文|大核有料

编辑|大核有料

随着我国煤矿开采规模增大及大型自动化采煤设备的普及应用，煤矿变电站的负荷及供电等级不断提高，站内进出线路增加、设备投切频繁。

如何进一步实现对变电站的全方位智能监控、提供更可靠的安全保障已成为目前的研究焦点。

就在今年年初的时候，山西省四座煤矿在同一天内发生供电故障事故，起因就是变电站南母西二气室绝缘故障造成断电未实现两回路电源线路供电，未自动切换，导致煤矿掘进工作面瓦斯高值超限。

这几起事故的出现，起因就在于没有对变电站实施有效监控，没能在第一时间内发现并解决，这才导致事故的发生。

在国内多数中小型煤矿的变电站管理现仍处于相对落后水平，站内巡检及监控仍采用传统人工巡视抄表及有线监测方式，不仅效率低下，也无法准确掌握站内设备运行及环境情况，存在较大安全隐患。

针对上述问题，本文提出了一种可实现无线通信的移动式巡检机器人自动巡检监控方案，该方案以移动式机器人为功能载体，内部集成了红外测温仪、可见光摄像头及拾音器等环境感知及检测设备。

可实现对站内电力设备及仪表运行状态的直观测量，同时机器人具备路径规划、自主避障及导航功能，可在无人值守情况下以最优路径进行可靠巡视监测，监测数据通过无线网络传输至远程监控平台进行远程在线监测，有效提高了变电站巡检监控智能化水平。

«——【·机器人巡检系统整体方案·】——»

需求分析：煤矿井上变电站主要监测环节包括站内变压器、断路器等重要电力设备的运行状态，检测信号包括设备的温度、噪声及现场图像等，从而判断设备是否发生过热、悬挂异物和漏油等故障。

由于变电站内设备较多，采用无人值守机器人需具备导航避障功能，使其在规划路径上完成巡视。综上所述，机器人巡检系统具体功能需求主要包括以下几点：

机器人本体的性能需满足煤矿变电站巡检需求，最大行驶速度≥１ｍ／ｓ，爬坡角度≥１５°，续航时间≥８ｈ。

具备环境感知及多参数传感采集功能，通过内置各类传感设备实现对站内设备温湿度、噪声、现场运行图像的实时采集监测。

具备可靠的导航避障功能，通过内置的激光雷达、超声波传感器等设备实现实时定位与自主避障，可按照规划路线进行移动巡视，导航定位误差≤２０ｍｍ。

具备高速远距离无线通信功能，数据传输及控制距离≥１ｋｍ，数据传输延迟≤３００ｍｓ。

具备远程集中监控功能，系统通过上位机可对机器人进行远程控制，监测参数实时显示，并具备数据存储、故障预警功能。

系统整体架构：结合巡检系统需求分析，本文以可移动巡检机器人作为系统执行机构，搭载多种用于现场数据采集及定位导航的传感器及声光热采集系统；

通信网络采用无线局域网架构，可有效保证系统数据传输灵活性及可靠性；远程监控后台通过以太网与无线基站实现通信，用于巡检机器人远程控制、变电站运行可视化监测及数据分析存储。

机器人巡检系统总体架构如图１所示。

«——【·机器人巡检系统软、硬件·】——»

机器人作为巡检系统主要功能载体，主要由机器人本体、控制模块及数据采集模块三大部分组成，其硬件结构如图２所示。

机器人本体结构：机器人本体由机架外壳、电源、车轮及驱动电机等设备组成，机架外壳采用传统工业巡检机器人外观，整个机身高１．３ｍ，重６０ｋｇ。

机身底部装设前后两个随动轮及两个驱动轮，通过伺服电机进行驱动，最大行走速度为２ｍ／ｓ，最大爬坡角度为３０°，最大转弯半径为自身长度的两倍。

机身上方配置云台用以调整摄像头可视角度，云台上下最大仰角为７５°、前后最大转角为２９０°。

机器人控制面板位于机体下方，面板集成充电接口、电源开关、启停按钮及调试网口等，采用防水盖遮蔽，涉水深度可达２００ｍｍ，机器人电源及开关端口如图３所示。

控制模块选型：控制模块作为机器人运算处理中枢，其运算速度、存储容量及通信接口需满足需求。

本文选用ＳＴＭ３２ｆ１０３ｃ８ｔ６型ＡＲＭ控制器，其内部集成５１２ｋＢＦｌａｓｈ存储器及６４ｋＢＳＲＡＭ存储器，具备３７个Ｉ／Ｏ接口、１８个Ａ／Ｄ通道，支持ＲＳ４８５、ＣＡＮ总线等多种通信方式，可满足机器人数据采集与控制需求。

数据采集模块选型：数据采集模块由数据采集、定位导航两类传感设备组成，其中数据采集传感器包括温湿度传感器、红外热成像仪、可见光摄像头及拾音器，用于站内环境感知及电力设备状态参数采集；

定位导航传感器包括姿态传感器、激光传感器及超声波传感器，用于实现机器人定位导航及障碍物检测。两类传感器具体选型分别如表１、表２所示。

«——【·系统应用效果·】——»

为验证机器人巡检系统的实际应用效果，于某煤矿３５ｋＶ井上变电站进行实际巡检测试。机器人测试期间，共执行周期性巡检任务３０次，累计运行２５０ｈ，共收集一次设备红外热成像图片１１０４０张、设备状态照片７５０张、读取仪表数据２８８７项。

系统于２０２３年４月１２日采集的红外热成像数据如表３所示。

从表３中数据可以看出：通过机器人巡检发现当天１０２－１＃Ａ、Ｂ、Ｃ相刀闸温度分别达到了７８．３℃、１０２．５℃及１１９．３℃，及时发现了严重过热现象并发出报警，有效避免了事故发生。

机器人红外测温数据与人工复测值对比如表４所示。

将机器人自动巡检中部分站内设备的红外测温值与人工复测数值进行对比，得出其测量误差均保持在５％以内。

由此可知，机器人巡检的测温精度及效率较高，可有效替代人工测温，大幅降低人工巡检运维工作量。

«——【·结语·】——»

针对煤矿井上变电站巡视及监测自动化水平低下的问题，提出了一种基于机器人的智能巡检系统，可实现对站内设备运行状态的有效监测，可完全代替人工抄表巡视及监测模式。

经实际测试，该系统运行稳定，数据采集精确，巡视效率高，对于实现煤矿变电站无人值守具有实际意义。