电力网络自动巡检机器人路径规划方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.29MB 53 页 15积分

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摘要

目前大面积停电现象的不断发生充分暴露了电力系统的脆弱性，为了保证电

力系统的稳定性，电力网络巡检系统作为电力系统故障排查的组成部分变得更加

重要。通过对自动巡检机器人最优路径的不断深入研究，从而达到提高效率，及

时作出故障预检具有重要的现实意义。

本文在仔细分析问题条件和要求的基础上，运用了运筹学、图论等方面的知

识和技巧，建立了一个具有约束条件的路径选择问题(RCP)递推模型。根据该模型，

本文提出了一种启发式规划调度算法。该算法全面考虑了影响电力网络巡检系统

运行成本的各个因素，全面优化了自动巡检机器人所走路径的规划和调度问题。

在解决问题之前，我们明确了解决此模型求解的两个重要影响因素：第一、

找到影响电力系统检测运行成本的主要因素：所需自动巡检机器人的数量及其遍

历路径。也就是要，根据这些因素对效益的影响程度来确定我们考虑这些因素的

优先级别，从而使得他们对运营成本的影响最小。第二、问题的解决必须满足巡

检机器人的检测流程及时限规定。

我们的方案就是根据上面提到的影响因素进行求解：首先，不考虑时间等约

束条件，我们使用TSP算法求出整个区域的最佳路径序列，根据此序列和约束条件

来确定所需自动巡检机器人的数量（由Matlab编程实现）；其次，根据装置的数量，

通过启发式算法找到所经过结点的组合以及TSP回路序列；最后，考虑时间等限制

条件对所求路径加以验证和优化。全部计算机编程实现，进行结果优化，并对试

验结果进行验证。

本模型有以下优点：

(1)它相当成功地解决了提出的问题,并能够迅速地求出一组相当优化的解。

(2)本模型具有实际的意义，能针对不同情况，得到令人满意的结果。

(3)在模型求解过程中,运用了大量的优化思想和数学技巧，相当好地解决了多

约束条件下的路径问题。

关键词：最佳路径电力网络调度算法

ABSTRACT

The phenomenon of large-scale power outages continue to occur fully exposed the

vulnerability of power systems, in order to ensure the stability of power systems and

power networks, power system fault inspection system as a part of the investigation

process is very important. Using automatic inspection robot to achieve efficiency and

make timely pre-screening through the optimal path has important practical

significance.

In this paper, a path selection problem (RCP) recursive model with binding

condition is established, based on a careful analysis on the special conditions and

requirements, by using the operations research, graph theory and related skills.

According to the model, this paper presents a heuristic algorithm for planning and

scheduling problem. The algorithm is fully taken into account the affect of the cost of

network operation in various conditions, which fully optimize the path of the

Auto-inspection robots moving in the scheduling problem.

To solve the problem, we consider this model explicitly with two important factors:

First, find the main factors that impact the operating cost of Power networks: the

number of auto-inspection robots and the traversal path. After that, we consider the

priority level of these factors through the analysis of the influence on effectiveness.

Secondly, the issue should be resolved to meet the auto-inspection robots detection

processes and time limits.

Our heuristic algorithm for planning and scheduling is on the basis of the

above-mentioned factors: firstly, without regard to time constraints, we use the TSP

algorithms to calculate the best path to sequence the entire region, according to this

sequence and constraints to determine the required number of auto-inspection robots (by

Matlab programming); Secondly, according to the number of auto-inspection robots, to

find auto-inspection robots through a combination of nodes through the heuristic

algorithm, as well as TSP-loop sequence; Lastly, given the time constraints on the path

of seeking to validate and optimize the path. All the results of optimization are carried

out by computer programming.

This model has the following advantages:

(1) It has been quite successful in resolving the issues raised, and can quickly find a

optimized solution.

(2) This model has practical meaning; it can get satisfactory results under different

situations.

(3) In the solving process, a large number of optimization and mathematical

thinking skills are used, and a very good solution to a multi- robots routing problem

with constraints is obtained.

Key Word：Best path，Network Maintenance，scheduling algorithm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

§1.1 背景分析.........................................................................................................1

§1.2 电力网络中的设备构成.................................................................................1

§1.3 电力网络中应用的自动检测设备.................................................................2

§1.4 电力网络的拓扑结构.....................................................................................2

§1.4.1 物理拓扑.............................................................................................2

§1.4.2 电力系统网络中的拓扑.....................................................................3

§1.5 机器人路径规划发展历程.............................................................................3

§1.6 机器人的路径规划.........................................................................................4

§1.7 本文的主要工作及内容安排.........................................................................5

第二章网络中几种常用移动机器人的路径规划算法.................................................7

§2.1 网络中的路由算法.........................................................................................7

§2.2 几种经典的移动机器人的路径规划算法.....................................................7

§2.2.1 FAR（Fixed Alternate Routing）算法即固定备用路由算法 .......... 7

§2.2.2 蚁群算法及其改进算法.....................................................................8

§2.2.3 遗传算法.............................................................................................9

§2.2.4 基于神经网络的路径规划...............................................................10

§2.2.5 模拟退火算法...................................................................................10

第三章电力网络中路径模型及启发式算法...............................................................12

§3.1 问题描述及分析...........................................................................................12

§3.1.1 假设条件...........................................................................................14

§3.1.2 变量及符号说明...............................................................................14

§3.2 问题分析和模型建立...................................................................................15

§3.2.1 基本模型的建立...............................................................................15

§3.2.2 分组问题的数学模型和算法描述...................................................16

§3.2.3 不完全图 G的最短遍历路径求解..................................................16

§3.2.4 主要程序段.......................................................................................17

§3.3 小结...............................................................................................................19

第四章实例仿真...........................................................................................................20

§4.1 实例描述及分析...........................................................................................20

§4.2 问题 1 ............................................................................................................21

§4.2.1 问题提出...........................................................................................21

§4.2.2 问题分析...........................................................................................22

§4.2.3 模型建立与求解...............................................................................22

§4.3 问题 2的解答...............................................................................................40

§4.3.1 问题重述...........................................................................................40

§4.3.2 解题思路...........................................................................................40

§4.4 问题 3 ............................................................................................................42

第五章讨论...................................................................................................................44

附录 I..............................................................................................................................45

参考文献.........................................................................................................................47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................51

致谢.................................................................................................................................52

第一章绪论

§1.1 背景分析

电力是重要的基础设施，在经济发展中具有举足轻重的战略作用。同时，电

力资源也是我国的重要能源，对于维持我国经济的快速发展和改善人民生活具有

重要的保障作用。近年来，尤其是在进入新世纪以来，我国的电力网络有了突飞

猛进的发展，电网基础建设投入加大，各种电力设备日新月异。在获得骄人业绩

的同时，电力网络的不稳定性也日益显现。在我国局部地区，尤其是东部经济发

达地区电力供需极不平衡，断电现象屡屡发生，给人民生活和国家财产造成重大

损失，电力供给远远，严重地制约了经济的发展。为此，电力网络系统的安全性

和可靠性受到了来自国家和社会越来越多的关注。

按照我国的实际国情，在充分考虑环境、经济、企业成本之见的关系的基础

上，对电力网络系统检测规划进行准确分析和理论研究，是对我国电力系统可靠

性和稳定性的保障，对电力系统合理的长远发展具有重要的现实意义。

路径规划问题是移动机器人研究领域的重要内容。对已知静态环境中机器人

路径规划的研究已经进行了将近 40 年，路径规划问题的研究有很大的价值。多年

的研究工作在取得进展的同时，愈加证明了路径规划是一个复杂的难题。路径规

划算法的计算量取决于任务、环境的复杂性以及对规划路径质量的要求，一个好

的路径规划算法应该兼顾对规划速度和路径质量的期望。随着研究的深入，各种

新的路径规划方法层出不穷，使路径规划研究一直活跃在机器人学领域。

§1.2 电力网络中的设备构成

电力系统通常是由发电厂、变电所、输电网、配电网和终端设备（家用电器）

等组成，并由控制中心对系统进行统一管理。也就是说，电力网络是由发电机、

输电线路、变压器、用电设备组成的系统，它包括了通过电的方式连接在系统中

的所有设备的集合。

在电力网络系统中，通常把发电、变电、配电、输送点的设备称为一次设备，

而那些监督，保护、测量和控制一次设备的设备称之为二次设备。一次设备通常

包括：

生产和变电的设备：电动机、变压器、发电机。

防御过电压或限制短路电流的设备：避雷器、电抗器。

断通电路的开关设备：闸刀、断路器、熔断器等。

电力网络自动巡检机器人路径规划方法研究

导体：架空线路、母线、电缆。

仪用互感器：电压、电流互感器。

补偿装置：并联电抗器、电容器、调相器，静止补偿器。

接地装置

二次设备包括：位置信号，测量表计，直流电压，短路开关，警报音响等等。

§1.3 电力网络中应用的自动检测设备

自动检测设备是指具有自动检测自身故障、自动控制、自动测量、自动调节与

远方控制中心通信功能的检测设备[1]。不同的设备其自动化的程度也不相同，设备

检测的侧重点也不尽相同，有的设备侧重于自身故障的自检功能，如各种断路器

的在线检测技术；有的设备侧重于自动控制功能，比如高压短路断路瞬时开关功

能，这些都是现阶段检测设备所实现的智能性的功能[2]。

我国目前对自动检测仪器的研究范围也很广，设备在线监测的功能已经能基本

实现自动化[3]，这为我国实现无人自动检测提供了有利的保障。

§1.4 电力网络的拓扑结构

拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小，形状无关的点，与线之间关系的方法。

网络的拓扑结构通俗的说法就是网络的形状，是指在网络中各个点相互连接的方

式。

§1.4.1 物理拓扑

所谓的网络物理拓扑就是指网络中的计算机和通信设备都抽象为一个点，把传

输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形反映了各个点之间的关系[4]。网络

的物理拓扑结构反映出网中各实体的结构关系，研究好拓扑结构对网络的性能，

系统的可靠性与稳定性都有重大意义。

物理拓扑的方式也多样化。目前，网络物理拓扑主要有以下五种类型：链形、

星形、树形、环形和网孔形。分别如图所示。

（a）链形（b）星形（c）环形

线

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摘要：

摘要目前大面积停电现象的不断发生充分暴露了电力系统的脆弱性，为了保证电力系统的稳定性，电力网络巡检系统作为电力系统故障排查的组成部分变得更加重要。通过对自动巡检机器人最优路径的不断深入研究，从而达到提高效率，及时作出故障预检具有重要的现实意义。本文在仔细分析问题条件和要求的基础上，运用了运筹学、图论等方面的知识和技巧，建立了一个具有约束条件的路径选择问题(RCP)递推模型。根据该模型，本文提出了一种启发式规划调度算法。该算法全面考虑了影响电力网络巡检系统运行成本的各个因素，全面优化了自动巡检机器人所走路径的规划和调度问题。在解决问题之前，我们明确了解决此模型求解的两个重要影响因素：第一、找到影...

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