变电站GIS轮式巡检机器人解决方案

110KV变电站GIS

智能轮式巡检机器人解决方案

2021年05月

目录

1项目背景............................................................1

1.1背景概述........................................................1

1.2项目技术标准...................................................1

2方案设计............................................................2

2.1系统架构组成....................................................2

2.1.1巡检站点和路线布置..........................................3

2.1.2现场安装....................................................4

2.2系统配置清单....................................................5

3系统构成............................................................6

3.1功能特点........................................................6

3.1.1红外测温....................................................6

3.1.2智能仪表识别................................................7

3.1.3巡检功能....................................................7

3.1.4实时监控和环境监测功能......................................8

3.1.5双向语音对讲................................................9

3.1.6音频智能采集................................................9

3.1.7数据统计和艰表输出..........................................9

3.1.8预警功能....................................................9

3.1.9自动充电功能...............................................10

3.1.10监控后台功能..............................................10

3.1.11系统自检功能..............................................10

3.1.12安全运行及自动避障........................................11

3.2技术指标.....................................................11

3.3产品优势......................................................12

4效益分析...........................................................16

4.1经济效益分析..................................................16

4.2社会效益分析..................................................16

1项目背景

1.1背景概述

为提高巡检精度，降低劳动强度，确保恶劣天气下巡检正常开展，计划在矿

业有限公司110KV变电站GIS使用智能轮式巡检机器人系统，通过智能轮式机

器人进行变电站设备的巡检，使用精准测温的红外摄像头进行变电站设备的温度

检测；同时使用机器人自带传感器，进行变电站高压设备的局放检测。

图17变电站GIS现场图片

1.2项目技术标准

GB/T191包装储运图示标志

GB/T2423.1电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验A：低温

GB/T2423.2电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验B：高温

GB/T2423.4电工电子产品环境试验第2部分：试验方法：试验Db：交

变湿热（12h+12h循环）

GB/T2423.3-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Ca：恒定湿热试验

方法

GB4208外壳防护等级（IP代码）

GB/T13384机电产品包装通用技术条件

GB/T17626.2电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验

GB/T17626.3电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验

GB/T17626.8电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验

DL/T664-2008带电设备红外诊断应用规范

QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池

2方案设计

2.1系统架构组成

轮式巡检机器人系统由后台软件系统、供电系统、通信系统、机器人系统及

其他附属设备组成。具体架构图如下：

智视器人®检系统磷集控后台

图27巡检机器人系统架构图

本地+远程后台管理系统：后台监控系统采用B/S架构，模块化架构清晰，

外部接口齐备。除了具备本地监控后台的状态监控、自动巡检、数据采集、储存、

统计、报表、数据分析等多种功能外，还能远程管理多个本地监控后台，同时对

多个智能巡检机器人进行控制及相关数据分析，对所辖电力线路进行更高层次的

综合控制和管理

供电系统：在充电房用接触式的充电桩进行充电，供电系统直接从主电气室

取电，充电桩输入电压为220V/50Hz。机器人供电模块采用滤波技术，滤除外界

2

电网的高频脉冲对电源的干扰。

通信网络系统：机器人通信系统采用无线数据网络传输技术，在巡检范围

内实现无线网络的无缝隙覆盖。采用2.4G〜5G无线加密通信网络。机器人上的

工控机和视频装置通过以太网连接到无线集线器匕在沿途布置若干个无线AP

组成无线局域网，监控后台也通过无线集线器连接到无线局域网中，整个移动监

控系统内的设备可以实现互相访问，网络带宽可以有效实现负载平衡。

2.1.1巡检站点和路线布置

(1)地图构建

地图等比构建的目的是将局部的激光扫描数据拼接成完整的、一致性好的全局

地图数据。通过人工遥控智能巡检机器人在作业区域采集局部激光数据，事后离线

生成全局地图。地图构建会受到多种因素的影响，包括传感器测量误差、一致性误

差(智能巡检机器人倾斜，激光扫到地面等)、移动物体干扰等。我们采用图形匹

配算法、全局松弛算法和基于统计的噪声消除技术获得可用于定位的高精度全局地

图，如下图所示。

图2-2地图范例

扫描地图前，应针对现场的设备布局、地势起伏情况、现有可行走道路走向

等因素，做出一个初步评估：在现有地势、可行走道路的情况下，分析地图拼接

的成功率及质量，并友一些风险点做出提前判断。

(2)路径构建

路径规划：工程人员通过现场勘探，综合人工巡检路径、设备安装位置、机

器人运动能力三方面因素，初步规划出巡检路径。

3

巡检路径设定：地图路径编辑软件结合人工方式，计算出最优路径。

巡检路径验证：每个巡检路径都会通过智能巡检机器人实地验证，保证最优

路线的安全可靠。针友不符合的路线我们将会重新规划，直到满足要求为止。

(3)点位采集

智能巡检机器人通过设置云台角度预置位及相机变倍完成巡检设备标定，以

完成日常巡检任务。包括但不限于以下设备：托辐运行温度，设备运行声音等。

(4)点位设置和巡检路线优化

巡检点位是基于巡检路线，以及需要执行巡检任务的巡检机器人停靠点而设

定。同时，综合考虑巡检设备安装位置、智能巡检机器人拍摄角度、智能巡检机

器人正光或背光拍摄等多项因素。首先应初步标定巡检点，而后在试运行阶段逐

步微调最终实现最佳的巡检点标定。

图2-3设备标定流程图

在巡检点标定时，首先对设备运行信息进行一次采集，将采集的数据传输回

后台，在后台完成定位建模工作。当定位仝部建档完成，根据现场情况，选择合

适时间中断当前巡检任务，通过“对焦模板”进行仪表高分辨率图像采集，完成

该任务后，继续之前中断的巡检标点任务，在后台对采集的每张高分辨率图像建

立“识别模板”。

2.1.2现场安装

(1)道路规划和整改

变电站现场环境较好，路面为水泥铺装路面，较为平整，但部分伸缩缝处不

平，有下陷情况，需要对不平整的地方进行局部修整找平。

(2)充电桩安装及要求

线路区域中心位置有继电港小室，电源及光纤均可由小室引出，通过电缆沟

到达所需位置，电缆沟沿线路区域主要道路两侧分布，取电布线方便。与业主沟

通，可在继电器小室旁设置机器人充电房，给机器人充电使用，详细布置施工方

4

案现场可由具体情况商定。

（3）无线网络搭建

无线网络搭建包括：无线AP架设；光纤、电源等线缆连接和铺设。机器人

与客户端之间通过无线网络进行数据传输，因此需在现场内架设无线网络设备无

线AP,具体安装位置需现场因地制宜。

根据现场实际大小和遮挡物情况进行网络预测试，从而确定无线AP安置点

和数量。单套无线AP推荐覆盖范围为半径为40米的圆形区域，根据现场情况,

现场采用全向天线AP和定向天线AP相结合的方式对巡检区域实现全覆盖，保证

智能巡检机器人系统稳定可靠的运行。

（4）客户端电脑位置

客户端服务器和显示器计划布置于主控室内。

2.2系统配置清单

类别名称型号/参数单位数量备注

电源管理模块、通信模块、中控单元（数

轮式智据采集器、电机驱动、控制器）、可见光

巡检机器人台1

能巡检摄像机、红外热成像仪、声音采集设备、

机器人局放检测模块、避障等

系统通信系统含通讯柜，AP天线套1

供电系统含充电房，充电桩等套1

监控平台，实现对机器人的控制，主要由

实时数据采集模块、智能分析模块、数据

后台系监控后台统计模块、报表系统、地图编辑模块、任套1

统务管理模块、系统设置模块和系统集成模

块等组成

后台电脑服务器、显示屏、鼠标、键盘等套1

电源电缆，铠装线缆，铠装网线，通信光

线缆及辅材批1

缆，安装材料等

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3系统构成

机器人系统：巡检机器人是本系统的核心，可沿设定路线在室内往复运行巡

检，实现巡检区域的设备、环境监控的覆盖巡检。

0-----------

.0-7----------

----------0

0----------

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---------------®

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—o

0—

序号对应部件的名称

1双光云台

2红外相机

3可见光相机

4万向轮

5激光雷达

6防跌落传感器

7防撞条

8无线充电器

9驱动轮

图37巡检机器人部件图

3.1功能特点

3.1.1红外测温

通过对变电站设备区域进行划分，并设置对应红外检测巡检点，由机器人利

用自身携带的红外热成像仪对一定区域内的温度普测，以检视域内最高温度为目

的，结合区域设备特征设置的温度阈值进行简单参数对比实现温度检测，并自动

生成任务报表。当区域内出现温度异常时，触发相应报警。

当测温设备产生报警时，后台软件会进行缺陷记录，同时报警信息通过监控

6

界面实时显示，并支持报警信息查询及生成各类报表如自动任务报报表、缺陷分

析报告。

一到，*|0-1।|L00j3NB：2O.J5C重修京宴|

图3-2机器人红外热成像测温图

3.1.2智能仪表识别

仪表识别是轮式智能巡检机器人系统的核心功能之一，通过机器人自身携带

的可见光摄像机，完成视频图像的数据采集，通过自主开发的高精度图像识别算

法，对视频数据进行智能分析处理，识别图像内容。目前，仪表识别功能能够准

确识别变电站内避雷器、SF6气体压力表等各类仪表，刀闸、断路器、隔离开关

的分合状态，变压器、CT等充油设备的油位计和设备外观等，并能进行表计自

动读数，从而全面掌握站内电力设备及环境的状态信息。巡检机器人根据智能仪

表识别结果进行预警，发现设备及环境状态异常时，自动产生报警信号，提醒运

维人员及时处理异常。

图3-3图像识别分析

3.1.3巡检功能

1）自动巡检

7

自动巡检是巡检机器人按照预设规划路径自动巡视方式，自动巡检的模式主

要有：例行巡检、特殊巡检等，各种模式支持互相切换。机器人搭载高清摄像机、

高灵敏红外热成像仪、拾音器等多种检测设备，按照既定的规则完成区内各处的

设备和仪表进行可见光拍照、表计读数、红外测温及环境监测等巡检活动将巡检

数据自动传输到综合管理平台保存，生成检测分析报告。

2）人工遥控巡检

除巡检机器人自动巡检外，还可以通过人工遥控巡检的方式对机器人进行实

时遥控。该项应用模式适用于运维人员以及管理单位需要对某类设备的状态进行

锁定与监测，尤其对于在机器人自主巡检过程中如检测到设备、环境状态异常并

向运维人员告警时.，运维人员可以在第一时间使用管理后台的人工遥控界面或是

遥控手柄，操控机器人快速到达异常设备位置，及时对异常设备进行查看并核实

报警信息，以便迅速制定响应策略.

3.1.4实时监控和环境监测功能

巡检机器人采集的现场实时可见光视频、热成像视频和现场实时音频等信息,

通过无线网络传输到服务器存储到磁盘阵列中，并且通过信息的转发再下发到各

客户端，在后台管理界面中呈现。

机器人智能巡检系统携带温湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器等，可以

监测变电站温度、湿度、光照强度、烟雾参数等实时环境信息，并将信息反馈给

系统后台。同时可设置报警的限值，包括低温、高温报警限值，湿度报警限值，

烟雾报警限值，超过限值后立即声光报警以及在后台中显示告警，以防止由于工

作人员对环境的误判，造成生命危险。

图3-5环境监测示意图

8

3.1.5双向语音对讲

巡检机器人系统搭载双向语音系统，机器人上安装有应急广播扬声器和监听

麦克。用于监控中心和现场工作人员进行双向对讲，实现对现场的远程监控指挥。

与此同时，依托综合管理平台，语音数据可在电刀网上传输，不同层级的监控平

台均可进行数据连接，快速高效的形成一套远程专家指挥系统。

3.1.6音频智能采集

巡检机器人系统搭载有高灵敏度的声音采集设备，并随云台一同转动，定向

采集变压器等电力设备的音频信息。系统采用国际领先的音频降噪算法和声音识

别技术，减轻环境噪音干扰，增强音频信息识别的准确性和可靠性，同时音频数

据经过处理后进行存储、播放。

3.1.7数据统计和报表输出

监控平台具备对监控数据进行储存、分析、统计、检索的功能C监控平台对

数据进行标准化的整理与排序，支持excel报表导出保存。运维人员可根据任务

或监控点在监控平台内对数据进行检索，快速查看监控数据。

巡检机器人在执行完一个任务之后都会自动生成报表，运维人员可以在监控

平台根据时间、巡检类型、任务名称等进行检索并查看报表。运维人员可根据需

求检索，查看，导出各类表报，包括巡检任务报表、数据报表、报警记录报表、

环境信息报表等。

3.1.8预警功能

巡检机器人在巡检过程中，通过数值分析、阈值对比、趋势分析、数据库等

相关技术，对异常数据进行自动预警。预警信息通过界面告警和声光告警两种方

式呈现，及时提醒运维人员注意，如下图所示。

当后台分析数据显示为异常时，后台监控软件界面会出现告警信息列表，运

维人员通过操作滚动显示告警信息。当系统存在告警信息时，系统通过巡检机器

人告警音频及灯光闪烁，提醒运维人员注意。

9

点击告警信息可查看检测数据

3.1.9自动充电功能

巡检机器人采用蓄电池与充电房供电系统相结合的方式，保证机器人电量补

给功能。同时，系统配置完善的电量分配管理措施，进行预警电量设置、实时电

量监控及完善的自动充电控制逻辑，基本电量控制逻辑如下：

优化的电池能量分配，可以保证机器人随时有电进行工作。机器人可设定电

池剩余电量作为应急备用电量。当机器人电量充足时，可按计划完成巡检任务,

任务完成后自动返回充电，保持电池处于满电量状态。

当机器人的电量达到系统设定的保护限定值时，机器人可中断任务自动返回

充电；当机器人在低电量保护状态时，如果发生高优先级任务，机器人可用应急

备用电量执行紧急任务。

3.L10监控后台功能

巡检机器人后台，能够对机器人巡检路线进行规划和修改，机器人按照预定

路线，自动检测目标设备运行状况。巡检机器人的后台主要由实时监控、数据统

计模块、报表系统、地图编辑、任务管理、系统设置和系统集成等组成；除了能

控制机器人执行相关巡检任务外，还有采集、统计、检索、报表、智能分析等多

种功能。

3.1.11系统自检功能

为保证机器人日常工作的开展，机器人在启动巡检前均会进行自检，自检内

容包括红外热成像仪、高清相机、电机、云台、内部存储以及各种传感器等，当

上述任一模块出现异常时，机器人能将故隙信息上传到本地监控后台，此时自检

模块界面上与发生异常的模块对应的状态栏底色变成红色，并且本地监控后台能

进行告警，主控室的操作人员能及时杳看出现异常的模块，能够及时处理。方便

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运维人员及时发现故障，减少处理时间，提高解决故障的效率。

3.1・12安全运行及自动避障

通过在巡检机器人安装防碰撞接触气垫装置、激光雷达、超声波雷达构筑三

重安全保障，遇到障碍物或人员时会自动停止，人员或障碍物移走后，自动继续

完成巡检任务。即使在对快速飞来物体碰撞后，机器人也能及时停止，并进行系

统安全报警并在明显位置安装有闪动警示灯，提醒人员注意。

3.2技术指标

表1标准轮式巡检机器人技术参数表

参数名称性能参数

重量（kg）70

驱动模式四轮两驱动

防护等级IP55

工作环境温度-20℃〜+60℃

使用环境温度0-95%

存储温度-30℃〜70C

电池容量24V40Ah

通信方式Wifi2.4G/5.8G

导航方式2D激光雷达

重复定位误差210nlm

最大速度1.2m/s

制动距离0.5m

爬坡能力W15。

越障高度W4cm

涉水深度WlOcm

最小转弯半径W800nim

巡航时间25h

传感器1/1.8"CMOS

最大图像分辨率1920X1080

焦距5-160mm

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补光功能白光灯补光照射距离30m；白光灯亮度、角

度根据场景智能调整

聚焦自动/半自动/手动

传感器类型氧化钢非制冷型探测器

波长范围8〜14um

分辨率640X512像素

测温范围-20℃〜150℃,0℃〜550℃

测温精度士2℃或读数的±2%

热成像镜头焦距7mm

视场角水平88.5°,垂直73.2°,对角107.7°

参数名称户外高防护等级的轮式智能巡检机器人

尺寸（长宽高）716x572x764

3.3产品优势

1）全自动定位和导航技术

采用高精度激光雷达测距传感器，自动绘制大场景高精度地图,实时准确定位。

结合SLAM导航技术实现自动导航，同时针对传感器层面、执行层面、系统层面分

别设计了失效诊断机制，对定位导航功能进行实时监测和纠正。

传感器层面的失效诊断包括对传感器数据采样周期、数据有效取值范围进行监

测；执行层面对执行机构关键参数进行实时测量，并且根据控制量（控制指令）估

算系统实际执行偏差，将执行偏差限制在设计范围内；系统层面上设计了对电厂智

能轮式巡检机器人定位状态、姿态的冗余的估计算法，实时监测智能轮式巡检机器

人偏离预设轮式程度、电「智能轮式巡检机器人侧翻打滑等多种失效情况。

2）多重防碰撞安全技术

配置激光雷达、超声传感器、接触式安全触边，多个传感器协作实现多层防护，

提高机器人运行安全。智能轮式巡检机器人正常运行过程首先通过光电传感模块激

光雷达探测周围环境的障碍物，当探测到的人员或物理距离智能轮式巡检机器人预

警值时，机器人自动减速慢行，直至报警值时立即停车并报警上传。同时超声传感

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器、接触式安全触边，与光电传感激光雷达构成多重安全保障，防止意外飞速物体

碰撞，在光电传感失效情况下，防止与障碍物发生碰撞，并进行系统安全报警。

3）多种图像识别算法开发

为了实现智能化无人巡检，达到取代人工巡视的目的，智能巡检机器人结合传

统图像处理技术与机器学习技术开发图像识别算法，实现对数字式、开关状态、指

针式表计、油位计指示识别。在对设备进行图像判别分析时，用以有效克服光照变

化、阴影，低对比度和低分辨率，视角变化与尺度缩放等因素的影响，克服了深度

学习算法受识别的仪表更换或背景环境的变化影响，增强了图像识别的扩展性和稳

定性，缩短了现场实施和图像学习的时间。

4）多种感知预警与联合诊断技术

结合仪表识别数据、红外热成像温度场数据、现场声音等多种感知数据，通过

复杂的判断逻辑和计算，准确的分析判断现场设置状态，避免出现误报警情况。对

机器人历史巡检的各种数据建立数据库,利用大数据技术对海量的巡检数据进行分

析，联合实时监测数据对设备状态进行分析诊断和预警，同时提供信息统计分析、

初步的辅助诊断结果。运维人员在获得告警后，可及时调用机器人快速到达指定设

备，及时查看并核实报警信息，以便迅速制定应对策略。

5）机器人可靠性设计

防腐设计

智能巡检机器人外壳采用耐腐蚀材料及表面喷塑处理，机器人内部传感、控制、

均采用模块化设计，内部电子元器件均采用标准化生产。在原材料管理上，通过符

合《IPCJ-STD-033B.卜2007》标准的潮敏防护（MSD）控制体系，避免塑封器件受

潮失效，并配置除湿机和加湿机，对库房和板卡生产线所处环境进行温度和湿度控

制，保证产品制造过程中ESD和MSD的可靠防护。板件生产过程中，通过全自动三

防涂覆生产线完成涂覆的制造，核心设备采用美国PVA650型全自动涂覆机，自动

上板、下板，过热风隧道炉完成烘干，整个过程无人工干预、接触，确保过程一致

性。生产完成后，按照《JB/T-6174仪器仪表功能电路板老化工艺规范》对板件

进行上电老化，自主研发“老化过程监控系统”全自动控制老化室环境温度，通过

6个高低温循环以及电功率等综合作用实现24小时不间断运作，对PCBA进行老化

筛选，确保机器人在潮湿、腐蚀环境下正常可靠运行。

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防护性设计

智能巡检机器人外壳采用一体化结构设计，开盖处通过密封胶条密封处理，连

接处均采用工业级进口防水接插件，并测试机器人内部的发热量，选择合适排气量

的排风电机，通风口利用防水海绵及滤尘网处理，外设模块均选购工业级高防护性

产品并自带加热模块。整机外设可达IP65的防护等级，确保智能巡检机器人在雨

天等潮湿环境下正常稳定的长期运行。

防震动设计

变电站智能巡检机器人在运动过程中将受到震动影响，因此研发团队对机器人

进行震动实验和防震动设计。通过震动试验，机器人主要暴露出零部件固定螺丝松

动、粘贴部位脱落、支架断裂、管路连接部位断裂、磨损等问题。针对试验过程中

暴露的上述问题，主要采取了以下主要技术措施：

(1)增加弹簧垫圈、齿形垫圈以加弹紧固件的紧固效果：

(2)采用自锁螺母、双螺母紧固方式以增强紧固件强度；

(3)在紧固螺丝部位加涂防松剂；

(4)在定位片上加钾钉或螺丝固定；

(5)采用尼龙锁紧销钉；

(6)改善支架、架台等结构设计；

(7)增加管路固定位置的数量；

(8)合理调整零部件位置，增加管路连接部位的强度；

(9)增加防护套、减振弹簧等措施,减缓外力对管路连接部位的作用。

通过上述措施，改进了机器人的防震动性能，使机器人能长时间适应变电站

设备附近环境的运行要求。

防风设计

智能巡检机器人精密的结构化设计及H型驱动结构，使重心位于整