梁永強

（國網(wǎng)冀北秦皇島供電公司，河北 秦皇島 066000）

0 引言

變電站作為電網(wǎng)的核心組成部分，其安全穩(wěn)定運行關(guān)系到電網(wǎng)對全社會的可靠供電。隨著特高壓變電站及無人值守變電站數(shù)量的增多，現(xiàn)有的運維人員要保質(zhì)保量完成對所轄變電站的人工巡視已日趨困難。近年來，隨著國家電網(wǎng)公司的大力推廣，智能巡檢機器人在變電站中的應(yīng)用日益增多，其主要作用是替代人工完成無人值守變電站的日常巡視，實現(xiàn)測溫、讀取表計數(shù)據(jù)、攝像、智能分析、缺陷管理、開關(guān)狀態(tài)判別等功能［1］。相比于傳統(tǒng)的人工巡視，憑借其靈活的控制運行方式、不受天氣因素影響等優(yōu)點，智能巡檢機器人正在電網(wǎng)快速發(fā)展中發(fā)揮著越來越多、越來越大的作用。

在綜合分析當(dāng)前智能巡檢機器人應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程應(yīng)用案例，驗證了其功能的可靠性、優(yōu)越性，探討了其存在的問題，提出了對應(yīng)的優(yōu)化解決策略。

1 巡檢機器人簡介

智能巡檢機器人是一種基于可移動感知執(zhí)行平臺，搭載多種傳感器，用于特定設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、操作及行業(yè)業(yè)務(wù)處理等定制服務(wù)的可編程多功能操作機。智能巡檢機器人類型主要有變電站巡檢機器人、廊道巡檢機器人、開關(guān)室巡檢機器人等，其適用范圍覆蓋發(fā)電、輸電、變電、用電等各電力相關(guān)環(huán)節(jié)，應(yīng)用領(lǐng)域包括發(fā)電廠升壓站、輸電廊道、電網(wǎng)變電所、企業(yè)變電站、冶金整流室及解壓槽等［2］。

變電站智能巡檢機器人可以替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險和重復(fù)性的工作?，F(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于工程實際的變電站巡檢機器人主要基于無軌化導(dǎo)航技術(shù)和四驅(qū)底盤，并集安全防護(hù)單元、底盤及驅(qū)動單元、供電單元、主控單元、通訊單元、導(dǎo)航單元、拾音對講單元等模塊于一體。巡檢機器人具備無軌化、可調(diào)配、智能化、集群化、耐高寒與高溫、運行時間長的優(yōu)勢，可以自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中替代人工執(zhí)行巡檢任務(wù)，實現(xiàn)例行巡檢、定點巡檢、遙控巡檢、高清可見光與紅外實時視頻監(jiān)控、變壓器和電抗器噪聲監(jiān)測、SF6泄露檢測、紅外測溫與故障報警、可見光圖像智能判別、巡檢報表分析與歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

巡檢機器人主體一般由激光傳感器、云臺，高清攝像頭、紅外熱像儀、超聲傳感器、控制機箱、安全停障模塊、底盤模塊等核心設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成。幾乎所有的智能巡檢機器人都配備四輪獨立驅(qū)動的底盤，以便實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎等功能，具備較強的路況適應(yīng)能力，在特殊復(fù)雜環(huán)境中也能實現(xiàn)無死角檢測。激光傳感器用于機器人掃描周圍環(huán)境，實現(xiàn)機器人的定位。云臺用于控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度［3］?？梢姽鈹z像儀可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地拍攝被巡視或檢測設(shè)備圖像或視頻。紅外熱像儀則可獲取設(shè)備精確的紅外熱像圖，用于提前發(fā)現(xiàn)異常情況，避免故障擴大和加重。超聲傳感器可實現(xiàn)對高位以及低矮障礙物的識別［4］，遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離碰撞停障感應(yīng)裝置，用于確保機器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到傷害。自主充電裝置用于機器人自主充電，可實現(xiàn)出庫巡檢，進(jìn)庫充電全程無需人工參與。基于本地監(jiān)控平臺通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與微氣象站的數(shù)據(jù)交互，實時獲取變電站戶外環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)速及降水等信息，通過系統(tǒng)針對不同天氣環(huán)境對巡檢機器人的外部輔助硬件進(jìn)行配置，提高巡檢機器人的任務(wù)適應(yīng)性能。

2 變電站巡檢機器人應(yīng)用現(xiàn)狀

從國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院 （以下簡稱“山東電科院”）和山東魯能智能技術(shù)有限公司1999年最早開始研究變電站巡檢機器人到2004年第一臺功能樣機實現(xiàn)［5］，國內(nèi)巡檢機器人開始了艱難的起步階段，此后十余年間，巡檢機器人從技術(shù)到應(yīng)用，得到了迅猛的發(fā)展?，F(xiàn)在，國內(nèi)應(yīng)用的變電站巡檢機器人主要有無軌機器人和有軌機器人兩種類型，其中無軌機器人占據(jù)應(yīng)用總量的一半以上，主要用于室外。山東電科院和山東魯能智能技術(shù)有限公司自主研發(fā)的變電站智能機器人巡檢系統(tǒng)在1 000 kV電壓等級變電站實現(xiàn)了穩(wěn)定運行，解決了續(xù)航問題對超大規(guī)模變電站巡視的制約、特高壓下惡劣的電磁環(huán)境對機器人通信的影響等關(guān)鍵技術(shù)問題。中科院沈陽自動化研究所研制的軌道式變電站巡檢機器人，實現(xiàn)了冬季下雪、冰掛等情況下的全天候巡檢，彌補了基于四驅(qū)底盤的無軌機器人無法在冰雪天氣正常運行的巡視情況［2］。國網(wǎng)寧夏電力公司聯(lián)合研發(fā)的戶內(nèi)多維軌道式電力智能巡檢機器人，解決了變電站設(shè)備立體化空間不規(guī)則布局限制和強電磁干擾環(huán)境下的巡檢技術(shù)難題［6］。變電站巡檢機器人已在山東、河南、江蘇等9個省近百座變電站及5座換流站推廣應(yīng)用。

3 巡檢機器人在實際應(yīng)用中的不足

3.1 表計數(shù)據(jù)讀取

圖1 表計污穢

圖2 對焦失敗

巡檢機器人都裝備有可變焦的高清攝像頭，按照設(shè)計設(shè)想，其在表計數(shù)據(jù)讀取過程中的優(yōu)勢要遠(yuǎn)大于人工巡視時的運維人員目視。在站內(nèi)一些表計安裝位置高度過高，人工目視已無法看清表計中的指針、數(shù)字等內(nèi)容，傳統(tǒng)巡視遇到此種情況時則是借助望遠(yuǎn)鏡觀察，而智能巡檢機器人的變焦攝像頭不僅可幾倍距離的拉近表計界面，省時省力，且可以保存表計界面為圖片形式供事后分析。然而，實際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)勢并不能完全發(fā)揮出來，主要表現(xiàn)在當(dāng)站內(nèi)高壓表計表面或者巡檢機器人本身攝像頭因空氣中的污穢雜質(zhì)積累而變臟時，攝像頭則根本無法獲取到清楚的表計圖像如圖1所示，另外攝像頭也存在對焦失敗的情況，如圖2所示。對于巡檢機器人本身攝像頭表面污染的問題，可在后續(xù)改進(jìn)中加裝類似汽車雨刮的自清潔裝置以妥善解決。而對于表記污穢的現(xiàn)象，非巡檢機器人本身問題，目前只有借助電網(wǎng)設(shè)備每次停電檢修期間通過人工清掃得以解決。對焦失敗則是攝像頭本身算法或所采用的自動對焦技術(shù)所致，建議配置為主動式自動對焦方式的攝像頭，結(jié)合紅外測距和超聲測距對焦方法及基于圖像處理對焦方式的優(yōu)點，可大幅減少對焦失敗情況的發(fā)生。當(dāng)前巡檢機器人的研發(fā)應(yīng)用在巡檢系統(tǒng)的智能化及巡檢功能的多樣化方面研究探索較多，但是在硬件方面疏于使用更為先進(jìn)的前沿技術(shù)。高性能的硬件設(shè)備更有利于巡檢機器人先進(jìn)功能的發(fā)揮。

3.2 紅外測溫

在紅外測溫過程中，站內(nèi)設(shè)備布置復(fù)雜交錯，巡檢機器人受制于系統(tǒng)中設(shè)計好的固定的巡視路徑、定位點及實際場地中可行進(jìn)通道的限制，無法像人工巡視那樣靈活的從360°各個方向?qū)Ρ葴y溫發(fā)現(xiàn)設(shè)備的最高溫度及制熱點，且存在對位不準(zhǔn)確的情況，因此獲取的溫度信息與實際偏差過大，甚至錯誤，如圖3~5所示。對于對位失準(zhǔn)的問題可以通過系統(tǒng)的優(yōu)化及增加距離監(jiān)測單元解決，距離監(jiān)測單元的作用是確定被測設(shè)備與巡檢機器人的合理距離，在系統(tǒng)中設(shè)定某一合理距離內(nèi)的設(shè)備才被紅外攝像頭所選定，從而有效避免類似案例中錯誤選定太陽等非正常范圍內(nèi)的物體來進(jìn)行測溫的情況發(fā)生。但是要實現(xiàn)像人工巡視時的全角度對比測溫，因涉及變電站內(nèi)道路分布、巡檢機器人自身高度、電池續(xù)航時間等因素，顯然在機器人巡檢監(jiān)控系統(tǒng)軟件層面是無法實現(xiàn)的。因此紅外測溫功能在現(xiàn)有技術(shù)階段無法代替精確測溫。只能作為大面積普遍測溫的一種途徑。

圖3 復(fù)雜背景紅外圖

圖4 對位錯誤可見光圖

圖5 對位錯誤紅外圖

3.3 自主充電及巡視路徑

借助于遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離碰撞停障障礙物感應(yīng)裝置，可以確保機器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到損壞。這項本為保護(hù)巡檢機器人本身安全的設(shè)置卻在實際應(yīng)用中也會出現(xiàn)水土不服的情況。變電站站內(nèi)有硬化地面和草坪覆蓋兩種情況，在草坪覆蓋的變電站區(qū)域內(nèi)巡視時，巡檢通道兩側(cè)伸展出的個別雜草也會讓巡檢機器人裝備的障礙物感應(yīng)裝置探測到從而導(dǎo)致機器人停止行進(jìn)，當(dāng)運維人員無法及時發(fā)現(xiàn)并采取措施時，機器人將會停在原有位置直至電池電量耗盡，待運維人員發(fā)現(xiàn)時則還需將其人工運往充電處，費時費力，增加工作量。另外，巡檢機器人在行進(jìn)過程中會出現(xiàn)定位偏差從而使其偏離正常巡檢通道運行，造成撞擊站內(nèi)設(shè)施，如圖6所示。當(dāng)機器人因定位誤差偏離預(yù)先設(shè)定的運行路線后，其將無法實現(xiàn)對當(dāng)前位置和運行路線的正確計算與修正，此種情況出現(xiàn)時機器人將非常容易撞擊站內(nèi)設(shè)施并導(dǎo)致其停止運行，結(jié)果同樣是電力耗盡需人工處理。自主充電裝置用于實現(xiàn)機器人自主充電，可實現(xiàn)出庫巡檢，進(jìn)庫充電全程無需人工參與，但當(dāng)上述機器人因定位誤差偏離預(yù)先設(shè)定的運行軌跡的問題出現(xiàn)時則同步引起自主充電的失敗，常見的兩種情況是機器人到達(dá)充電樁位置時不能準(zhǔn)確停止，仍然繼續(xù)前進(jìn)直至越過充電樁碰撞至墻面或者未到達(dá)充電樁便已停止行進(jìn)，這兩種現(xiàn)象均將導(dǎo)致無法完成自主充電。對于上述問題可在障礙物感應(yīng)裝置、自主充電裝置、無線通信、激光定位的基礎(chǔ)上增加可見光攝像頭智能識別周圍實際環(huán)境，將巡檢機器人運行范圍內(nèi)高度低于2 m的實際物體拍攝成像，借助圖像識別技術(shù)通過與預(yù)先內(nèi)置的周圍環(huán)境信息進(jìn)行比對，從而準(zhǔn)確地判別當(dāng)前位置及行進(jìn)方向。

圖6 定位偏差圖

4 結(jié)語

智能巡檢機器人在功能設(shè)計上已比較全面，但在實際應(yīng)用中還存在較多不足和制約。依托工程實際應(yīng)用案例，主要分析了基于無軌化運行類巡檢機器人在表計讀取、紅外測溫、路徑安全、自主充電等方面的現(xiàn)狀，在對比優(yōu)越性的同時發(fā)現(xiàn)了存在的不足或者缺陷?；陔娋W(wǎng)公司內(nèi)巡檢機器人應(yīng)用的現(xiàn)狀，所發(fā)現(xiàn)的問題具有普適性和針對性，同時也為科研及制造單位后續(xù)的改進(jìn)完善提供建議。

［1］王東輝，張玉亮，宋彥軍.變電站智能巡檢機器人的應(yīng)用研究［J］.電工技術(shù)：（理論與實踐），2015 （6）：128-129.

［2］周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機器人研制及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（19）：85-88，96.

［3］肖娟.變電站巡檢機器人的路徑規(guī)劃研究［D］.濟南：山東建筑大學(xué)，2015.

［4］李向東，魯守銀，王宏，等，一種智能巡檢機器人的體系結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計［J］.機器人，2005，27（6）：502-506.

［5］楊旭東，黃玉柱，李繼剛，等.變電站巡檢機器人研究現(xiàn)狀綜述［J］.山東電力技術(shù)，2015，42（1）：30-34.

［6］謝超，秦亮.淺談智能巡檢機器人在750千伏變電站的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)（全文版），2016，15（11）：201.