0 引言

    近年來我國電力設(shè)備發(fā)展十分迅速，裝機量和保有量均位居世界前列，但目前我國電力傳輸設(shè)施以電力架空線為主，由此造成的事故也在逐年增多，而電力廊道的出現(xiàn)解決了這個問題。電力廊道，顧名思義，就是將電力塔和架空線放置在地下并進(jìn)行組裝所形成的地下配電網(wǎng)絡(luò)。

    電力廊道空間大、內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境相對惡劣、空氣濕度大且含有可燃?xì)怏w。我國對電力廊道的巡檢任務(wù)一般都是由廊道巡檢人員定期巡檢和檢修維護(hù)，但電力廊道內(nèi)的多樣的環(huán)境對巡檢人員的安全以及電力廊道的安全運行造成了極大的威脅^[1]。而如何解決這一問題成為了許多科研工作者研究的內(nèi)容。

    文獻(xiàn)[2]研究了智能機器人在我國電力行業(yè)的發(fā)展前景；文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種小型電纜隧道檢測機器人，介紹了檢測機器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]研制了一種高壓電力廊道自動巡檢機器人系統(tǒng)，解決了人工巡檢存在的不足；文獻(xiàn)[5]提出智能機器人的運用有利于電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。本文從智能巡檢出發(fā)，設(shè)計了一種適用于多復(fù)雜環(huán)境的高壓電力廊道巡檢機器人，并進(jìn)一步解決了遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)存儲容量冗余和電池配置的問題，有力地保障了電力系統(tǒng)的安全運行。

1 巡檢機器人的系統(tǒng)設(shè)計總體方案

    鑒于高壓廊道長期處于高壓、高輻射等復(fù)雜環(huán)境下，內(nèi)部未知因素較多，而輪式、履帶式和足式機器人無法跨越障礙物和地面積水的情況，本文提出了一種懸掛式巡檢機器人。在電力廊道頂部鋪設(shè)軌道，避開地面障礙物，防止機器人遇水短接宕機。巡檢機器人通過控制直流電機來完成自主巡檢，其搭載網(wǎng)絡(luò)攝像機、氣體傳感器、溫濕度傳感器、超聲波測距等各類傳感器完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場上位機^[6-7]。

　　根據(jù)電力廊道現(xiàn)場環(huán)境要求，巡檢機器人需要實現(xiàn)以下目標(biāo)：不間斷自主往返巡檢、可手動控制、實時采集廊道內(nèi)部溫濕度和地面水位數(shù)據(jù)、實時采集可燃性氣體濃度信息、自動報警等。圖1為巡檢機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖。

2 硬件方案設(shè)計

    在檢測機器人控制系統(tǒng)中，各硬件功能模塊與微控制器相連，可與現(xiàn)場上位機或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信，當(dāng)微控制器接收到上位機的控制指令后，機器人開始執(zhí)行相應(yīng)的指令，并將廊道內(nèi)部環(huán)境信息和自身情況實時傳輸?shù)浆F(xiàn)場上位機^[8]。本文選用STM32F407VET6單片機為高壓電力廊道巡檢機器人的主控芯片。巡檢機器人硬件設(shè)計總體框圖如圖2所示。

2.1 廊道水位檢測

    在電力廊道中，環(huán)境特殊，電纜設(shè)施長期處于地下，若遇到下雨天氣，廊道地面容易積水，給巡檢人員帶來不便。在高壓電力廊道巡檢機器人上搭載MIK-ES型號超聲波液位計，如圖3所示，實時測量廊道地面積水的情況，避免地面積水過多而引起的電力短路、斷路現(xiàn)象，因此檢測廊道地面水位非常重要。當(dāng)?shù)孛嫠怀^警戒值時，上傳數(shù)據(jù)并發(fā)出報警信號。

    在測量過程中，結(jié)合超聲波傳感器自身的測量精度，即測距范圍為0～300 cm，檢測精度為±0.5%F.S，其閾值確定方法如下：

    根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)的計算，廊道高度為2 m，最低層電纜支架離地面距離為0.1 m，若超聲波液位計到地面的實際距離為h，在測量過程中，當(dāng)超聲波測量值小于h時，即超聲波檢測到地面有積水，并發(fā)出報警信號。因此廊道水位的閾值要求控制在超聲波液位計到地面的實際距離值范圍內(nèi)，且超聲波測量值小于h時開始上傳水位測量數(shù)據(jù)。

2.2 可燃?xì)怏w濃度檢測

    對電力廊道內(nèi)運行環(huán)境狀況的實時檢測除了檢測溫濕度、地面水位以外，還要對可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行實時檢測。由于廊道內(nèi)空氣濕度大、氣體成分復(fù)雜，不同氣體差異性很大，需要對氣體精確采集，應(yīng)確保現(xiàn)場氣體探測器可靠穩(wěn)定地工作。

    本文在設(shè)計過程中重點考慮對氧氣(O₂)、甲烷(CH₄)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H₂S)4種氣體進(jìn)行實時檢測，并采用RS-485信號接口的通信方式工作的氣體探測器和MQ系列的氣體傳感器，可實時檢測可燃?xì)怏w濃度值，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?？扇?xì)怏w濃度閾值及爆炸極限情況如表1所示。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警

    采用“三點采樣上升趨勢判斷法”來預(yù)測是否有異常情況發(fā)生，起到預(yù)警作用。機器人實時檢測廊道中的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫濕度、地面水位、可燃?xì)怏w濃度以及電纜接頭表面溫度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷連續(xù)等時間采樣間隔內(nèi)的3個采樣值是否有上升趨勢，如果有繼續(xù)上升的趨勢，就需要上傳數(shù)據(jù)，現(xiàn)場上位機發(fā)出預(yù)警信號，其具體的判斷步驟如下：

    假設(shè)某時段內(nèi)，在連續(xù)的等時間間隔內(nèi)機器人采集到環(huán)境溫度數(shù)值為：A(0)、A(1)、A(2)…A(n)，n取正整數(shù)，分別對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若某一數(shù)據(jù)滿足如下的規(guī)律，則需要將當(dāng)前的數(shù)值上傳到現(xiàn)場上位機。

    根據(jù)式(1)，需要上傳的數(shù)據(jù)為A(n+3)，機器人需要繼續(xù)采集判斷下一時刻的數(shù)值，如果采集到的數(shù)據(jù)符合此規(guī)律，則繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)。

2.4 通信系統(tǒng)

    電力廊道的數(shù)據(jù)采集裝置與操作員站通過以太網(wǎng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），分為遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場控制兩個部分，將采集到的實時數(shù)據(jù)（溫濕度、地面水位、可燃?xì)怏w濃度、剩余電量等）信息進(jìn)行記錄、遠(yuǎn)程上傳；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理員通過分析接收到的數(shù)據(jù)，同時給機器人發(fā)送相應(yīng)的指令，保障電力廊道的安全運行，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信方案設(shè)計如圖4所示。

2.5 機器人電池配置

    為了使巡檢機器人能有效對電力廊道進(jìn)行巡檢，在廊道兩端配置充電樁，及時為機器人充電，以滿足機器人能單程行駛完全路程的所需電量，但必須考慮機器人在啟停段內(nèi)所需電量，即啟停能耗E_L。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算，在不考慮彎道消耗電量的情況下，機器人在行駛過程中的額外損耗電量即為機器人啟動、停止階段所需消耗電量，其占單程行駛所需電量的比例為：

    由此可知啟動、停止階段所需消耗電量的最大值E_L，max的確定是在最小值E_L，min理論計算的基礎(chǔ)上加上4%的裕度值。由此儲能電池容量的配置方案如下(這里定義單程為運行一次需要充一次電)：

    (1)單程勻速段行駛的路程所需電量E_C和啟動、停止階段所需消耗電量的最小值E_L，min以及設(shè)備能耗E_M之和，即為儲能電池的容量E_Z：

    (2)單程勻速段行駛的路程所需電量E_C和啟動、停止階段所需消耗電量的最大值E_L，max以及設(shè)備能耗E_M之和，即為儲能電池的容量：

    根據(jù)上述分析計算，當(dāng)廊道距離s=2 000 m、機器人行駛速度v=0.2 m/s時，單次運行總時間為t_z≈2.78 h，勻速階段運行時間為t_r≈2.502 h，啟、停階段運行時間為t_s≈0.278 h，則可計算出單次運行過程中的總能耗為：

    根據(jù)計算出來的機器人單程運行總能耗數(shù)據(jù)，結(jié)合鋰離子電池在比能量和電池壽命等方面優(yōu)于其他蓄電池的實際情況，選擇鋰離子電池作為巡檢機器人的動力源。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

    為實現(xiàn)電力廊道巡檢機器人整體系統(tǒng)需求，使用STM32F407VET6單片機為主控芯片，并利用基于Visual Basic 6.0設(shè)計的客戶端/服務(wù)器模式的現(xiàn)場上位機監(jiān)控界面來進(jìn)行系統(tǒng)功能測試。監(jiān)控軟件通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)與巡檢機器人時刻保持通信，并控制機器人運行。管理員根據(jù)采集的廊道信息做出分析與判斷，當(dāng)機器人檢測的數(shù)據(jù)超過閾值時，上位機預(yù)警及報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，值班人員及時對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行檢修。

3.1 巡檢流程設(shè)計

    巡檢機器人接收到現(xiàn)場上位機的巡檢指令后，機器人會啟動并開啟相應(yīng)的設(shè)備，向終點方向行駛，當(dāng)?shù)竭_(dá)第一個檢測點時，機器人停止前進(jìn)并對環(huán)境信息進(jìn)行采集，停留時間為50 s；檢測完第一個點時，機器人沿軌道繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)下一個檢測點時便會自動停止并進(jìn)行檢測。在巡檢的過程中不斷判斷是否檢測完途中的所有檢測點，當(dāng)機器人檢測完沿途中所有點時，表明單次運行結(jié)束，此時需要判斷機器人的剩余電量是否大于50%，若條件成立，則沿軌道返回向機器人起點方向行駛，檢測返回途中的所有點，到達(dá)起點位置時，進(jìn)行充電^[9]。自主往返巡檢流程如圖5所示。

3.2 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

    現(xiàn)場上位機主要實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)顯示，同時可以展現(xiàn)現(xiàn)場控制設(shè)備的狀態(tài)以及準(zhǔn)確的采集所需要參數(shù)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)這些功能主要依靠VB的空間組合及源代碼完成對現(xiàn)場上位機監(jiān)控軟件的編寫。整個現(xiàn)場上位機監(jiān)控界面主要包括用戶管理界面(主畫面)、環(huán)境數(shù)據(jù)顯示界面、登錄服務(wù)器界面、實時曲線界面、網(wǎng)絡(luò)攝像機視頻圖像界面，每個畫面間可以相互切換，方便現(xiàn)場工作人員的管理，具有很好的靈活性^[10-11]。其中監(jiān)控界面如圖6所示。

4 結(jié)論

    本文進(jìn)行了高壓電力廊道巡檢機器人的研究，采用懸掛軌道式機器人行走結(jié)構(gòu)，解決了機器人避障問題。以STM32F407VET6微控制器為核心，構(gòu)建了巡檢機器人硬件總體方案設(shè)計和軟件調(diào)試，通過編程實現(xiàn)不間斷對廊道進(jìn)行自主往返巡檢、手動控制、數(shù)據(jù)存儲、自動報警等功能?；赩isual Basic 6.0設(shè)計了客戶端/服務(wù)器模式的無線控制系統(tǒng)現(xiàn)場上位機監(jiān)控界面。巡檢機器人對廊道環(huán)境進(jìn)行檢測，實時采集廊道內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)、廊道地面水位深度、可燃性氣體的濃度等數(shù)據(jù)，利用無線WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場上位機，同時現(xiàn)場上位機可發(fā)送指令控制巡檢機器人的運行^[12]。并且對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)警、告警功能和通信方案設(shè)計，有效解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)存儲量過大的問題，并通過理論分析，確定了儲能電池的配置方案。最后通過實驗測試相應(yīng)的功能，驗證了該系統(tǒng)的可行性。

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作者信息:

王凱豐1，王忠強2，謝麗蓉1，楊  歡1

(1.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047；2.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林719000)