户内直流场智能巡检系统主要包括后台监控系统、通信系统、轨道式巡检系统、辅助固定点监控系统，系统构架如图1所示。

图  1  直流场智能巡检系统构架图

Figure 1.  The system framework of intelligence inspection system

户内直流场智能巡检系统包括垂直/水平轨道式巡检机器人、高清摄像机、地面巡检机器人及后台监控系统等。

巡检设备本体作为整个系统的核心，集成红外热像仪、可见光摄像机、高灵敏度拾音器等多种传感器；运动控制系统通过精确的导航和设备定位控制巡检设备，完成预先设定任务，对直流场进行巡检。每个监控头自成独立体系，独立运行，互不干扰，如遇到故障可快速查找定位及排除，同时还具有良好的扩展性。

可见光图像、红外图像通过视频服务器的视频流数据和移动体控制系统信息等数据汇集至系统屏柜，经工业交换机传至后台监控系统，根据访问权限实时浏览直流场内的音频、可见光和红外视频图像、巡检设备本身的运行情况等相关信息，并可控制巡检设备移动体的运动等^[4]。

考虑到直流场现场电磁环境复杂，为了降低干扰，提高系统稳定性，在换流站站现场通过光缆传递视频信号和数字信号^[5,6]。每个监控点只需一根光纤连接即可，取代传统大量的模拟信号电缆、以太网电缆、控制信号电缆等，通信结构如图2所示。

图  2  直流场智能巡检通信结构图

Figure 2.  The communication framework of intelligence inspection system

现场数据采集系统主要由传感器系统和智能云台控制系统组成^[7]。传感器包括可见光数据采集、红外测温等，其中可见光数据采集主要是直流场内设备外形是否异常，开关/刀闸的合分状态，电容器渗漏油；红外测温主要是采集直流场设备的发热温度。智能云台控制系统，主要搭载云台的滑动系统和控制传感器动作的直流伺服系统，通过控制可自由旋转的探测传感器来跟踪目标，其系统框架如图3所示。

图  3  现场数据采集系统构架

Figure 3.  The framework of data collection system

智能巡检设备中核心设备为红外热像仪，其空间分辨率＝像间距/镜头焦距，空间分辨率决定着热像仪的清晰度，是热像仪所能测量的最小尺寸。它与光学像质，光学会聚系统焦距和红外传感器的线性尺寸相关^[8,9]。在视场角25°×19°的情况下640像素×480像素和384像素×288像素的红外测温仪所测的点计算如下。

640像素×480像素的红外测温监测设备的像间距为17 μm，焦距为25 mm，其空间分辨率为0.68 mrad。±1 100 kV换流站户内直流场红外热成像到一次设备最远距离按照30 m计算，空间分辨率为0.68 mrad的红外热像仪的在距离为30 m的情况下长度为20 cm物体的热成像点数＝长度/距离/空间分辨率＝10个点。

384像素×288像素的红外测温监测设备的像间距为17 μm，焦距为15 mm，其空间分辨率为1.13 mrad。相同条件下长度为20 cm物体热成像点数为6个点。

常规换流站的换流阀属于精密的电子设备，一般情况下长度为10 cm需显示10个热成像点，换流站的直流场设备是高压电力一次设备，可考虑最远距离情况下长度为20 cm显示6个热成像点已经可以满足要求。另外384像素×288像素的红外测温监测设备相对640像素×480像素造价低很多，因此从安装的效果和经济性进行比较换流站户内直流场可采用采用384像素×288像素的红外测温监测设备^[10]。

智能巡检系统应用在±1 100 kV换流站户内直流场有以下优点^[11]。

1)节能环保：智能巡检系统不需独立的检修通道，充分利用直流场土建结构柱的空间使得户内直流场带电间隙按对设备距离计算，大幅减小空气净距，从而减少建筑面积和投资，使得±1 100 kV换流站户内直流场布置紧凑，节省占地面积。

2)智能高效：智能巡检系统可以全天候对户内直流场的重要设备的故障温升及运行状态进行24 h的监控。采集到的温度数据可按要求逐级发送到计算分析监控中心或监控室，由服务器或计算机进行温度数据的自动处理和分析，早期定位关键设备的潜在故障，以报警方式提供检修信息。实时监控信息能第一时间反馈±1 100 kV换流站户内直流场开关设备、电容器设备的状态，使得运行人员及时掌握换流站户内直流场设备的运行状态。

3)安全可靠：智能巡检系统属于非接触测量的方式，无需停电维护，不会影响运行设备正常运行，大大减轻运行维护人员的劳动强度，提高巡检效率。系统实时在线监测，在设备出现问题的初期，即可及时发现设备异常避免事故的发生。为户内直流场关键设备的“故障预知、故障预防、故障预维”提供了有效的解决方案。

±1 100 kV换流站属于世界首创，其直流场电磁环境较复杂，直流场正常运行时运行人员在没有保护措施的情况下是不允许进入直流场，因此想掌握直流场设备的运行状况必须通过智能巡检系统来实现。因此智能巡检系统器固有的优点结合±1 100 kV换流站户内直流场不进人的设计背景使得智能巡检系统是±1 100 kV换流站户内直流场巡检的唯一可行方案。

需巡检的点如设备进出线，设备连接线，刀闸动静触头、基座连接线、软连接、拐臂软连接，地刀动静触头，所有管母线接头、连接线等高度大多为距离地面19 m左右。

1 100 kV户内直流场一次设备布置方案如图4所示，直流场的一次设备近似为“L”布置，直流场横向有一次设备布置的区域约为70 m，纵向有一次设备布置的区域约为50 m，由于横向的两边钢结构约为78 m，智能巡检系统的可视范围为50 m，因此需要在横向的钢结构两边都安装巡检轨道及巡检设备，直流电容器区域单独布置垂直式的巡检设备，因此单极户内直流场水平布置70 m、50 m及35 m水平滑轨及其巡检设备各配置2套，共6套，直流场双水平滑轨双巡检设备布置图如图4所示。

图  4  直流场水平滑轨智能巡检平面布置示意图

Figure 4.  The layout of horizontal guide rail to intelligence inspection system

每两套在直流场内分层布置，水平滑轨机器人的分层布置高度离地面为第一层21 m，第二层23 m，巡检设备分层布置如图5所示。基于三维仿真软件建立的智能巡检设备的仿真模型如图6所示。

图  5  直流场水平滑轨智能巡检设备分层布置示意图

Figure 5.  The delamination layout of horizontal guide rail to intelligence inspection system

图  6  单套直流场水平滑轨智能巡检设备三维示意图

Figure 6.  The 3-D graphical representation to horizontal intelligence inspection system

每2套带水平滑轨的巡检设备分层布置，可手动控制，也可智能控制。完成设备进出线，设备连接线，刀闸动静触头、基座连接线、软连接、拐臂软连接，地刀动静触头，所有管母线接头、连接线等重要点测温及开关/刀闸的合分闸指示及设备运行状态的巡检内容。

直流滤波器的电容器布置如图7内椭圆形框所示，考虑到直流滤波器的电容器安装高度由4～24 m均有分布，故电容器附近区域安装双垂直滑轨双巡检设备的巡检系统，巡检设备布置图如图7和图8所示。基于三维仿真软件建立的智能巡检设备的仿真模型如图9所示。双垂直滑轨双巡检设备针对电容接头发热、漏油检查及其附近进出线进行巡检。

图  7  直流场垂直滑轨智能巡检平面布置示意图

Figure 7.  The layout of vertical guide rail to intelligence inspection system

图  8  直流场垂直滑轨智能巡检水平分布示意图

Figure 8.  The distribution layout of vertical guide rail to intelligence inspection system

图  9  单套直流场垂直滑轨智能巡检三维示意图

Figure 9.  The 3-D graphical representation to vertical intelligence inspection system

1)充分利用结构柱的空间，滑轨安装于结构柱或者两个结构柱之间的空间内，不因为带电距离而增加户内直流场的尺寸，可以满足直流场不进人设计而达到巡视的效果，大大节省了直流场的面积。

2)主巡视设备双轨备互为备用的设计有效避免了单套巡视设备故障导致无法正常巡视的问题，大大提高运行可靠性。

不在停电计划检修期间出现双套直流场巡检设备故障导致直流场不能正常巡检，此时需在直流场带电的情况下进行巡检设备检修，因此要在直流场的指定位置安装相应的屏蔽笼。采用人工手动收回方式将出现故障的巡检设备返回到屏蔽笼附近，屏蔽笼顶部采用可开窗口设计，可实现在屏蔽笼内对设备进行检修或更换，轨道机器人手动收回配置相应固定端和收回终端，检修工作示意图见图10所示。

图  10  巡检设备回收装置示意图

Figure 10.  Recovery device of intelligence inspection system

固定端安装在机器人收回专用开口处，而收回终端则安装在机器人轨道运行的最末端位置。固定端与收回终端通过柔性线缆或者钢丝绳连接；线缆沿机器人的轨道敷设，与轨道保持固定距离。在固定端有手摇式线缆卷扬装置，而在收回终端则有一收回机构。机器人一旦在任意位置发生故障而无法运行，通过手摇固定端的卷扬装置，使得线缆带动收回机构沿轨道往固定端运行，收回装置一旦碰到抛锚在轨道任意位置的机器人，则推动机器人一起往固定端运行，直至回到收回开口位置，完成机器人的收回。机器人维修完毕后，可通过机器人自主运行，将收回机构带回轨道机器人运行位置的末端，完成回收装置的复位，以备下次使用。

本文提出的智能巡检系统方案设计能实现对设备的热缺陷、合分状态、外观异常的判别；系统设备智能自动化，实时数据及时反映到监控后台，大大提高巡检工作的自动化；系统能满足资产全寿命周期管理要求，在提高设备可靠性和电网安全性、提升输电能力、降低寿命周期内的成本等方面都有着较好的优势，主要解决以下问题。

1)解决了以往人工定期巡检方式带来的耗时、耗力及因为带电间隙需增加户内直流场建筑物尺寸的问题。

2)解决了户内直流场不进人设计以及高电磁场的存在导致运行人员无法定期巡视现场的问题。

3)双套巡视设备互为备用的设计有效避免了单套巡视设备故障导致无法正常巡视的问题。

4)解决了突发故障无法得到有效分析判断控制预防的难题，真正实现了直流场内重要设备的运行温度超过设定温度值时，实时报警，提醒设备监护人员及时采取适当的措施。