楊 俊，黃禮華，張立平

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)中電能傳輸與轉(zhuǎn)換的樞紐，其變電設(shè)備的安全可靠是整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，長期以來國內(nèi)外電網(wǎng)公司均投入大量的人力、物力資源開展站內(nèi)設(shè)備的運維巡檢作業(yè)。

早期的站內(nèi)設(shè)備運維巡檢作業(yè)主要采用人工定期巡檢方式，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大及用戶對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性要求的不斷提高，現(xiàn)有人工定檢方式由于勞動強度大，巡檢質(zhì)量分散，巡檢效率低及容易受惡劣天氣條件干擾等[1]，難以滿足當(dāng)前電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的需求。

近年來，隨著移動機器人導(dǎo)航控制及模式識別等技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，利用機器人替代人工開展變電站設(shè)備智能化運維巡檢作業(yè)已成為當(dāng)前的熱門研究問題之一，國內(nèi)外各電力企業(yè)針對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展了大量的試點應(yīng)用研究，尋求通過智能化作業(yè)手段，進一步提升企業(yè)生產(chǎn)效率、降低勞動成本，提高供電可靠性。

由于當(dāng)前各類機器人巡檢技術(shù)種類較多，且不同的技術(shù)適用場景也有所差異。將機器人巡檢技術(shù)應(yīng)用于變電站時有必要對相關(guān)技術(shù)的適用性進行評估，使得相關(guān)技術(shù)應(yīng)用能更好地匹配站內(nèi)巡檢業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。本文通過對當(dāng)前主流機器人巡檢關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)的對比分析，在充分調(diào)研變電站運維業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，提出相關(guān)技術(shù)能夠承載的業(yè)務(wù)內(nèi)容及其實施方案。

1 變電站巡檢機器人研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，日本率先開展了500 kV變電站有軌巡檢機器人應(yīng)用試點，代替人工實現(xiàn)了設(shè)備溫度紅外自動測量，其后包括中國、加拿大、巴西在內(nèi)的多個國家陸續(xù)開展了相關(guān)技術(shù)研究[2]，極大擴展了巡檢機器人功能并提升了其智能化程度。

我國變電站巡檢機器人相關(guān)技術(shù)研究雖然起步較晚但發(fā)展較快，相關(guān)機器人產(chǎn)品在導(dǎo)航定位、模式識別及智能分析等技術(shù)層面已達(dá)世界先進甚至領(lǐng)先水平，在部分電網(wǎng)公司得到了較為廣泛的應(yīng)用。

經(jīng)過多年的技術(shù)革新和換代，現(xiàn)有變電站巡檢機器人已經(jīng)發(fā)展成為融合移動控制、導(dǎo)航及路徑規(guī)劃、視覺模式識別、多傳感器融合、電磁兼容、無線傳輸控制及自主充電等眾多技術(shù)于一體的智能型系統(tǒng)，利用移動平臺搭載可見光、紅外成像等傳感檢測設(shè)備，可實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備外觀、表計讀數(shù)、開關(guān)位置、紅外測溫等自主檢測識別及順空操作設(shè)備狀態(tài)的自動校核等功能[3]。

2 變電站巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)當(dāng)前機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，變電站巡檢機器人所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括移動機構(gòu)、導(dǎo)航控制、自主充電及無線通信網(wǎng)絡(luò)等。

2.1 機器人移動機構(gòu)

移動機構(gòu)的選擇關(guān)系到運動控制系統(tǒng)的控制策略，是巡檢機器人在變電站路況環(huán)境下高速、高精度穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)[4]。按照機器人越障方式不同，其移動機構(gòu)主要包括以下幾類：輪式、履帶式、固定軌道式、仿生腿式及復(fù)合式等。

1）輪式機構(gòu)

輪式機構(gòu)是日常交通中應(yīng)用最為廣泛的移動機構(gòu)，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、機動靈活、傳動效率較高，但其地形適應(yīng)能力相對較差，越障能力及其運行平穩(wěn)性與驅(qū)動輪半徑大小相關(guān)。

2）履帶式機構(gòu)

履帶式機構(gòu)是工業(yè)機械中較為常用的移動機構(gòu)，具有越障能力強、地面附著能力強、運動平穩(wěn)等優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、體積較大、不易轉(zhuǎn)彎、機動性能相對較差。

3）固定軌道式機構(gòu)

固定軌道式機構(gòu)是利用滑軌實現(xiàn)移動機器人的沿軌道運行，其優(yōu)點在于具有精確的定位控制和多維度移動能力，空間移動范圍廣泛，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，但其運行路徑較為單一，靈活性較差。

4）仿生腿式機構(gòu)

仿生腿式機構(gòu)是近年來較為熱門的研究領(lǐng)域，日本本田、索尼公司及美國波士頓動力公司在仿生腿式機構(gòu)上有著較為前沿的技術(shù)研究，其利用多自由度仿生結(jié)構(gòu)使得機器人的運動靈活性及地形環(huán)境適應(yīng)能力得到極大的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)非結(jié)構(gòu)地形中的自主移動。然而，受現(xiàn)階段技術(shù)水平限制，當(dāng)前仿生腿式機構(gòu)若要實現(xiàn)快速穩(wěn)定移動，仍然面臨很多技術(shù)難題[5]，尚無法實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用推廣。

5）復(fù)合式機構(gòu)

復(fù)合式機構(gòu)通過對輪-履-腿等單一機構(gòu)的融合，能夠充分發(fā)揮各單一移動機構(gòu)的優(yōu)點，實現(xiàn)更強的地形環(huán)境適應(yīng)性和運行控制靈活性，但其移動控制較為復(fù)雜，且實際使用中需要針對不同的應(yīng)用場合設(shè)計不同的復(fù)合模式，其技術(shù)通用性相對較差。

2.2 機器人導(dǎo)航控制技術(shù)

目前應(yīng)用于移動機器人的導(dǎo)航控制技術(shù)有多種，主要包括：視覺導(dǎo)航、激光反射導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、磁軌道導(dǎo)航及SLAM（Simultaneous Local?ization and Mapping）導(dǎo)航等。

1）視覺導(dǎo)航

視覺導(dǎo)航是通過移動攝像機實現(xiàn)視覺圖像的實時監(jiān)視和識別，在關(guān)聯(lián)機器人實際位置的基礎(chǔ)上完成自主導(dǎo)航定位。該方法的優(yōu)點是獲取信息量大[6]，實現(xiàn)成本低，但由于圖像處理計算量大，實時性較差，且容易受到環(huán)境光照、煙霧等因素影響，因此常用于與其它導(dǎo)航技術(shù)的融合。

2）激光反射光導(dǎo)航

激光反射光導(dǎo)航是利用激光掃描周邊環(huán)境，并通過計算反射光的接收時間來推算物體與機器人之間的距離實現(xiàn)導(dǎo)航定位，其優(yōu)點是平行性好、距離分辨率高，但容易受周圍環(huán)境的干擾，測距范圍有限，完全依靠激光實現(xiàn)導(dǎo)航定位比較困難[6]。

3）慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航利用慣性元件（如加速度計、陀螺儀等）來測量運動物體的加速度和運動方向，經(jīng)過積分運算得到速度和位置，其特點是工作過程中不依賴外部信息，但存在誤差累積，需要定期對其累積誤差進行校正。

4）GPS導(dǎo)航

GPS導(dǎo)航是最為常用的導(dǎo)航控制技術(shù)，在機器人導(dǎo)航中，一般采用差分GPS導(dǎo)航，但其定位精度受衛(wèi)星信號影響較大，定位精度相對較低。

5）磁軌道導(dǎo)航

磁軌道導(dǎo)航是早期變電站巡檢機器人應(yīng)用較多的一種導(dǎo)航方式，通過地面預(yù)埋磁條及RFID標(biāo)簽可實現(xiàn)移動機器人的精確導(dǎo)航定位[7]，其優(yōu)點是技術(shù)成熟可靠，定位精度較高，但靈活性較差，移動路徑單一，且后期擴展和維護工作量較大。

6）SLAM導(dǎo)航

SLAM即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)早期主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，近年來逐步在機器人領(lǐng)域得到應(yīng)用。基于激光雷達(dá)的Lidar SLAM技術(shù)具有導(dǎo)航精度高，環(huán)境適應(yīng)能力強等特點，使其在無人駕駛汽車及智能機器人導(dǎo)航定位中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于Lidar雷達(dá)的造價較高，且在使用前需制定精確的電子地圖，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。

2.3 機器人自主充電技術(shù)

變電站巡檢機器人大都采用磷酸鐵鋰電池供電，為滿足巡檢機器人長時間、不間斷工作的供電需求，需要為巡檢機器人設(shè)置一套高效、可靠的自主充電解決方案。目前自主充電技術(shù)主要有接觸式自主充電、光能自主充電及非接觸式自主充電等。

1）接觸式自主充電

接觸式自主充電利用導(dǎo)航定位技術(shù)實現(xiàn)機器人本體及固定接口之間的自動定位和連接，在采用激光定位的情況下，其充電接頭之間的定位精度較高，且具備較高的誤差容忍度。

2）光能自主充電

光能自主充電利用太陽能光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)機器人的自主補能，由于其實現(xiàn)成本低，技術(shù)成熟，在能源行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)前太陽能光電轉(zhuǎn)換效率較低，采光板整體面積較大，難以應(yīng)用于移動機器人自主充電。

3）非接觸式自主充電

非接觸式自主充電是通過無線感應(yīng)方式實現(xiàn)能量的傳輸，從實現(xiàn)原理來看，當(dāng)前主要有電磁感應(yīng)、磁共振、微波無線充電等三種方式。非接觸式充電能有效避免自主式充電的接口磨損及污穢問題，且實現(xiàn)簡單，但當(dāng)前各類非接觸式自主充電功率較小，因此一般應(yīng)用于手機、電動牙刷等小型家領(lǐng)域。

2.4 機器人無線通信網(wǎng)絡(luò)

由于變電站巡檢機器人在進行站內(nèi)作業(yè)時需要時刻與后臺系統(tǒng)進行信息交互，為保障巡檢機器人的正常運行，必須提供高速、穩(wěn)定、可靠的無線通信傳輸通道。根據(jù)當(dāng)前無線通信傳輸技術(shù)的發(fā)展水平，可提供高帶寬的無線通信技術(shù)主要有Wi-Fi、UWB及Li-Fi等。

1）Wi-Fi

Wi-Fi采用802.11協(xié)議，屬于短距離無線載波通信技術(shù)，其優(yōu)點是覆蓋范圍廣、傳輸速率快，可在百米范圍內(nèi)提供11～600 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率[8]，且支持無線橋接和Mesh組網(wǎng)傳輸，但其運行功耗較高。

2）UWB（Ultra Wide Band）

UWB采用無載波通信技術(shù)，其發(fā)射功率較低，具有高量級頻帶寬和極高的通信安全性，可實現(xiàn)10 m范圍480 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率[8]，但其終端支持較少，傳輸距離較短，主要應(yīng)用于移動機器人室內(nèi)定位。

3）Li-Fi（Light Fidelity）

Li-Fi是一種采用光譜而非無線電波作為載體的數(shù)據(jù)傳輸方式，具有綠色環(huán)保、不占用無線電頻帶資源且保密性高等優(yōu)點，可在短距離內(nèi)實現(xiàn)1 000 Mbps以上的傳輸速率[9]，但該技術(shù)當(dāng)前仍然處于研究階段，尚未出現(xiàn)正式應(yīng)用和推廣。

3 站內(nèi)運維巡檢業(yè)務(wù)應(yīng)用需求

站內(nèi)一二次設(shè)備運維檢修業(yè)務(wù)主要包括巡檢、倒閘操作、事故處理等，其中巡檢作業(yè)包括設(shè)備日常巡檢、設(shè)備例行試驗及設(shè)備診斷性試驗3類。對于倒閘操作可通過自動化技術(shù)改造采用電動操作機構(gòu)解決。對于事故處理、設(shè)備例行試驗及設(shè)備診斷性試驗，由于其涉及因素眾多且操作復(fù)雜，需要大量憑借專業(yè)人員相關(guān)經(jīng)驗，現(xiàn)階段智能化作業(yè)手段尚不能滿足操作需求。

對于設(shè)備日常巡檢，根據(jù)《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》要求，需通過看、聽、嗅等方式檢查各設(shè)備外觀、開關(guān)位置、表計讀數(shù)、節(jié)點溫度、聲響及振動、運行環(huán)境等，其巡視周期短，其巡檢項目及要求如表1所示。

表1 變電站主要設(shè)備巡檢項目表Tab.1 Table of the main inspection equipment in substation

從表1可知:站內(nèi)日常巡檢整體技術(shù)要求不高，但由于設(shè)備分布較廣，且數(shù)量眾多，適宜采用智能機器人技術(shù)代替人工完成此部分巡檢作業(yè)。

4 相關(guān)技術(shù)適用性評估

1）機器人移動機構(gòu)適用性評估

仿生腿式結(jié)構(gòu)的相關(guān)驅(qū)動控制及工藝制造技術(shù)現(xiàn)階段尚不成熟，短期內(nèi)無法實現(xiàn)商業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用。

履帶式及復(fù)合式結(jié)構(gòu)雖然具有較強的越障和環(huán)境適應(yīng)能力，但存在傳動效率較低，控制相對復(fù)雜，若要實現(xiàn)連續(xù)越障還需對其履帶結(jié)構(gòu)或復(fù)合模式進度調(diào)整。對于變電站內(nèi)應(yīng)用而言，其室外巡檢通道大部分地勢平坦，而室外至室內(nèi)的巡檢通道擺渡目前依靠履帶式或復(fù)合式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較為困難。

固定軌道式結(jié)構(gòu)因其空間移動范圍廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)設(shè)備的三維立體巡檢，但由于其需要預(yù)先架設(shè)空間軌道，且后期擴展、調(diào)整施工繁瑣，因此適合在室內(nèi)依墻體或天花板布置，可適應(yīng)站內(nèi)二次設(shè)備及屏柜、換流站內(nèi)閥塔等設(shè)備的巡檢作業(yè)需求。

對于輪式結(jié)構(gòu)，雖然其環(huán)境適應(yīng)性相對較差，但其技術(shù)相對成熟，運行靈活，控制簡單，整體實現(xiàn)成本低，通過對巡檢通道進行簡單的改造即可實現(xiàn)全區(qū)域行走，適合對站內(nèi)室外設(shè)備的巡檢作業(yè)。

2）機器人導(dǎo)航控制技術(shù)適用性評估

對于變電站巡檢機器人，由于其需要定點巡檢各設(shè)備開關(guān)表計讀數(shù)，導(dǎo)航定位精度要求較高，因此較為可行的導(dǎo)航技術(shù)有激光反射導(dǎo)航、磁導(dǎo)航及SLAM導(dǎo)航等。激光反射導(dǎo)航雖然測距精度較高，但存在檢測盲區(qū)；磁導(dǎo)航雖然實現(xiàn)成本較低，定位較為精準(zhǔn)，但運行方式不靈活；而基于Lidar SLAM的導(dǎo)航控制技術(shù)由于其定位精度極高、技術(shù)成熟可靠，當(dāng)前高精度激光雷達(dá)已能達(dá)到厘米級定位精度，能夠適應(yīng)變電站巡檢應(yīng)用需求。

3）機器人自主充電技術(shù)適用性評估

對于變電站巡檢機器人，由于其體積受限，充電功率要求較大，因此光能及非接觸自主充電技術(shù)均無法滿足站內(nèi)巡檢機器人的應(yīng)用需求。而當(dāng)前基于激光導(dǎo)航的接觸式自主充電技術(shù)發(fā)展應(yīng)用較為成熟，充電功率大，且采用鈦合金材料的接頭基本避免了因接頭污穢導(dǎo)致的充電失敗問題，能夠滿足變電站巡檢機器人對充電環(huán)境、性能的技術(shù)要求。

4）機器人無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用性評估

由于高清圖像數(shù)據(jù)傳輸對無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求較高，當(dāng)前 Wi-Fi、UWB、Li-Fi均能提供 10 Mbps以上的傳輸帶寬。但是由于UWB傳輸距離較近，若要實現(xiàn)變電站全區(qū)域覆蓋需要布置較多的中繼節(jié)點，而Li-Fi技術(shù)則由于技術(shù)發(fā)展尚不成熟，其傳輸距離和實現(xiàn)方案仍有待完善。Wi-Fi技術(shù)由于其發(fā)展較為成熟，終端支持豐富，傳輸速率較高、信號覆蓋面廣，且對于變電站內(nèi)而言設(shè)備的電源供應(yīng)充裕，能很好地彌補Wi-Fi技術(shù)高功耗的缺點，較為適合作為站內(nèi)巡檢機器人的無線通信傳輸?shù)男枨蟆?/p>

5 機器人巡檢技術(shù)應(yīng)用方案

根據(jù)上述巡檢機器人關(guān)鍵技術(shù)及其適用性評估，結(jié)合變電站日常巡檢應(yīng)用需求，現(xiàn)階段可采用輪式、固定軌道移動機構(gòu)、Lidar SLAM導(dǎo)航、接觸式自主充電及Wi-Fi無線通信傳輸?shù)燃夹g(shù)實現(xiàn)變電站巡檢機器人的應(yīng)用，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站巡檢機器人系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Substation inspection robot system architecture diagram

1）對于變電站內(nèi)各室外一次設(shè)備，可以發(fā)揮輪式機構(gòu)的靈活性優(yōu)勢，設(shè)置各一次設(shè)備專用機器人巡檢通道，并通過機器人搭載紅外、可見光、感煙器、拾音器等傳感器設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備運行溫度、外觀、表計讀數(shù)、噪聲分析等智能化巡檢作業(yè)。

2）對于換流站內(nèi)各一次設(shè)備，其交流場部分可沿用變電站內(nèi)配置方案，其直流換流閥廳，由于設(shè)備布置及日常巡檢位置較高，適宜采用固定軌道機器人開展智能巡檢，通過閥廳墻壁，能方便地實現(xiàn)固定軌道敷設(shè)，且不影響現(xiàn)有其它業(yè)務(wù)的正常開展。對于閥廳內(nèi)固定軌道巡檢機器人無法到達(dá)的巡視盲區(qū)可采用固定攝像頭及固定紅外傳感器等進行補充覆蓋。

3）對于變電站/換流站內(nèi)各室內(nèi)二次設(shè)備，可采用天花板吊頂固定滑道，并配置可伸縮式紅外及可見光傳感器，實現(xiàn)各設(shè)備屏柜的定點測溫，液晶屏參數(shù)、裝置壓板投退狀態(tài)及表計識別等功能。

為保障上述巡檢機器人應(yīng)用方案的正常開展，各站需要結(jié)合自身實際情況對相關(guān)外部環(huán)境進行適應(yīng)性改造。對于室外一次設(shè)備巡檢，需要建立滾輪移動機器人行走通道，消除通道上的高差及各類障礙，并通過增加反光鏡或固定檢測裝置等手段消除機器人巡視盲區(qū)；對于各類端子箱或二次設(shè)備屏柜，若需實現(xiàn)屏內(nèi)接線端子的紅外測溫，則需要改造現(xiàn)有開關(guān)門方式，將其改為自動電控模式。

6 結(jié)語

目前，變電站巡檢機器人已經(jīng)在國內(nèi)各電網(wǎng)公司中得到了一定的應(yīng)用，從整體情況來看，利用智能機器人能夠有效代替人工完成站內(nèi)一二次設(shè)備的日常巡檢，且其巡檢效率高，具有較好的經(jīng)濟效益。但是從整體來看，當(dāng)前巡檢機器人智能化程度仍顯不足，模式識別算法及綜合診斷分析能力仍有待提高。另一方面，早期的變電站設(shè)備均按傳統(tǒng)模式布置，未考慮機器人巡檢的應(yīng)用需求，因此后期在設(shè)備選型及布置上也需要進行重點研究。

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