其指令集架构和体系架构有所区别。按嵌入式系统的解释，它可以裁剪软硬件来实现不同的需求，因此，不同的硬件有很大区别，这导致开发其编译器变得不太实际，另外嵌入式系统没有PC所配备的键盘和显示屏来用来开发。所以需要在PC上完成开发编程，然后编译程序，最后生成下载可执行文件运行即可。

4.2搭建Linux+QT环境　　

现在任何一个系统都需要一个友好的人机界面来进行人机交互，所以本课题需要在开发平台上安装Qt。Qt是一个库，它具有良好的跨平台性可适用在Windows、Linux等平台，这对开发人员非常友善。用c++编程开发，虽然对比jave还是没有那么高效，但是对于之前是使用VC++开发的人再来使用qt，曾经开发的的类库都能再次利用起来。它不仅是个图形用户界面，还是个应用程序开发框架。而对于本课题的巡检机器人来说，需要在巡检机器人上安装一个触摸屏来进行人机交互，综上本课题选择Qt来完成人机界面的设计。　　

5小结

目前，我国已经迈进了一个全新的时期，那就是“十四五”时期，在此期间，机器人产业将会继续快速发展，与此同时智能电网的建设也会进入加速车道。把智能机器人技术运用到电网的建设中将会成为实现电网智能化建设的关键。　　最近这些年智能电网产业快速兴起，电力高速公路的特高压、高压直流输电工程每年都在新建。高压直流输电工程具备输电距离远、输送容量大、线路损耗小等优点，而换流站作为高压直流工程整体中十分重要的一环，为了确保换流站的稳定运行，定期对换流站内各种设备进行巡视是必不可少的。

参考文献

[1]智能巡检机器人在变电系统运行中的应用分析[J].苏慧平.大众标准化. 2020(24).

[2]泛在物联网在智能变电站中的应用与展望[J].付玉川,刘永胜.工程技术研究. 2020(22).

[3]变电站巡检机器人及配套控制系统的设计研究[J].党晓婧,刘顺桂.电子设计工程. 2020(22).

[4]基于建筑信息模型技术的变电站机器人智能巡检系统研究与应用[J].徐宝军,李新海,罗海鑫,范德和,曾令诚,袁拓来,邱天怡,肖星.供用电. 2020(11).

[5]变电站智能巡检机器人在运维工作中的应用[J].赵俊伟,秦佳鸣,谢杨.电力与能源. 2020(05).

[6]变电站巡检机器人应用技术及实施要点[J].张倩,白正轩.中国高新科技. 2020(19).

[7]基于三维可视化的变电站运检技术研究及应用[J].刘永亮,牟磊,陈先凯,魏宁,吴军强,邹昊,房萌.科技经济导刊. 2020(26).

[8]基于HoloLens的变电站巡检系统[J].吴迪,潘建乔,余方召,潘白浪,龚雁峰.计算机与现代化. 2020(07).

[9]直流换流站运维监控系统智能机器人设计方法[J].朱添益,戴逢哲,康文,毛志平,周展帆.电气技术. 2020(02).

[10]基于三维全景快速建模的变电站可视化分析与应用研究[J].姚勇,柯亮,汤胜,胡伟文,李杜.电子元器件与信息技术. 2019(10).