变电站巡检机器人自动充电系统

1、变电站巡检机器人自动充电系统杨墨12，隋天日3，曹涛12，范强3（1山东省电力特种机器人工程实验室，山东济南 250101；2山东鲁能智能技术有限公司，山东济南 250101；3四川省电力公司检修公司，四川成都 610041）摘 要：为实现巡检机器人在无人干预情况下安全可靠、快速高效地自动充电，进而实现巡检机器人在变电站长期值守、完全自治，提出一种充电装置侧向对接的自动充电系统。该系统采用磁轨道引导，RFID标签定位，导航定位精度较高；通过检测充电机构位置和极片电压，判断充电条件是否满足，简单可靠；通过采用弹片压住极片夹，滑槽连接充电座与定位槽板，提高误差容忍度和对接可靠性。该系统已在全国30

2、多个变电站实际应用，运行效果良好，应用前景广阔。关键词：巡检机器人；自动充电；变电站中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 0前言随着科技进步和电力体制改革的不断发展，以“信息化、数字化、自动化、互动化”为特征的智能电网建设逐渐深入。为保证变电站设备的安全可靠运行，更好更快地推进变电站无人值守进程，变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。传统的变电站巡视主要是通过人工方式，综合运用感官以及一些配套的检测仪器对变电设备进行以简单定性判断为主的检查，该方式存在劳动强度大，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向1-2。变电站巡检

3、机器人集成最新的机电一体化和信息化技术，采用自主或遥控方式，部分替代人对变电站室外设备进行可见光、红外、声音等检测，对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热、漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。巡检机器人的移动属性决定其适合采用无缆化的电池供电。但电池容量有限，一般只能维持几个小时，所以一旦电池电量不足，必须及时充电。如果人工充电，机器人就无法实现完全自主运行。如何让机器人在无人干预情况下，安全可靠、快速高效地实现自动充电是实现巡检机器人长期值守、完全自治需要重点解决的问题之一3

4、。本文介绍自动充电的关键技术，重点介绍一种能够满足变电站巡检机器人长期自治要求的自动充电系统，包括磁导航与RFID定位，接触式侧向充电对接装置，充电箱结构及工作原理，自动充电系统控制流程等。1自动充电关键技术自动充电过程主要包括：移动机器人需要补充电力时，自动驶向指定充电点，车载充电连接器与固定充电装置实现电连接并实施充电。充电完成后，机器人自动停止充电，待命或投入正常运行。整个充电过程完全实现自动化，无需人工干预。自动充电的关键技术主要有：充电点定位导航，充电装置对接，误差容忍和自主纠错等4。1.1充电点导航定位机器人充电时必须在离充电座足够近的地方。机器人从当前位置移动并定位到充电座需要导

5、航定位技术。在可能面临障碍物的情况下，机器人系统还需要有停障或避障能力，以及路径规划能力。1.2充电装置对接 机器人和充电座必须实现自动电气连接与脱离。一般情况下，在机器人上设计一个公头连接器，在充电座上设计一个母头连接器，连接方式要便于电流通过。可通过调整机器人位置或控制充电臂的位置实现机器人的充电插头与充电座的自动对接及断开。必须检测机器人与充电座的电气连接是否成功，否则可能产生误接，造成充电失败。可以通过测量机器人侧的连接器电压等来判断充电装置对接是否成功。1.3 误差容忍和自主纠错能力由于导航定位均存在精度问题，所以充电装置对接需要有一定的误差容忍度。当出现较小偏差时，对接也应该成功。

6、在实际情况中，可能出现未发现充电座目标或是目标定位错误等情况，此时需要机器人自行判断并选择相应对策。一个真正健壮的自动充电系统必须具有容错及自主纠错功能。2变电站巡检机器人自动充电系统2.1 磁导航与RFID定位变电站巡检机器人导航定位原理如图1所示，机器人采用四轮结构，前面两个驱动轮，后面两个万向轮5-6。工控机通过电机驱动控制器和编码器控制电机，实现机器人行走和高精度定距停车。机器人导航定位的工作流程是：由安装于机器人底盘前部的磁传感器阵列检测机器人相对于磁轨迹的偏移，电机驱动控制器按照该偏移量调整机器人两侧驱动轮的差速，从而使机器人沿预先铺设的磁轨迹运行。在机器人巡检的转弯点、检测点、调

7、速点、充电点等特定位置预先埋设好RFID标签。RFID标签的串号与地理位置一一对应。机器人运动时，RFID读卡器读取标签串号并上报给工控机，由工控机判断机器人所处位置，并下发相应指令控制机器人执行停靠、转弯、调速、检测、充电等操作。该导航定位方式简单可靠，定位精度较高，可达厘米级。另外，在机器人外壳上还装有超声波检测装置，将障碍物信息反馈给运动控制器，实现停障。机器人变电站巡检工作如图2所示。图1 导航定位原理示意图Fig1 Schematic of navigation and orientation 1万向轮，2工控机，3电机驱动控制器， 4RFID读卡器，5驱动轮，6、电机及减速器，7编

8、码器，8磁传感器图2 巡检工作示意图Fig2 Schematic of substation inspection2.2接触式侧向充电对接装置接触式侧向充电对接装置如图3所示，由充电座（图中1-4）和充电机构（图中5-14）两部分组成7。机器人通过电机驱动板控制充电机构电机转动，电机通过齿轮齿条与传动丝杠配合，实现充电机构的伸出或收回。进而实现充电机构极片与充电座极片夹的电气连接。充电机构上设有三个限位开关，一个用于检测充电机构是否收回到位，另外两个用于检测充电机构的伸出位置。为安全起见，充电机构收回到位时，机器人才允许执行巡检任务。机器人在充电机构伸出过程中，实时检测极片电压是否正常，若检测

9、到正常，则停止伸出充电机构，准备充电。若充电机构伸出到极限位置后，仍然检测极片电压异常，则进行异常报警并重试。若重试三次均出现此类情况，则报告充电失败。充电座三个极片夹从上至下分别为充电端、公共地和供电端。充电端用来给机器人的动力电池进行电力补充。供电端为机器人电池充电时机器人设备的外供电源，避免电池充电时设备掉电引起数据丢失等弊端。经实验，极片夹水平面上有±15°，±10cm的误差容忍度。用弹片压紧极片夹压紧后，垂直方向也有±2cm的误差容忍度。目前已有的对接系统一般允许的水平对接误差为±5°，±5cm。图3 接触式侧向充

10、电对接装置结构图Fig3 Structure of recharging machine which contact on the side1 充电座极片夹，2弹片，3基座，4绝缘隔板，5充电机构极片，6传动丝杠， 7电机，8电路板固定板，9电机驱动板，10收回限位开关，11限位挡块， 12传动导轨，13伸出限位开关（固定），14伸出限位开关（移动）2.3充电箱结构及工作原理充电座固定在充电箱上，充电箱结构如图4所示8。交流220V经接插件2和空气开关1后，输入到充电器进行电压转换，然后经空气开关2、分流器、接插件1和充电座电源接口，最后由充电座输出直流29.4V给机器人设备供电，电池充电。电

11、压表和电流表实时检测、显示供电和充电的电压及电流。充电座通过滑槽与定位槽板连接，便于调整高度，提高加工装配误差和充电对接误差的容忍度。充电座绝缘隔板可防止极片夹短路。充电座外壳可防止人员误接触电极。图4 充电箱结构图Fig4 Structure of recharging box1 空气开关1，2电压表，3电流表，4导轨，5空气开关2，6绝缘隔板，7定位槽板，8分流器，9接插件1，10滑槽，11绝缘基板，12充电器，13电源接口，14充电座，15接插件2 2.4自动充电系统控制流程变电站巡检机器人自动充电控制流程如图5所示。机器人分为空闲、巡检、准备充电、充电四种状态。机器人上电初始化后进入空

12、闲状态。收到巡检任务命令后，机器人检查电池电量是否充足，如果充足即进入巡检状态，开始执行巡检任务，否则拒绝执行并报警。在巡检任务中实时检测电池电量，如果电量不足，直接返回充电。巡检任务正常完成后，机器人返回充电。到达充电点后，机器人进入准备充电状态。伸出充电机构后，机器人通过充电机构位置和极片电压，判断充电条件是否满足。如果条件满足，机器人切到外部供电，启动电池充电，机器人进入充电状态。进入充电状态后，机器人如果没有收到巡检任务命令，就实时检查充电状态是否正常，不正常就报警。如果收到巡检任务命令，机器人就检查电池电量是否充足，如果充足，就开始巡检准备工作，否则拒绝执行并报警。巡检准备工作包括：

13、机器人切到电池供电，停止电池充电，收回充电机构。如果充电机构收回到位，机器人即可进入巡检状态。从而实现巡检、充电、巡检的闭环长期自主运行。图5 自动充电控制流程图Fig5 Control flow chart of auto-recharging3结束语本文提出一种应用于变电站巡检机器人的充电装置侧向对接的自动充电系统。该系统导航定位精度较高，充电装置对接方式简单可靠，对加工装配误差和充电对接误差的容忍度较高，完全实现了变电站巡检机器人在无人干预情况下的自动充电。截止到2012年9月，变电站巡检机器人已在全国十多个省市成功推广应用，在山东青岛午山220kV、浙江金华兰溪500kV、山西长治10

14、00kV等变电站顺利投运30多台。本文介绍的自动充电系统也随之应用于工程现场。巡检机器人自动充电现场如图6所示。机器人完全实现长期无人化自动运行，运行效果良好，为电网安全稳定运行发挥了重要作用。随着科学技术的不断发展，巡检机器人充电系统的自动化水平也必然不断提升。图6 自动充电现场Fig6 Field of auto-recharging参考文献1 毛琛琳，张功望，刘毅智能机器人巡检系统在变电站中的应用J电网与清洁能源，25(9)，20092 郝登朴，卫宁，贠鹏，等500 kV变电站智能巡检系统关键技术的应用J，电力学报，24(6)，20093 刘志雄，李浙昆室内移动机器人自动充电技术J机械与

15、电子2007(3)4 鲁守银，钱庆林，张斌，等变电站设备巡检机器人的研制J电力系统自动化，30（13），20065 周立辉，张永生，孙勇，等智能变电站巡检机器人研制及应用J电力系统自动化，2011(19)6 栾贻青，孙大庆，曹涛，等变电站智能巡检机器人多传感器融合的组合定位系统：中国，202058039P2011-11-307 曹涛，孙大庆，王明瑞，等充电机构限位止停机构：中国，201392876P2010-1-278 杨墨，王兴光，曹涛，等变电站巡检机器人充电装置：中国，202285342P，2012-6-27The Auto-recharging System based onSubsta

16、tion Inspection RobotYang Mo12, Sui Tian-ri3, Cao Tao12, Fan Qiang3 （1. Shandong Electric Power Special Robot Engineering Laboratory, Jinan 250101, China)(2. Shandong Luneng Intelligence Technology Co., Ltd., Jinan 250101, China)(3. Sichuan Electric Power Corporation Maintenance Company, Chengdu 610

17、041, China)Abstract: For making inspection robot auto-recharge safely and reliably, quickly and efficiently, Moreover, substation inspection robot can inspect for a long time and unmanned work completely, put forward a kind of auto-recharging system, whose recharging machine contact on the side. The

18、 system is guided by magnet orbit, and fix position by RFID label, whose navigation accuracy is high; Through checking the position of recharging machine and the voltage of pole piece, judge recharging condition is all right or not. This method is simple and dependable; Spring piece press pole clamp and pole clamp box connect base board through slot are help to enhance error tolerance and contact credibility. The system is already applied in the more than thirty substations in China. The system has good effect and prospect.Keywords: Inspect