变电站室内巡检机器人系统研究与应用

王智杰 李永生 牛硕丰 贾斌 闫静静 冯飞 曹淑英

摘 要：在复杂空间环境和强电磁干扰下，研发一套室内巡检机器人系统，改进机器人室内图像识别方法，提出室内巡检机器人本体设计、轨道系统设计、通信系统设计以及室内安装方案，基于轨道系统和移动平台，集成红外和可见光检测装置，通过自主或遥控方式，实现室内设备的巡视，利用智能分析模块实现设备异常的自动判断并告警。解决了室内设备缺乏有效巡检手段的问题，在一定程度上可代替变电站运维人员进行日常巡视，并通过HZ变电站室内巡检机器人的应用，验证方案的可行性。

关键词：巡检机器人;S曲线轨道;室内智能巡检

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.153

0 引言

目前，国家电网公司已投运17个跨区直流输电工程，建设31座换流站，输送容量已达6886万千瓦，直流输电系统的安全稳定运行关系整个电网的安全。针对变电站的运行维护，目前基于站內全局路径规划的变电站机器人巡检已得到推广应用[1-4]。而直流换流站内换流阀、水冷却系统、高压套管等直流输电系统的重要设备，由于对运行环境较高，均布置于封闭的户内环境中。受限于室内空间的不规则布局及强电磁干扰，目前巡检手段仍非常有限，仅能依靠少量监控设备作为辅助巡检，巡检结果的客观性缺乏保障，巡检数据无法及时、准确的录入信息管理系统。由于巡检手段的局限性，导致运维人员无法及时发现设备缺陷和隐患，国内换流站曾发生由于换流阀失火未及时发现导致全部核心部件损毁，直接经济损失达数亿元，间接经济损失更是难以估量，严重影响社会和谐稳定。

在上述背景下，有必要研究一种结构紧凑可靠，能够在阀厅、户内直流场、继电小室、阀水冷室等强电磁、狭窄空间内长时间持续稳定运行，且能够精确识别、精确检测的室内轨道式巡检机器人系统，实现户内设备全覆盖巡视，及时发现室内设备运行状态，代替人工巡检，提高巡检效率。

1 系统组成

本文研发室内多维轨道式巡检机器人系统，集成红外和可见光检测装置，基于运动控制模块和室内轨道实现机器人的自动巡检及控制，自动读取室内设备温度、开关分合状态以及仪表读数等，通过电力载波将检测信息上传监控主站系统，利用智能分析模块实现设备异常的自动判断并告警。通过系统汇总的数据及智能分析进行报警信息的推送、机器人巡检控制、业务数据管理等服务，应用于室内运维。

系统采用站控层和终端层两层架构。站控层由监控主站及智能控制与数据分析软件组成;终端层为室内机器人，室内机器人包括阀厅、户内直流场、继电小室、阀水冷户内的组合式空中轨道机器人，室内机器人包括轨道系统和机器人本体两部分。架构如图1.1所示。

数据采集由终端机器人完成，包括移动站主机和监控装置，可完成红外图像采集、可见光图像采集、状态信息采集、导航信号采集、其他传感器信号采集以及运动控制。

监控主站汇总终端机器人上传的检测信息，利用基于局部特征的图像处理技术实现状态识别、仪表读数等，通过智能分析和控制模块实现设备异常的自动识别及告警。系统功能架构图如图1.2所示。

检测功能：通过集成的红外和可见光传感器检测变电站室内设备外观、发热缺陷、开关状态。

自动巡航功能：基于轨道系统和规划任务自动巡视。

分析告警功能：基于阈值的设备异常状态识别及自动报警。

控制功能：运维人员可在监控主站查看巡视记录，同时可对巡检机器人进行手动控制或自动规划指令下发，实现室内设备巡视的远方操作。

2 基于局部特征的图像识别技术研究

目前智能巡检机器人在数据采集、控制、传输等方面技术已经比较成熟[1-3]。但对于室内设备，机器人巡检时需外加光源，导致光亮不均匀影响图像的识别，因此，本文基于室内变电站设备巡检的特点，以户内开关、仪表为例简要说明基于局部特征的图像处理技术及应用。

2.1 户内弱光下去除阴影和光晕的方法

对图像进行多尺度Retinex增强，进而采用mean sift滤波进行有限次迭代，消除噪声点，平滑图像。采用光照归一化方法去除低光阴区域，通过OTSU阈值分割图像，得到二值化图像继续处理。可将弱光下的阴影及光晕有效去除，保留更多有效信息，效果如图2.1和2.2所示。

2.2 户内数字仪表图像识别

充分利用图像所携带的颜色信息，提取R分量，设定阈值转化为二值图像，利用腐蚀方法预处理，消除孤立点和小区域块的干扰;利用投影法定位并分割出每个字符;最后利用sift算法[6]检测特征点匹配，获得结果，算法具有适用性和鲁棒性。采用算法后的识别效果如图所示。

2.3 户内开关状态图像识别

现场采集图像：

图像标定方法：

算法处理过程：

图像识别结果：

3 巡检机器人设计及应用

3.1 机器人本体设计

机器人本体包括云台、检测组件、线、升降机构，利用机械对接方式实现本体与轨道的连接。检测组件包括可见光摄像机，升降机构可以实现机器人的竖直方向上的运动。如图所示。

检测组件通过双通道视频采集模块实现户内设备的检测。由视频服务器板卡、高清摄像机、红外热像仪、云台等组成，检测元件将采集的图像、视频信息通过视频服务器压缩后，经由通讯设备传送到后台显示。总体结构如图所示。

操作人员可通过监控主站向PTZ发送控制命令，且PTZ可以设置多个预置位，当下次执行设备检测时可直接调用预置位，预设零点存储在PTZ控制板中。视频服务器可以将检测组件采集的视频信息和图像信息传给后台机，监控主站实时显示监测画面，以备相关人员进行后续分析。