机器人的应用 基于5G的变电站智慧管控系统

• 背景概述

一、电力行业面临的挑战与变革

随着全球工业化和信息化的快速发展，电力行业作为国民经济的基础性行业，其重要性日益凸显。然而，随着电力网络的不断扩展和复杂化，变电站和开关站作为电力传输与分配的关键节点，面临着前所未有的挑战。这些挑战包括但不于：

安全与稳定性要求提升：随着社会对电力供应稳定性和安全性的要求日益提高，变电站和开关站作为电力系统的核心组成部分，其运行状况直接影响到整个电网的安全稳定运行。

设备维护难度增加：变电站和开关站内设备种类繁多、布局复杂，且多为高压、高价值设备，需要定期维护和检测以确保其正常运行。然而，传统的人工巡检方式难以全面、高效地覆盖所有设备，且存在较高的安全风险。

智能化转型需求迫切：在数字化转型的大潮中，电力行业也面临着智能化转型的迫切需求。通过引入先进的信息技术和智能设备，提高电力系统的自动化、智能化水平，已成为电力行业发展的必然趋势。

二、轮式巡检机器人的引入契机

在上述背景下，轮式巡检机器人的出现为变电站和开关站的巡检工作带来了革命性的变革。作为智能巡检技术的重要代表，轮式巡检机器人凭借其独特的优势，成为解决电力行业巡检难题的重要工具。

高效替代人工巡检：轮式巡检机器人能够自主导航、智能检测，实现24小时不间断巡检，有效替代了人工巡检的繁重工作，提高了巡检效率和准确性。

降低安全风险：机器人代替人工进入高风险区域进行巡检，大大降低了巡检人员的安全风险，保障了人员的生命安全。

提升智能化水平：通过搭载各种传感器和智能算法，轮式巡检机器人能够实时监测设备运行状态，及时发现并预警潜在故障，为电力系统的智能化运维提供了有力支持。

三、轮式巡检机器人在厂区变电站和开关站的具体应用优势

全面覆盖，无死角巡检：轮式巡检机器人具备灵活的移动能力和自主导航功能，能够轻松穿梭于变电站和开关站的各个角落，实现全面、无死角的巡检。

精准检测，提前预警：机器人搭载的红外热像仪、高清摄像头等检测设备，能够实时监测设备的温度、外观等参数，通过智能算法分析，提前预警潜在故障，避免事故的发生。

高效数据采集与分析：机器人巡检过程中产生的海量数据，可通过远程监控平台进行实时传输和智能分析，为运维人员提供准确、全面的设备状态信息，支持决策制定和故障排查。

降低运维成本：相比传统的人工巡检方式，轮式巡检机器人能够显著降低运维成本。一方面，机器人能够减少人力投入和劳动强度；另一方面，通过提前预警和故障排查，减少因设备故障导致的停电损失和维修费用。

综上所述，轮式巡检机器人在厂区变电站和开关站的应用，不仅解决了传统巡检方式存在的诸多痛点，还推动了电力行业的智能化转型和可持续发展。随着技术的不断进步和应用的深入推广，轮式巡检机器人将在电力领域发挥更加重要的作用，为构建安全、稳定、高效的电力系统贡献力量。

• 建设方案
  • 系统架构

终端层：部署在一线待巡检区域，由机器人和传感器或固定摄像头组成，负责采集现场视频、图片、气体数据、温湿度数据、声音数据等信息。

平台层：部署在集控中心，由通信装置、交换机、服务器组成，能够获取机器人上报的各类巡检数据，并对数据进行存储、AI识别、数据分析。智能工业联合巡检平台软件部署在服务器上，采用B/S架构，在同一网络环境下即可通过WEB服务访问系统。

应用层：提供简洁清晰的人机交互界面，供用户进行系统操作、信息查看。用户可通过智能工业联合巡检平台对机器人进行远程控制，下发巡检任务，查看巡检结果，生成巡检报告，与现场进行语音互动等功能。

机器人巡检系统架构示意图

• • 机器人特点
    1. 机器人本体

本次项目选用的室外轮式巡检机器人，是整个巡检系统的核心组成部分，承担巡检和现场处置与现场交互的主要功能，室外轮式巡检机器人包括导航单元、供电单元、通讯单元、检测单元，机器人携带可见光摄像机、红外热成像仪、环境监测传感器、气体监测传感器等模块，精准收集测量现场各类信息。后台系统包括机器人控制管理模块、巡检任务管理模块、数据存储模块、算法分析模块、系统管理模块、查询和报警模块。后台算法实现智能分析处理，结果在机器人集中管理平台呈现。

室外轮式巡检机器人外形图

机器人采用四轮八驱悬挂底盘，四个轮子可单独驱动并且均具有转向功能，可实现原地掉头原地转弯，最高可支持1.5m/s的行驶速度，15°的爬坡能力，5cm的越障能力，和120cm的通道通过能力。

1. 1. 1. 3D激光SLAM 导航

采用3D激光SLAM导航的情况下可以完全可靠地按照预定的路线完成寻线行走、停车、转向等 动作。

SLAM（ simultaneous localization and mapping）即同步定位与建图，指在未 知的环境中，机器人通过自身所携带的内部传感器（编码器、IMU等）和外部传感器（激光传感器）来对自身进行定位，并在定位的基础上利用外部传感器获取的环境信 息增量式的构建环境地图。

优点如下：

1、基于环境自然导航，无需对客户现场环境做任何的改造

2、定位精度满足绝大部分机器人巡检需求

3、配套相应的操作软件，易学易用

4、变更使用场景简单，无需进一步进行改造实施，只需要软件配置即可以完成。 三维激光雷达通过光学测距可以直接采集到海量具有角度和距离精准信息的点，

这些点的合集被称为点云，可以反映出真实环境中的几何信息。由于其建图直观， 测 距精度极高且不容易受到光照变化和视角 变化的影响， 是室外大型环境的地图构建 应用中必不可少的传感器。

3DSLAM可以解决在2DSLAM没有定位环境时的作业，比如室外，因为空旷，2DSLAM会完全迷失，3DSLAM却可以通过地面三维进行定位。SLAM 的克星是连续相似的环境，会使SLAM迷失，而对局部相似但上下端有区别的环境，可以用3D传感器进行三维数据的匹配。

1. 1. 1. 四驱底盘超强地面适应性

机器人采用四驱方式驱动，具备强大的爬坡越障能力。设计爬坡参数为 20°, 坡 道可适应水泥、沥青等硬地面。

1. 1. 1. 全向云台无限预置位

机器人搭载了可360度水平旋转，-90度至90度俯仰运动的双仓云台，采用了蜗轮蜗杆的结 构，可以保证在机器人运动过程中，保持位置精确锁定，同时结合高精度定位和位置反馈技术， 将每一个预置位保存在数据库的方法，实现了现场无限预置位的能力。

1. 1. 1. 小时超长续航

机器人搭载的电池包使用磷酸铁锂组装而成，经过安全、容量等实验检测认证。 可以保证机器人联系工作 6 小时不断电，完全放电后，配套的充电桩可以再 3 小时内 补充电量完毕，最大限度的保证机器人的连续稳定运行。

1. 1. 1. 多基站 MESH 无线传输

针对室外环境，需要机器人覆盖尽可能广的范围，而机器人采用无线方式与后台通信，在机器人运行轨迹附近，使用单一基站的方式，会出现信号覆盖不到的区域，为解决这一难题，使用 MESH网桥，多点基站组建局域网，机器人搭载的设备自动搜寻信号最强的基站链接，并且采用毫秒级切换，保证通信链路切换时，通信信号不变

智能移动巡检装置上的工控机和视频装置通过以太网连接到无线集线器上，站内 布置若干个无线路由器组成无线局域网，监控后台也通过无线集线器连接到无线局域 网中，这样，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。无线通信网络采用最新工业无线通信网络相关标准，抗干扰性和无线电磁 污染至少满足国家标准。

1) 站内无线信号可无盲区覆盖；

2) 智能巡检机器人和站内无线 AP 组成无线网络，可以在各 AP 之间漫游，切换 时间少于 100 毫秒；

3) 智能巡检机器人所有的控制信号、视频数据、音频数据、现场传感器采集数 据及报警信息均通过无线网络传输；

4) 智能巡检机器人不管处在什么位置，通信带宽均不小于 60Mbps，同时配合 QoS 功能，可以保证视频、音频等各类数据实时可靠传输。

5) 智能监测装置使用的无线网络具备自动组网功能，当一个节点发生故障时， 应能自动通过附近其他节点向后台进行双向信息交互。

1. 1. 1. B/S 系统平台架构

系统建设基于 Web、B/S 结构，软件设置开放性网络接口，可与综合管理系统实 现信息交互，由综合管理系统进行统一化、系统化管控， 使各类系统之间相互协同运作，可通过以太网及标准的 OPC 规范与综自系统、监控系统实现信息共享； 通过控制 层通讯协议可与报警系统通实现报警联动。

1. 1. 1. 其它主要硬件配置

自动充电桩

输入：220V-240V；

输出：54.6V；

功率：500W；

充电房

智能巡检机器人充电方式采用电池与地面充电系统接触式充电结合的供电方式。 其中地面充电系统安装于充电房内，充电房是机器人防风、避雨及非运行状态下的停 放处。充电房外观图以及结构示意图如下：

充电室外形图

充电室采用整体设计实现整体运输。其材质采用金属压花面复合保温板。充电室 外形设计如图所示，机器人出口处安装自动卷帘门，侧面安装窗户。

• • 机器人参数

• • 功能设计

变电站智能巡检机器人能够在变电站进行7*24小时不间断的自主巡检，运用计算机视觉、图像识别和深度学习算法等人工智能技术，及时发现运维故障，收集相关的运维数据，为后台智能运维分析提供可靠的数据源，智能巡检机器人结合多种先进传感器、多种智能识别算法，可对变电站中的环境、设备运行状态等进行全方位精细化感知、巡检；具有自主巡检、指示灯智能识别、设备表面温度检测、高清可见光视频监控、噪声检测、有害气体检测、巡检报表分析与历史数据分析等功能，在无人值守的环境中，代替工作人员来完成巡检任务。能够及时发现设备的故障，提高运维的效率与质量。

1. 1. 1. 智能巡检

当车体发现巡检点停车后控制云台按预先设置好的巡测内容、时间、周期、路线 等参数信息进行巡检 。并且支持自动、手动遥控两种控制模式下的巡测，自动和手 动遥控两种巡测模式可自由无缝切换，切换响应速度小于 0.1s。

并支持特巡方式：由操作人员选定巡视内容并手动启动巡视，智能巡测装置可自 主完成巡测任务

巡测内容可根据现场设备情况设计如：①设备的外观；②设备的本体和接头的温 度；③断路器、隔离开关的分合状态； ④变压器、CT 等充油设备的油位计指示；⑤SF6 气体压力等表计指示；⑥避雷器泄漏电流、动作次数指示； ⑦变压器、电抗器等噪声 等内容。

（1）自动巡检

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。

1. 1. 1. 图像识别

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。

图像识别

1. 1. 1. 红外测温

通过对站内设备区域进行划分，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。

红外热成像测温图

1. 1. 1. 环境监测

机器人能对室外气体、温度、湿度、烟雾等环境信息进行实时监控，为运维人员分析设备运行状态提供全方面信息。目前机器人默认携带温度、湿度、PM2.5、噪声、CO五合一传感器。另外每个机器人可选配安装四个其他气体类型的传感器，如SF6、O2、O3、CO等。

1. 1. 1. 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。

1. 1. 1. 自动告警

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。预警信息通过界面弹窗告警和数据库告警记录方式呈现，及时提醒运维人员注意。

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，系统通过后台监控软件界面弹窗，提醒运维人员注意。

1. 1. 1. 数据统计、生成报表

巡检机器人管理平台具备对监控数据进行储存、分析、统计、检索的功能。可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巡检机器人管理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，运维人员可以在巡检机器人管理平台根据时间、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。

1. 1. 1. 外部接口

机器人系统对外提供协议接口，可与外部系统进行数据交互。通过对接调用可以实现对机器人的远程控制、任务下发、巡检结果和告警信息等数据的获取，从而将机器人系统集成至上层管理控制平台，实现多系统间的联动和统一监管。

1. 1. 1. 实时地图展示

机器人后台的地图模块实时显示机器人的地图信息，包含地图路径、机器人巡检点位置以及机器人实时位置。地图支持手动缩放，拖拽移动，全屏展示，元素隐藏操作。

1. 1. 1. 机器人自检

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，机器人能将故障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查看出现异常的模块，能够及时处理。方便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。

• • 智慧管控系统

智慧管控系统通过5G/无线网络，对移动载体进行集中化管理，并对移动端采集的数据进行分析，以及对任务的管理、移动载体控制、告警管理、报表管理等。

1. 视频预览

展示移动载体的视频数据，支持全屏展示，可查看移动载体的可见光视频、红外热成像、设备开机时间、环境状态、任务告警记录、环境告警记录等。

1. 任务管理

支持周期性任务、特殊时期任务（如迎峰度夏）、临时任务等。

1. 告警管理

对任务中的数据通过人工智能技术，进行智能识别，无需人员介入，并对识别的结果智能分析，主动预警，提醒运维人员进行关注、处理，提前介入，降低设备运行风险，提升供电可靠性和稳定性。

• 部署方案

变站和开关站利用室外轮式巡检机器人，搭载高性能红外和可见光双路视频服务器，无线通讯系统，实现在变站和开关站观察周围环境、监控设备运行状况以及检查设备热故障、自动识别表计读数、接地刀、隔离刀合位状态和噪音故障检测的相关功能要求。室外巡检机器人能够实现厂站全天候、全自主巡检，有效降低劳动强度和变电站运维成本，提高无人值守巡检作业和管理的自动化和智能化水平。

1. 1. 1. 现场地图构建

通过高精度激光雷达扫描变电站以及开关站，建立二维栅格地图，并导入室外巡检机器人后台数据库系统。

1. 1. 1. 路径规划

根据巡检需求（如下图所示），规划合适巡检路径，确保室外巡检机器人能够巡检到所有关键设备，并避免与障碍物发生碰撞。

巡视任务规划

日常巡视：设定固定巡视路线与时间点，机器人自动完成设备红外测温、声音检测、油位检查等任务。

特殊巡视：根据天气变化、设备状态预警等，灵活调整巡视计划，增加特定区域或设备的巡视频次。

数据分析：定期汇总巡视数据，通过数据分析软件识别潜在的安全隐患，为设备维护提供科学依据。

室外巡检路线参考图

巡视区域分析

变电站：重点关注变压器、避雷器、电流互感器、电压互感器、SF6断路器、隔离开关等设备状态及环境情况。

室外移动巡检现场参考图

1. 1. 1. 设备布设

根据现场情况预设线缆接入位置，选取空旷、远离设备的位置布设室外轮式巡检机器人充电桩（如下图）。

巡检机器人充电桩参考图

• 配置清单

• 建设成果

充分发挥5G优点，基于5G技术、人工智能技术应用，研究变电站内设备实时状态监测需求，建成基于5G的变电站智慧管控系统，本次项目的主要研究成果如下：

（1）输出《基于5G的变电站智慧管控系统》1套（覆盖厂区变电站及开关站）；

（2）实用新型专利2篇；

（3）期刊论文1篇。

基于5G变电站智慧管控系统在各变电站场景使用后，已有效提高工作效率，降低工作成本，加强作业安全性，并具有可观的经济效益。

业务提升特点：

（1）提升业务效率

提升感知准确性，改善业务运作效率，优化业务和决策过程。

（2）创造业务价值

人机协作，超越人类感知，使能价值转化。

（3）降低综合成本

机器换人，极致标准化实时预测，提升准确性，解放人力专注业务决策。

• 方案创新点

（1）构建5G+智能应用

充分发挥5G网络优势，并与人工智能技术相结合，形成一套变电站5G设备状态实时监测系统，实时掌握设备状态信息，减轻人员运维负担的同时，提升运维智能化水平。

（2）无纸化低碳运维

通过机器化应用，将人工纸质运维数据变成模块化数据，实现智能化数字化运维的同时，促进运维低碳化进程。

（3）运维任务自动化

根据不同时间的运维任务的性质和要求，制定自动化运维任务，无需人员干预，即可自动执行，实现远程监控和设备状态自动获取，降低人员参与度。

（4）数据智能分析和决策支持

通过5G传输，实时获取变电站设备现场视频数据，基于机器视觉技术应用，对目标进行智能分析，实现监测、识别、定位等功能。并通过数据的不断积累，形成设备状态数据库，为设备的智能决策提供数据基础。

（5）智能预警和故障预测

基于设备智能分析结果，实时感知设备状态，当出现设备缺陷时，主动预警。同时基于设备状态数据库和缺陷库的构建，分析设备缺陷不同时期的设备状态，并引入专家意见，构建设备缺陷故障预测体系，提前感知设备问题，实现从“状态修”向“预测修”的转变，保障设备安全稳定运行。