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变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用

2023-11-22 164 上传者：管理员

摘要：变电站巡检是保障电力设备安全运行的有效措施，对于无人值守和偏远变电站，在高温及恶劣天气需要进行重点巡检时，将面临人员不足，无法快速覆盖等难题。面对以上困难，分析了变电站巡检机器人全天候作业的需求，提出全天候作业巡检的关键技术，研究了巡检机器人的应急作业模式和联合巡检策略。新型机器人在越野越障、全天候作业等方面具有独特的优势，具有很好的推广应用价值。

关键词：
全天候
变电站
巡检
机器人
电网
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随着中国城市建设和社会经济的不断发展，用电负荷逐年攀升，电网整体架构日趋庞大复杂，变电设备的电压等级、数量和规模也不断扩大，然而居民和企业对用电的可靠性和稳定性要求越来越高。为保障变电站的平稳运行，需要定期对变电站进行巡检[1]，尤其体现在高温、台风、暴雨等极端天气下，通过对电力设备的定期巡检，有效地提高电力设备的维护效率和运行效率，减少设备故障的发生。电力设备超负荷或故障时可以及时发现电力设备的故障和隐患，采取正确的措施进行维修和保养，保障电力设备的安全性和可靠性。同时，电力服务巡检还可以通过监测电力设备的运行状态，提高设备的运行效率，降低能耗和维护成本。

电力巡检作为实时监测和检查电力设备健康状态的重要手段，已经成为电力公司运维人员的主要任务。以一个500kV变电站为例，其需要巡检的点位超过一万点，人工巡检方式通常受到巡检人员自身多种因素的影响，巡检效率低[2]，出错率高。当前运维管理模式与设备快速增长的矛盾日益凸显，存在设备监控强度不足，运维管理细度不足，支撑保障能力不足等问题，全站巡检的周期长，无法快速发现故障。同时对于偏远变电站和无人值守站，其巡检的人员缺口更大，智能化、无人化的巡检需求迫切。

图1 巡检机器人的整体架构

1、变电站巡检机器人应用

随着人工智能、大数据、视觉识别、信息安全技术的发展，使机器人快速进入到人民的生产生活中，电网的快速发展对变电设备管理提出提质增效新要求。智能化技术的发展对电力巡检产生了巨大的促进作用，智能化表计、视频终端、在线监测技术的发展一定程度上替代了人工巡检的内容，但还未能实现站内巡检点的全覆盖，而移动机器人的普及，为电力巡检提供了新的智能化手段，也促进了电力巡检机器人在电力行业的发展。

从机器人的分类上来说，分为工业机器人、服务机器人和特种机器人，变电站巡检机器人属于特种机器人，其应用场景、功能需求、使用方式方面均具有特殊性。当前变电站巡检机器人主要是轮式机器人，架构如图1所示。

经过多年的发展和应用融合，变电站轮式机器人已实现在众多变电站的部署和应用，有效提升了对变电站设备的监视强度，在红外测温、表计抄录等方面作用明显，已实现部分人工巡视工作的机器替代，可以部分解决运维人员繁杂的抄表和巡检作业内容。但在机器人实用化过程中不断暴露出诸多问题，主要体现在定位不准确、导航迷失、组件故障率高和软件稳定性差等问题，现场运维人员对机器人功能的完善和升级也有较大的期待。

除解决当前存在的稳定性不足等问题的同时，希望增加相应功能，以进一步提升机器人现场实际使用效能。功能一，具备越野越障功能，增加越野、爬楼梯等功能，扩大使用范围，提高巡检替代率和实用化水平；功能二，具备语音交互功能，机器人与运维人员巡视指令语音交互，机器人遇到故障语音求助自动拨打电话求助，遇行人挡道语音提示避让等功能；功能三，远程运维功能，地图自主扫描增加功能、巡检点位运维人员自定义功能，对于部分点位扩展、属性修订等工作，可有效提升工作效率；功能四，完善管理系统功能。巡检发现缺陷自动生成内容填报，增加数据横向、纵向比对和趋势分析功能等高级应用。故障联动检查，与监控系统、摄像头等其他辅控系统联动，收到异常告警，自主开展特巡并反馈结果。

2、行业机器人应用调研

随着相关行业新技术的发展，结合变电站机器人的应用情况分析，变电站巡检机器人需快速进化提升，引入相关新技术实现更新迭代，满足运维人员解决问题和满足新功能的需求，探索解决问题的新技术线路。重点针对大狗机器人、大疆无人机、送餐及送快递机器人、扫地机器人4个智能化应用较好的行业进行深入调研，对其应用现状、技术路线、技术成熟度与电力巡检机器人的结合等情况进行分析，提出了可应用于电力巡检机器人的技术点，详细内容如下：

1）四足机器人

美国、日本等国对四足机器人进行了多年的研究。自20世纪90年代起，由于电子计算机技术和仿生学技术的飞速发展，四足机器人也进入了高速发展阶段[3]。典型代表是美国波士顿动力在2015年和2017年分别推出了Spot和完全电机驱动的四足机器人。国内宇树、云深处等在系统开发、步态规划和动态平衡控制、自主感知与规划导航等核心技术方面实现突破。经过对比分析，不同于现变电站通用的轮式机器人，四足机器人有以下优势：机动性优越，四足机器人的复杂地形通过性高，巡视角度更灵活更多元化，可弥补对当前轮式及轨道式机器人在巡检过程中存在的业务短板；仿生通过能力强，四足机器人较好的仿生式通过能力，可应用于配电室、管廊、室电变电站等环境下的设备或线路缺陷及异常巡检，降低综合应用成本。但四足机器人由于还未在变电站巡检中大规模应用，其电池续航能力、红外测温的定位精度方面还需进一步提升。

2）大疆无人机

无人机不仅作为飞行平台满足工作的需求，还被应用在植保、电力巡检、应急灾害救援以及航拍等领域[4]。无人机产品整机分为五大模块，其中最核心的技术包括RTK定位导航、AR投射、三维点云、视觉避障、自稳控制等。考虑到应用场景不同等因素，可引入变电站巡检机器人的技术包括：自主充电、电池更换技术，一线运维人员对机器人的巡检效率要求高，在机器人小室内置电池，自动完成机器人电池更换（或充电），并自动将换下的电池充电，确保机器人能进行高频次、密集型作业；结合卫星RTK的定位导航技术，RTK技术可以在很短的时间内获得厘米级的定位精度，应用在巡检机器人上，可以使机器人具备更加灵敏的定位准度，方便开展精细化作业；无人机灵活挂载更换技术，将巡检机器人各检测部件解耦，进行模块化细分，类比无人机的多种专业性挂载更换技术，从而使机器人具备更加灵活可控的场景适应能力，利于一线巡检工作的开展。

3）送餐及送快递机器人

在餐饮行业中，企业普遍刮起一阵“送餐机器人”风，中国送餐机器人近年来开启了爆发式增长模式[5]。经过分析比较，送餐机器人及送快递机器人相关技术在民用市场已经规模化，产业链整合程度高，考虑到应用场景不同等因素，可考虑引入变电站机器人方面包括：人机交互、语音交互对话能力，一线运维人员对机器人的人机交互、语音交互能力需求迫切，包括后台唤醒机器人，机器人故障呼救，阻碍告警播报等方面，引入方式是在检测单元集成；在线一键更新系统，一方面人员缺口量大，另一方面运维设备的数量越来越多，对于新功能、新需求或小缺陷，通过发布新程序至硬件管理系统，实现运维人员自主更新、一键更新；灵活避障、行走意图可视化，电力巡检机器人避障及行走意图方面可借鉴送餐、快递机器人的技术路线实现灵活的避障，从而快速选择最佳路径通过，让人机通行更顺畅。

4）扫地机器人

目前国内扫地机器人年零售量已超过650万台，多年来的技术创新、应用技术的降本提效是驱动扫地机器人行业发展的重要原因，也让人们可以更好地体验到家庭的智能化，给消费者带来安全、健康、舒适、便捷的生活[6]。经过分析比较，扫地机器人相关以下技术，可考虑引入变电站机器人：视觉SLAM，视觉SLAM可作为部分区域的辅助定位，弥补环境变化较大引起的激光定位不稳定问题；AI视觉避障技术，AI视觉避障可以识别激光传感器无法区分的杂草实现避障，同时实现特殊环境下避障情况，例如细小铁丝网等；“集中调度”多机协作：巡检机器人可与摄像头、无人机相互配合实现多机协作，利用机器人巡检时间长、运动灵活的特点，紧急情况下调用巡检机器人实现高温紧急告警、火警等紧急情况的现场实时监控。

3、全天候作业巡检关键技术

根据多行业的调研和技术分析，选取适合引入的技术点形成全天候作业巡检的关键技术，具体体现在系统集成、动力运动控制、检测设备、移动平台、安全网络接入和应急作业模式6个方面，详情如下：

1）系统集成

依据机器人相关技术发展脉络，借鉴先进技术，为满足变电站等工业场景的可靠巡检，巡检机器人系统集成依然围绕三维地图构建、定位与导航、感知与控制和业务执行等几个核心要素展开，提升防护等级至IP66，改进整机高低温宽温（-40℃～55℃）可靠运行，使增量机器人成为功能可弹性的工业机器人。

例如变电站扩建改造，大场景不变，但局部场景因改扩建或检修等原因发生变化，就对三维动态建图的能力提出了要求。在业务层面，运维人员随着对机器人系统应用的深入，也会在部署后逐步明确一些新的需求或功能变化，这也就要求机器人系统的功能应是弹性的，易于升级扩展。系统集成方面关键技术主要包括对系统巡检模式、快速部署模式、主站后台系统标准化、硬件集成原则以及云边协同模式等方面，作为全天候作业巡检的关键技术，以使得增量机器人系统环境自适应更强，更易维护，易于功能升级扩展，满足变电站更多的“单轨制”工作替代，大幅提升巡检效率和巡检效果。

2）动力、运动控制

定位导航可靠性方面，融合采用RTK+3D激光+IMU+里程计等多感知传感器设备，减少不同环境因素、不同传感器失效对定位导航的干扰，提高定位导航技术可靠性；通过动态激光SLAM高精度三维建图，实现对原有导航地图的自动更新，地图精准，在导航行进中能对障碍物距离高精度量测，增加机器人绕避障的容错距离，通过优化算法及高效自主路径规划，重新寻找合适路径，提升巡检运动控制智能化；通过将GNSS、RTK、GPS、IMU、里程计等定位方式有机融合，以及站内视频摄像头对机器人的无源辅助定位等方式，实现更可靠的智能重定位方案。

电池健康管理提升。通过电池健康管理系统（BMS），获取电池底层数据，通过对底层数据的分析衍生出对机器人电池的数据监控，电池健康集中监控，寿命节点评估等方式，实现电池安全充放电管理和减少续航衰减。通过灵活选用磷酸铁锂电池与三元锂电池，在高温季节地区为电池增设风扇、散热贴片等结构，低温季节地区则需要考虑增设加温片，保证电池续航。通过更换2D/3D激光方式，辅以精确可靠的融合导航定位，实现可靠充电。

图2 系统集成

3）检测设备

检测设备接口标准化。通过采用将检测功能模块化设计，检测设备分类接口标准化。将可见光摄像机（含补光）、红外热像仪、双向对讲组件、云台等进行一体化设计，形成云台检测组件；将局放检测、气体检测等设计形成具有标准安装和电气接口的功能模块。云台检测组件可快速与机器人本体之间组装联接，其它功能模块可快速扩展、更换，提高不同场景的功能扩展能力。检测设备SDK接口标准化，通过二次封装各厂家SDK，转换为标准的输入输出接口，将检测功能与SDK解耦，实现检测设备在软件上的可扩展性和替代性。

完善局部放电和声音采集功能。实现采用非接触式超声和特高频两种检测方式，降低对机器人运动定位的要求，减少环境干扰的影响，提高检测信号的有效性。综合局放、声音和测温数据的处理分析，通过对数据的多维对比分析，建立并积累采集信号数据库，并进行标定训练及模型优化，形成采集数据与设备健康状态之间的对应关系，达到自动对监测对象进行智能健康检测和智能异常诊断目的。

4）移动平台

四足机器人提升。通过四足机器人前后深度相机的视觉点云信息实现自适应切换步态，结合视觉算法，自主识别地形中障碍物的高度信息，并将相应的指令发送到控制主机，从而自主切换四足机器人运动步态。在四足机器人移动过程中，不经过人工干预和提前预设，自主切换步态和稳定运行。通过在四足机器人上方增设全景相机，使用图像拼接技术，将机器人全方位的图像进行拼接，实现360°全向避障，可将全景图像推送到手动控制和远程监控界面。在手动控制器和远程界面，可直观清晰地感知周边环境信息，视频流清晰且延迟低。

图3 多传感器融合方案

图4 四足移动平台

5）安全网络接入

安全高效的网络接入提升。通过研发无线局域网产品满足WAPI的标准，采用WAPI标准所采用的各项密码技术。可在电力的生产网中采用WLAN网络通信方式，部署相应的安全措施。建议采用WAPI标准，通过对无线终端接入WLAN网络认证、国密SMS4算法以及双向证书认证，实现安全通讯。

6）应急作业模式

机器人应具备全站任意目标巡检，可支持任意巡检策略，即机器人应能根据巡检需求制定不同巡检内容、巡检周期，并能进行变电站全域任意可达。如指定查看站内某一位置消防器材是否有移动，同样能以最优路线到达，协助查看。巡检目标可任意设置，不局限于事先设定的巡检点位；巡检识别满足典型缺陷的同时，也能任意配置不同能力，实现非特定模式缺陷识别。

图5 wapi安全网络架构

4、结论与展望

根据以上关键技术，可解决现有轮式机器人面临的各种问题，同时满足运维人员对于新功能的需求，形成新型巡检机器人技术方案，并开展技术研究和应用落地。后续结合无人机实现空天一体的协同巡视，地面智能机器人定位准确、适应性强、低空覆盖面广，负责变电站内近地设备巡检数据采集；无人机在高空视野广、灵活性强，对于变电站内机器人无法巡检的区域能够做到多维度、无死角观测。通过机器人+无人机一体化巡视布局，实现对巡检数据全面采集，运行状态全面感知，巡视一体化贯穿及巡视的全过程汇聚。机器人和无人机优势互补，一体化巡视保证了变电站日常巡视、夜间巡视、详细巡视、专业巡视及动态巡视的有效执行，进一步提升了巡检工作质效，有效保障了变电站设备安全稳定运行。

参考文献:

[1]沈贵军,陈建凯,李伟.智能巡检机器人在变电站中的应用研究[J].智慧中国,2023(02):59-61.

[2]汪喆.智能巡检机器人关键技术与应用方案[J].城市轨道交通研究,2023:102-105.

[3]苏军.多足步行机器人步态规划及控制的研究[D].武汉:华中科技大学,2004.

[4]张枥允.浅析大疆无人机面临的机遇和挑战[J].全国流通经济,2019(19):125-127.

[5]苏业环,任军.智能送餐机器人设计[J].科技创新与应用,2018(07):32-34.

[6]王臣炜,韩桂明,吕金华,等.智能扫地机器人[J].电子质量,2022(06):72-74,82.

文章来源:李忠柱,曾令超,石志鹏等.变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用[J].仪器仪表用户,2023,30(12):23-27.