郝艷捧，梁 葦，潘銳健，羅 兵，李立浧，，張福增，王婷婷

（1. 華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640；2. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

現(xiàn)階段，電網形態(tài)與功能正發(fā)生深刻的改變，電網規(guī)模逐步擴大，設備容量不斷提升，區(qū)域互聯(lián)程度持續(xù)加強。截至2019年，我國35 kV及以上電壓等級的輸電線路回路長度超過1.89×106km，其中220 kV及以上電壓等級的架空線路總長接近7.5×105km，220 kV 及以上電壓等級的電力電纜及氣體絕緣輸電線路GIL（Gas-Insulated transmission Line）超過4 000 km［1］。由于輸電線路運行環(huán)境復雜惡劣、設備材料潛在缺陷等問題長期存在，輸電線路設備故障易引起電網停電事故與經濟損失。隨著高電壓、長距離、大容量的區(qū)域輸電網不斷發(fā)展，輸電線路運行維護需求逐漸提高。

輸電線路缺陷指使用中的線路設備發(fā)生的異?；虼嬖诘碾[患［2］，缺陷積累誘發(fā)故障，影響輸電線路的安全穩(wěn)定。定期檢修主要為線路運行狀態(tài)的檢查及其組件的維修，有助于提高設備利用效率，延長設備壽命，預防事故發(fā)生。帶電檢修指直接接觸帶電部分或在其周圍的帶電區(qū)域開展檢查、測試、維護和修理工作［3］，可以及時發(fā)現(xiàn)并處置帶電設備的缺陷，避免因設備檢修造成的頻繁停電，對保障電網的安全、穩(wěn)定、經濟運行具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的人工帶電檢修受地理、天氣、工器具、防護設施、資質、成本等限制［4］，存在風險高、勞動強度大、效率低、維護周期長等問題，已不能滿足現(xiàn)代輸電需求。

智能裝備搭載傳感器、執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)可替代人進入危險的輸電線路運行環(huán)境中開展帶電檢修。相關技術的研究始于20世紀80年代，近年來隨著機器人技術的發(fā)展與智能電網的建設，智能帶電檢修已涵蓋電力系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)，包括儀表讀數(shù)、溫度檢測、局部放電檢測［5］、設備密封性檢測、帶電水沖洗［6］、外觀檢查、運行環(huán)境監(jiān)測、接線檢查、帶電搭接導線、線路除冰、設備更換、樹枝修剪等［7］。智能裝備對輸電線路帶電檢修能夠在帶電環(huán)境下進行，克服和彌補了人工檢修存在的技術缺陷和不足，同時也具備靈活性和智能性，適應智能電網的發(fā)展需求，具有廣闊的應用前景，契合智能電網的運行維護需要。

如何安全、可靠、高效地在跨度大、組件多、環(huán)境復雜的輸電線路開展帶電檢修，是當前智能裝備研發(fā)與應用面臨的關鍵問題。本文分析了架空線路、電力電纜和GIL 的運行環(huán)境與帶電檢修需求，總結了目前國內外智能帶電檢修裝備的結構和功能，梳理了取能、控制、傳感、導航、防護和人機交互6 種智能帶電檢修的關鍵技術，最后結合這6 種技術討論了有待深入研究的方向，展望了智能電網時代下輸電線路帶電檢修的研究前景與趨勢。

1 輸電線路帶電檢修需求

輸電線路具有點多、線長、面廣、危險源復雜、運行環(huán)境存在差異等特點。電力部門需根據(jù)架空線路、電力電纜、GIL 的運行環(huán)境與維護需求定期開展帶電檢修。

1.1 架空線路運行環(huán)境及帶電檢修需求

架空線路直接暴露于大氣環(huán)境，導線、絕緣子和桿塔應有足夠的機械和電氣強度，以避免在洪水、雷電、大風、雨淋、覆冰、鳥害、濕霧、山火、樹障、污穢以及外力作用下造成停電事故［8］。架空線路帶電檢修需求包括：安全距離測量，桿塔及拉線修補調整，覆冰、鳥巢和飄掛物清理，金具修補和更換，螺栓緊固，以及絕緣子調整和更換等［9-11］。架空線路常見缺陷及帶電檢修需求見附錄A表A1。

1.2 電力電纜運行環(huán)境及帶電檢修需求

與架空線路不同，電力電纜常用于城市地下電網、發(fā)電站引出線路、工礦企業(yè)內部供電以及過江海水下輸電，多埋設于地下或水底，散熱條件較差，運行狀態(tài)難以檢查［12］。由于生產質量、外力破壞、環(huán)境侵害、動物咬蝕以及電纜本體溫度過高、應力分布不均、接線錯誤等原因，電力電纜易發(fā)生絕緣擊穿、漏油、斷裂、短路、開路、接頭放電等故障［13］。電力電纜帶電檢修需求包括：外觀及密封性檢查，位置調整，接地狀態(tài)檢查，電氣連接檢查，破損檢測，絕緣電阻測量，電纜附件檢查、修復或更換，測溫，氣體含量檢測及隧道勘察與滅火等［14-16］。電力電纜常見缺陷及帶電檢修需求見附錄A表A2。

1.3 GIL運行環(huán)境及帶電檢修需求

GIL 采用全封閉的金屬管道結構［17］，敷設環(huán)境更為緊湊，多用于高落差的水電廠、核電站或跨江、穿山線路的連接，以地面擺放、支架支撐、垂直豎井安裝、橋梁架設、地埋、管廊及隧道等方式敷設［18］。氣壓異常、機械負荷、過電壓等因素易引起GIL 的金屬腐蝕、連接松動、封閉性能下降、部件變形或機械損傷等缺陷，進而導致局部放電、損壞和短路等故障［19］。在GIL 外殼帶電檢測聲、光、熱、電、磁、氣壓、氣體含量等，可實現(xiàn)故障診斷。GIL 常見帶電檢修需求包括：受力檢查，外殼及防腐系統(tǒng)修復，測溫，局部放電檢測，內部探傷，法蘭面螺栓緊固，密封檢查，振動測量，氣體測量等［20-21］。GIL常見缺陷及帶電檢修需求見附錄A表A3。

2 輸電線路智能帶電檢修裝備

智能裝備能夠自動感知、自主運動與定點作業(yè)，可打破輸電線路運行環(huán)境對帶電檢修的限制。為了適應多種線路設備結構，智能帶電檢修裝備在輸電線路的運行位置主要有線路表面、軌道、線路周圍環(huán)境，各運行位置的特點及應用場景見表1。面向上述3 類輸電線路，現(xiàn)有智能帶電檢修裝備主要有電力無人機UAV（Unmanned Aerial Vehicle）、導線機器人、絕緣子機器人、車載式機器人、陸地電纜機器人、水下電纜機器人和GIL機器人等。

表1 智能帶電檢修裝備運行位置特點與應用場景Table 1 Characteristics of operation locations and application scenes for intelligent live-line maintenance equipment

以架空線路為例，人工與智能帶電檢修技術對比見圖1。由圖可知，利用智能裝備開展帶電檢修可降低天氣、高空、高溫、高電壓、強電場和累積電荷對作業(yè)人員的威脅，減輕人工勞動強度，提高輸電線路帶電檢修的安全性、可靠性與效率，是今后的必然趨勢。

圖1 架空線路人工與智能帶電檢修技術對比示意圖Fig.1 Schematic diagram of comparison between manual and intelligent live-line maintenance technologies for overhead power lines

2.1 電力無人機

電力無人機由機翼、螺旋槳和控制艙體組成，能自主飛行與快速起降，具有運動范圍廣、機動性強等優(yōu)勢，對長距離、大高差的架空線路及其運行環(huán)境有較強的適應能力。

電力無人機按結構分為無人直升機、固定翼無人機和多旋翼無人機［22］，如附錄A 圖A1所示。無人直升機載荷達50～60 kg，可搭載多個傳感器，續(xù)航時間超過2 h，可懸停并實現(xiàn)50 km 以上線路的精細巡檢［23］，但其體積大，飛行空域受限，需考慮安全距離和地形。固定翼無人機飛行速度達80～100 km／h、飛行高度超過300 m，勘察面積廣，但其不可懸停，巡檢精度有限，多用于災后架空線路運行狀態(tài)巡檢。多旋翼無人機價格低廉、體積小，可垂直起降，不受地形、高差的影響，但其載荷、續(xù)航及飛行范圍有限，尤其適用于低空、低速、近距離的毫米級帶電檢修。

在輸電線路智能帶電檢修中，電力無人機主要用于帶電檢測、測繪、處理異物及輔助人工作業(yè)等。例如：在帶電檢測方面，電力無人機搭載可見光、紅外、紫外、激光雷達等成像系統(tǒng)識別組件缺陷［24］；在帶電測繪方面，電力無人機融合激光點云、高程、地圖等數(shù)據(jù)測量導線與地物間的交叉跨越距離，形成輸電線路通道的三維模型及信息庫［25］。得益于易攜帶、強兼容性、可懸停、路徑可調等特點，搭載噴火或激光裝置的多旋翼無人機在帶電清除覆冰、鳥巢、長飄掛物等非接觸式作業(yè)中呈現(xiàn)出較大優(yōu)勢。

“無人機+機械臂+智能決策”使電力無人機的接觸式帶電檢修成為可能。在輔助人工作業(yè)方面，電力無人機可用于組件安裝、監(jiān)護、照明、工器具運送、救援等；在線路設備維修方面，電力無人機可用于導線修補、設備清掃、絕緣噴涂、測零等；小型無人機還可用于戶內輸電線路設備的狀態(tài)感知和維護。

2.2 架空線路機器人

架空線路機器人包括導線機器人、絕緣子機器人和車載式機器人。與電力無人機相比，架空線路機器人能直接在線路設備表面運動并開展接觸式帶電檢修，安全性和動作準確性更高。該類機器人可長時間在線且無需頻繁進出等電位，其行駛軌跡受地形地貌和空氣湍流的影響較小，尤其適用于穿越禁飛區(qū)及跨越林區(qū)、水域、山地等復雜地理環(huán)境的架空線路。

2.2.1 導線機器人

導線機器人有巡檢和作業(yè)2 種模式：巡檢模式下，導線機器人利用傳感器檢查架空線路運行狀態(tài)；作業(yè)模式下，機器人利用末端執(zhí)行器維修組件。該類機器人直接運行于架空線路，需符合線路安全距離要求、適應高空環(huán)境，以及行駛安全平穩(wěn)、動作可靠。

為了實現(xiàn)在架空線路上的運動，早期的導線機器人多采用仿生設計，如蛇形機器人、猿式機器人、腿式機器人等，示意圖見附錄A 圖A2。蛇形機器人利用多對電機控制相鄰關節(jié)的依序開合來爬行和越障［26］；猿式機器人利用機械手爪和滑軌翻越桿塔［27］；腿式機器人利用機械腿伸縮和關節(jié)交替轉動實現(xiàn)導線行走與越障［28］。上述仿生機器人適用范圍廣，但大多結構復雜、尺寸及重量較大，因此難以建立合適的運動學模型，控制難度高，實用性較差。

近年來，針對機器人動作的平穩(wěn)性問題，導線機器人多被設計為結構更為緊湊的單體機器人和輪-臂式機器人。單體機器人沿穿過其機體的導線運動［29］，其結構簡單、體積小，可在沿導線行駛時穩(wěn)定重心，但其無法越障且安裝繁瑣，不適用于常規(guī)架空導線的帶電檢修。為了兼容多種檢修裝置，輪-臂式機器人將機箱、運動機構和末端執(zhí)行器分開，通過機械臂懸掛于導線，利用關節(jié)的轉動、末端的抓握和機械臂的擺動來動作。由于智能帶電檢修需兼顧適用性與靈活性，近年來該類機器人逐漸向精細化、輕量化等方向發(fā)展。例如，機器人LineScout 能根據(jù)檢修任務重組功能模塊，降低其單次運行的控制難度［30］。多單元串聯(lián)機器人通過改變掛線機械臂數(shù)目和機箱連接方式翻越雙懸垂金具、轉角塔等橫向尺寸較大的障礙物［31］。然而，多個機械臂的同時動作導致控制難度增大，多機箱串聯(lián)也提高了運動空間需求，因此，該類機器人的實用性低。機器人Expliner 將輪臂復合，實現(xiàn)在500 kV 分裂導線上的運動，越障過程中，機械臂可充當平衡棒，維持機身穩(wěn)定［32］。機器人LineRanger 用槳葉替代行走輪抓線，僅需小幅抬動機身便可以直接行走于障礙物表面，該機器人能平穩(wěn)運行于735 kV 分裂導線［33］，適用于長距離架空線路的近距離檢查。

導線機器人不僅能夠在柔性、長距離架空線纜上行駛，還能開展針對性的設備維修作業(yè)。在導線修補方面，現(xiàn)有的機器人通過貼合導線滑動來將補修管壓接于斷股處［34］，用夾鉗避免導線滑移脫落［30］，實現(xiàn)穩(wěn)定動作。但是，導線智能帶電修補還應結合人工帶電檢修方法，根據(jù)導線尺寸與損傷程度采取不同的處理方法，提高導線修補質量。

在異物清除方面，導線機器人主要采用熔斷法、切割法和清掃法。相比電力無人機，用機器人清除導線異物對其他架空線路設備的影響較小。例如，利用旋轉刀片機構，機器人在沿導線表面行走的同時能夠完成異物切割［34］。文獻［35］設計了電加熱和電鋸機構，通過近距離熔斷和壓緊切割實現(xiàn)導線異物帶電清除。文獻［36］研制了用于導線除垢的伸縮轉刷，但該機構無法清除纏繞導線的長飄掛物。及時處理異物以免對運行環(huán)境造成二次污染是下一步研發(fā)需要考慮的問題。

在除冰方面，導線機器人多采用沖擊、銑削、敲擊、激勵等接觸式機械除冰方式。其中，沖擊除冰是將除冰刀沿導線對稱安裝，通過刀片高速旋轉粉碎導線冰層［37］。針對沖擊除冰機器人無法越障及刀片尖端易引起局部放電的問題，銑削除冰是將刀片復合于行走輪，機器人行走時碾壓覆冰導線并轉動刀架來切割冰層［38］，但該方式在清除輕微覆冰時易損傷導線。敲擊除冰是利用剛性結構擊打冰層［39］，對厚冰層有較好的清除效果。激勵除冰是用局部高頻信號產生交變應力震碎冰層［40］，但該作用力可能引起金具相對導線滑移。此外，由于覆冰脫落會引起導線扭轉，改變機器人的運動狀態(tài)，機身平衡控制與速度自適應調整仍為現(xiàn)階段智能帶電除冰的主要難題。

在螺栓修復方面，導線機器人主要使用套筒扳手調整螺栓。由于螺栓目標較小且其金屬材質易受光照影響，需要建立可靠的螺栓識別、追蹤及維修方法［41］。例如：文獻［42］研發(fā)了可裝配于機器人的智能螺栓更換系統(tǒng)，可以實現(xiàn)螺栓的定位、夾持、插拔、松緊等功能；文獻［43］提出了一種復合了夾持機構、Z 型扳手和云臺的單機械臂結構，其作業(yè)范圍大、控制難度低，且能夠結合螺栓位置調整位姿。為適應不同線路設備的螺栓修復，導線機器人裝配多用套筒扳手，可適應不同尺寸的螺栓，但也需要自適應地調整輸出力矩，以避免松緊螺栓時對其他設備組件的影響。

現(xiàn)有的導線機器人大多無法實現(xiàn)自主上下線路與故障自愈。為了實現(xiàn)機器人的全自主運動，文獻［44］通過改造架空線路結構、加裝自主上下線裝置、構建主站專家系統(tǒng)等，降低導線機器人的控制難度。針對機器人故障自動處置的問題，救援機器人可利用牽引夾爪將故障機器人拖拽至安全位置［45］，但是該方法只適用于單檔無障礙線路。

為了提高導線機器人的可用性，裝配執(zhí)行器的導線機器人可輔助絕緣子檢修，包括檢查高壓端絕緣子缺陷［46］、更換絕緣子與線夾連接的螺栓［47］等。

2.2.2 絕緣子機器人

受運行位置的局限，導線機器人無法對整串絕緣子開展檢修。絕緣子機器人可適應間隙小且曲率大的作業(yè)空間，實現(xiàn)對高電壓長串絕緣子的帶電檢修。

為保障安全，絕緣子機器人的尺寸與動作幅度不宜過大，以免摔落或誤觸放電?，F(xiàn)有的絕緣子機器人的構型主要有尺蠖式、輪-腿式、夾爪式和履帶式，如附錄A 圖A3 所示。尺蠖式和輪-腿式機器人主要用于懸垂絕緣子串的帶電檢修。尺蠖式機器人呈“工”形，利用絲桿的伸縮實現(xiàn)沿絕緣子串的軸向屈伸運動［48］。輪-腿式機器人呈半環(huán)型，通過X 型輪-腿的聯(lián)軸旋轉跨越絕緣子，相比尺蠖式機器人，該構型下機器人的運動速度較快，但平穩(wěn)性稍差［49］。耐張絕緣子串的帶電檢修主要采用夾爪式和履帶式機器人。夾爪式機器人通過交替抓握鐵帽攀爬絕緣子［50］。履帶式機器人通過履帶引導機器人沿絕緣子串上表面行駛，該構型下機器人的重心更穩(wěn)定，運行速率更高［51］。

絕緣子智能帶電檢修主要有狀態(tài)檢測與清潔。在絕緣子狀態(tài)檢測方面，機器人利用探針、電流計、攝像機、電場儀等檢測絕緣電阻、泄漏電流、附鹽密度、疏水性能、放電痕跡、材質缺陷和電場分布。例如，機器人可通過電阻與電壓分布判斷絕緣子串的劣化程度［52］，利用表面電場分布和憎水性圖像來分析絕緣性能［53］。在絕緣子清潔方面，機器人攜清潔劑或清掃工具沿絕緣子表面移動以清除污穢，包括沖洗法和清掃法。其中，沖洗法是利用安裝于機器人執(zhí)行器的噴嘴對稱地沖洗絕緣子表面［5］。為避免水流引起的絕緣子污穢閃絡［54］，減輕機器人荷重，清掃法使用干式清潔器沿絕緣子表面擺動［55］或旋轉［56］。相比擺動式清掃，旋轉式清潔作用面積小，但能避免電位跨越。

為滿足不同絕緣子的檢修需求，機器人的結構需進行適應性優(yōu)化。例如：文獻［57］將絕緣子機器人分為內、外兩部分，外層用于沿瓷絕緣子串爬行，內層相對外層轉動以開展清掃與測零；文獻［58］采用雙翼結構，通過調整翼間張角來契合不同尺寸的雙Ⅰ型絕緣子串；文獻［59］采用單電機同步驅動的雙輪-腿架構，解決了機器人在懸垂絕緣子串的穩(wěn)定?？繂栴}。

2.2.3 車載式機器人

導線機器人與絕緣子機器人直接運行于架空線路，其尺寸、荷載量與動作范圍有限。車載式機器人運行于地面，其執(zhí)行機構安裝于吊桿起重機車，具有關節(jié)多、可伸縮、絕緣性強等特點，可用于對架空線路開展遠超人力的高風險帶電檢修［60］。

車載式機器人分為三爪式和單爪式。三爪式機構可以支撐、抓取同側三相導線，而單爪式機構則用于操作大重量的單導線［61］，如附錄A 圖A4所示。車載式機器人可用于帶電接續(xù)長距離導線、更換絕緣子串、臨時支撐導線等，可以輔助輸電線路重建與回路切換，進而降低架空線路架設成本，提高塔上電工檢修安全性［62］。但是，車載式機器人運動依賴于重型機車，經濟性和靈活性較差，且其受限于地形條件和線路安全距離，不適用于環(huán)境復雜、步驟繁多的帶電檢修場景。

2.3 電力電纜機器人

電力電纜機器人運動于電纜表面及其周圍環(huán)境，能夠檢查電纜外觀、運行狀態(tài)與敷設環(huán)境，并實現(xiàn)組件維修與防災。電力電纜機器人按檢修對象可分為陸地電纜機器人和水下電纜機器人。

2.3.1 陸地電纜機器人

陸地電纜機器人主要用于電纜運行狀態(tài)參數(shù)采集、有害氣體含量監(jiān)測、隧道防火與防爆等。該類機器人需適應狹窄、潮濕、高溫、弱光、通信差、通風不佳的隧道環(huán)境。

陸地電纜機器人主要包括軌道式、輪式和履帶式。

1）軌道式機器人運動于隧道內壁，利用軌道內纜線取能和通信，通過云臺的轉動及升降對電力電纜開展帶電檢修。軌道式機器人需額外架設軌道，靈活性差，載荷有限，功能較難拓展，且受隧道內耦合磁場的影響［63］，僅適用于帶電巡檢。

2）相比軌道式機器人，輪式和履帶式機器人可自由行走，示意圖見附錄A 圖A5。輪式機器人可爬行于電纜上方，貼合電纜測量溫度、局部放電、介電損耗等［64］。履帶式機器人能跨越階梯、爬坡及轉向，適用于寬僅1 m 且存在障礙、溝槽和水坑的地下電纜隧道及電纜橋架［65］。上述機器人均需要充足的運動空間，因此仍無法對埋敷于排管、橋梁的電力電纜開展帶電檢修。

2.3.2 水下電纜機器人

水下電纜機器人主要用于水下電纜定位識別、運行環(huán)境勘察、缺陷識別與故障預警等［66］。該類機器人與水體直接接觸，需要適應壓強大、地形復雜、能見度低、擾動頻繁、存在地球磁場干擾的水下環(huán)境［67］。

水下電纜機器人可以分為遙控式機器人ROV（Remotely Operated Vehicle）和自主式機器人AUV（Autonomous Underwater Vehicle）。其中，ROV 通過臍帶電纜與水上母船聯(lián)系，載荷大，可實時操控，可用于海底電纜的帶電敷設［68］，如附錄A 圖A6 所示。相比ROV，AUV 具有無人無纜與自主控制等優(yōu)點，可用于檢測深水區(qū)的電力電纜。但是，在電纜電流和地球磁場的耦合作用下，AUV 控制難度更大、檢測數(shù)據(jù)質量相對較低［69］。

現(xiàn)有水下電纜機器人的航行及動作需考慮復雜的流體環(huán)境，其所受阻力受行駛速度、載重、形狀、尺寸、洋流等影響，傳感可靠性和控制準確性要求較高。相比陸地電纜機器人，水下電纜機器人的運行成本高，不適用于日常帶電檢修。

2.4 GIL機器人

GIL 機器人運動于密閉、水土壓力大，存在飛蟲和帶電粉塵的管廊，主要用于監(jiān)控GIL 運行狀態(tài)、讀取儀表示數(shù)、監(jiān)測氣體環(huán)境等。

我國研發(fā)的軌道式GIL 智能巡檢系統(tǒng)由機器人本體、軌道、通信、配電和監(jiān)控等系統(tǒng)組成，可長期運行于水下60 m、全長6 km的江底管廊［4］。自走式GIL巡檢機器人可緊密貼合GIL 殼體，利用超聲法檢測局部放電［70］。由于GIL 投運時間較短，智能帶電檢修方案尚未健全。

3 輸電線路智能帶電檢修的關鍵技術

基于電力物聯(lián)網的輸電線路智能帶電檢修系統(tǒng)如圖2 所示，其包括智能裝備（終端層）、通信網絡（網絡層）、基站（平臺層）和專家系統(tǒng)（應用層）［71］。在該架構中，智能裝備運動于輸電線路及其周圍帶電環(huán)境開展檢修，通信網絡支撐智能裝備與基站間的數(shù)據(jù)傳輸，基站用于存儲、管理數(shù)據(jù)，后臺專家系統(tǒng)用于監(jiān)控并評估智能裝備和輸電線路運行狀態(tài)。其中，智能裝備是輸電線路狀態(tài)全面感知與故障高效處理的關鍵環(huán)節(jié)。

圖2 輸電線路智能帶電檢修系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent live-line maintenance system for power transmission lines

為滿足安全、可靠、靈活、便于操作等要求，智能裝備需具備如下功能。①取能：持久、穩(wěn)定地獲取動力。②控制：結合外界條件自主控制運動。③傳感：準確識別輸電線路設備的運行狀態(tài)和環(huán)境條件。④導航：定位檢修對象，規(guī)劃運動路徑。⑤防護：保證輸電線路和自身的安全穩(wěn)定。⑥人機交互：傳輸狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)人-機配合等。

3.1 智能帶電檢修裝備的取能技術

可靠的動力供給可保障智能裝備大范圍、長時間的帶電檢修。智能帶電檢修裝備的能量應方便獲取、轉化效率高、狀態(tài)可控，相應地，蓄能元件也應滿足容量大、壽命長、重量輕、體積小等要求。

智能帶電檢修裝備動力來源與特點對比如表2所示。在能量來源方面，傳統(tǒng)的動力源主要為燃油，對智能裝備的荷載需求大，需定期補充［72］，且燃油會增大智能帶電檢修裝備劇烈碰撞與意外墜落后爆炸的風險。蓄電池可減小智能帶電檢修裝備的體積和重量，但由于電池容量與壽命有限，需人工定期充電或更換電池［73］。光電池直接從野外環(huán)境下取能，便于拆裝維護，然而，受限于環(huán)境光照條件、智能裝備的荷載量、光電池的尺寸、能量轉化率及控制難度，直接采用光電池對長時間野外作業(yè)的檢修裝備供能的可行性較低［74］。充電基站的應用打破了電池對智能帶電檢修裝備的制約，智能裝備運動至充電座對接即可自主取能，但該取能方式同時也增加了智能帶電檢修裝備開展帶電檢修過程中的無效路徑［45］。在線取能技術實現(xiàn)了輸電線路的智能帶電檢修裝備的動力持續(xù)供給，例如，電力無人機和架空線路機器人通過電磁感應線圈從裸導體表面取能［75］，軌道式機器人則通過導軌內滑觸線取能。直接從帶電裸導體取能存在輸出功率小、效率低、電能質量差等缺點，匹配電磁感應線圈與磁芯參數(shù)、優(yōu)化能量傳輸方式、建立保護電路等可以解決上述問題［76］。

表2 智能帶電檢修裝備動力來源與特點Table 2 Characteristics and type of energy for intelligent live-line maintenance equipment

為了提升能量的利用率，智能裝備的動力系統(tǒng)可以通過能量監(jiān)管以合理地分配能耗［77］。例如：文獻［78］用H∞觀測器研究不同位置和速度下智能裝備蓄電池的溫度和電流，以評估其荷電狀態(tài)；文獻［79］基于桿塔的檔距、高差、導線比載、應力等建立導線機器人的能耗模型，有助于電源選型和巡檢方案的制定。

3.2 智能帶電檢修裝備的控制技術

有效的控制是智能帶電檢修裝備在輸電線路上可靠動作的核心。智能帶電檢修裝備執(zhí)行帶電檢修任務的過程由其機械執(zhí)行機構的動作組合而成。智能帶電檢修裝備的控制需結合環(huán)境、檢修對象，按照指令調整電機的電流、轉速、轉矩和輸出功率，使實到位姿符合指令位姿。針對不同類型的輸電線路，智能帶電檢修裝備的運動及控制需滿足如下要求：①在高空環(huán)境中平穩(wěn)自主運動，保持安全距離，避越障礙，避免打滑、偏轉、側傾、摔落和誤觸［80］；②在管廊或隧道環(huán)境中避免劇烈碰撞，能靈活通過狹小空間［81］；③在水下環(huán)境中克服水壓和粘滯阻力［82］。

運動學和動力學模型描述了智能帶電檢修裝備的運動和驅動單元運動、輸入力及力矩之間的關系。智能帶電檢修裝備是一個非完整約束的多剛體系統(tǒng)，其運動學與動力學建模應充分考慮輸電線路設備的結構、柔性、阻尼特性及其與智能帶電檢修裝備各部件的耦合動力學關系，以實現(xiàn)關節(jié)電機的合理布局［83］。

基于運動學與動力學模型，控制算法通過修正電機輸出提高智能裝備動作的準確性。例如，在路徑規(guī)劃方面，文獻［84］通過多維、多級、多模態(tài)融合的自適應控制方法提高機器人的暫態(tài)響應速度。在重心調整方面，文獻［85］采用零力矩點算法來控制路徑曲率突變時導線機器人關節(jié)的位置、轉角和速率，保障機器人在架空線路的越障過程中的平衡。在動作控制方面，文獻［86］基于牛頓-歐拉法建立多軸、多關節(jié)聯(lián)動機制來節(jié)省控制時間和步驟。此外，采用K-最近鄰分類［87］、模糊邏輯控制［88］、神經網絡［89］、非線性策略［90］等智能算法可取得全局最優(yōu)，減少驅動電機數(shù)量，提升偏差收斂速度，增強智能裝備在不確定條件下自主動作和學習能力，實現(xiàn)帶電檢修的精確控制。

3.3 智能帶電檢修裝備的傳感技術

準確地感知并判斷內部與環(huán)境態(tài)勢是智能帶電檢修裝備動作與導航的前提。智能帶電檢修裝備通過傳感器獲取并轉換內、外部狀態(tài)信息，以適應檢修場景的變化。智能帶電檢修裝備傳感技術對比如表3所示。

表3 智能帶電檢修裝備傳感技術對比Table 3 Sensing technology comparison of intelligent live-line maintenance equipment

1）內部傳感器用于測量智能裝備的運動狀態(tài)，包括限位傳感器、碼盤、陀螺儀、位移傳感器、測速發(fā)電機、加速度計、應力計、力矩傳感器、傾角傳感器等，分別用于獲取智能帶電檢修裝備的位置、角位移、直線位移、速度、角速度、加速度、受力、力矩、側傾角、俯仰角等信息［91］，智能帶電檢修裝備結合上述運動參數(shù)控制輸出。

2）外部狀態(tài)傳感器測量輸電線路設備及其運行環(huán)境的狀態(tài)，智能帶電檢修裝備可根據(jù)缺陷特征規(guī)劃帶電檢修方案。針對帶電輸電線路設備的狀態(tài)感知方法主要有紅外、紫外、邊緣電場等傳感技術。

（1）在輸電線路設備異常溫度檢測方面，紅外傳感器通過檢測局部溫度或表面溫度場分布確定缺陷位置和程度。例如：文獻［92］通過連續(xù)的紅外檢測數(shù)據(jù)分析斷股導線的位置、區(qū)域與數(shù)目；文獻［93］通過對比正常絕緣子紅外圖像診斷其劣化程度。紅外測溫不依賴可見光，在能見度較低的隧道和水下環(huán)境中，載紅外熱像儀的智能帶電檢修裝備可實現(xiàn)隧道火情偵查和水下電纜渦流損耗檢測［94］。

（2）紫外傳感器通過對紫外脈沖計數(shù)與對設備表面紫外光子進行分析識別缺陷及其分布。例如：文獻［95］利用搭載紫外攝像機的無人機檢測架空線路的局部放電；文獻［96］通過比較瓷絕緣子紫外成像圖譜上的像素點分布確定局部放電的位置及程度，實現(xiàn)污穢智能分級。由于環(huán)境中紫外線和導電微粒的干擾，紫外傳感技術多用于局部放電現(xiàn)象明顯的缺陷檢測。

（3）邊緣電場傳感器的兩端電極位于同側，利用穿透絕緣層的邊緣電場測量絕緣薄膜的厚度。該傳感技術無需將被測的輸電線路設備放置在極板中間，多用于檢測異常電纜介電參數(shù)，以診斷電纜絕緣層的老化。例如，文獻［97］利用搭載弧形叉指型邊緣電場傳感器的機器人運動于電纜表面，以檢測電纜水樹放電現(xiàn)象。

3）針對輸電線路設備的內部損傷，無損探傷利用材料缺陷引起的熱、聲、光、電、磁等物理量的變化，對試件內部異常的性質、尺寸、數(shù)量與分布進行檢測。無損探傷技術主要有射線和超聲檢測，分別利用穿透射線的強度和反射聲波的幅值、頻率、傳播時間等評估輸電線路設備內部缺陷［98］。

智能帶電檢修裝備對輸電線路運行環(huán)境條件的感知方法主要有氣體檢測、場景再現(xiàn)與測距。

1）氣體檢測是采用氣體傳感器分析隧道或管廊內的氣體含量。例如，文獻［5］利用搭載多種氣體傳感器的機器人分析管廊內有害氣體，以評估隧道環(huán)境狀態(tài)并及時預警。

2）場景再現(xiàn)主要采用成像技術，用輪廓、距離、方位、反射率等信息展現(xiàn)輸電線路場景，主要方法包括光成像和聲成像。光成像方法通過圖像感知設備，廣泛應用于架空線路、隧道、管廊及水下環(huán)境［99］。聲成像利用立體聲波分辨輸電線路的表面狀態(tài)，在陸地環(huán)境中可用于架空線路通道環(huán)境測繪以及導線與交叉跨越物的安全距離診斷［100］，在水下環(huán)境中常用于水下電纜的定位、追蹤和環(huán)境勘察［101］。

3）測距是用距離傳感器識別目標、感應智能裝備與輸電線路設備間的距離。例如：文獻［102］利用架空線路的電磁場強度和分布識別機器人與金具的相對位置；文獻［103］利用反射激光點的離散度識別障礙物的距離、數(shù)目和尺寸。超聲測距不受電磁波和可見光的影響，尤其適用于隧道及管廊環(huán)境［65］。此外，行程開關、接近開關、限位開關等傳感器同樣適用于測距。

事實上，傳感效果受天氣、溫度、光照、材質、磁場、振動和測量角度等干擾。為提高傳感質量，可采用多源信息融合和信號處理技術來降低噪聲，實現(xiàn)智能帶電檢修裝備對輸電線路設備的準確識別和診斷。

3.4 智能帶電檢修裝備的導航技術

導航技術融合傳感信息，依據(jù)定位和地圖，實現(xiàn)智能帶電檢修裝備對可通行區(qū)域及運動方向的判斷與選擇。導航決定智能帶電檢修裝備的運行，使其快速到達指定位置，主要有局部導航和全局導航2類方式［91］。

局部導航是在環(huán)境信息未知或部分已知的條件下，根據(jù)智能帶電檢修裝備與參考點之間的信息差決策路徑的方法。例如：文獻［104］基于圖像信息實現(xiàn)電力無人機對架空導線的自主追蹤；文獻［105］基于帶電導線與金具磁場分布差異來實現(xiàn)導線機器人的越障導航；文獻［106］利用磁導航技術規(guī)劃智能裝備在電纜隧道的路徑；文獻［107］提出級聯(lián)磁感應導航方法，AUV 能自動跟蹤水下電纜并保持指定距離。上述電磁導航方法僅適用于帶電線路，針對不帶電的架空地線，文獻［108］提出融合超聲測距、霍爾效應和機器視覺的多傳感定位及導航方法。

在環(huán)境信息已知的條件下，全局導航基于衛(wèi)星遙感地圖或三維場景規(guī)劃智能裝備長距離行駛路徑。例如：文獻［109］基于遙感系統(tǒng)規(guī)劃無人直升機路徑，利用動態(tài)補償算法降低導航誤差；文獻［110］基于激光雷達點云數(shù)據(jù)重構架空線路的三維場景，利用視覺伺服控制和幾何場景理解來規(guī)劃無人機的動作和路徑。

導航技術是檢修裝備自主巡檢的關鍵技術之一，傳感技術的發(fā)展為檢修裝備導航提供了新的思路和工具。同時，將局部導航與全局導航結合的方式也是未來智能檢修裝備發(fā)展的方向。

3.5 智能帶電檢修裝備的防護技術

處于高電壓、強電磁環(huán)境中的智能帶電檢修裝備可引起電場畸變甚至局部放電，進而干擾帶電檢修和輸電線路的安全穩(wěn)定［111］。為提高智能帶電檢修裝備對輸電線路的適應性，應加強其對高電壓和強電流的耐受性能，主要體現(xiàn)在裝備絕緣與電磁防護兩方面。其中，絕緣須根據(jù)輸電線路的運行電壓等級，選取合適的機體結構和材料，并合理規(guī)劃智能裝備的運行軌跡和進出等電位的方式；電磁防護須結合輸電線路的電流大小與類型，選取合適的屏蔽、濾波及接地方式。

面向智能帶電檢修裝備的絕緣與電磁防護設計主要包括安全參數(shù)測算和防護硬件加裝。安全距離校核是安全參數(shù)測算的主要內容。智能帶電檢修時不僅應滿足輸電線路的安全距離要求，還需預留充足的作業(yè)空間以保證其動作不引起組合間隙放電。例如，文獻［112］通過架空線路的三維激光雷達點云模型，測算智能帶電檢修裝備與帶電導線的距離，實現(xiàn)安全距離校核。

防護硬件包括機械防護、屏蔽和絕緣等機構，其設計與加裝方式可參照人工帶電檢修的安全防范措施。其中，機械防護用于減輕潮濕、曝曬、撞擊等影響；屏蔽防護用于抑制環(huán)境電磁干擾，主要采用金屬屏蔽網包覆智能裝備的機身或主體部件；絕緣防護用于避免局部放電對智能帶電檢修過程的干擾。此外，加裝等電位夾持機構和改進接觸部位的材質可降低智能帶電檢修裝備與帶電體的電位差，提升智能帶電檢修的安全性［113］。

3.6 智能帶電檢修裝備的人機交互技術

由于輸電線路運行環(huán)境復雜且難以控制，以及智能帶電檢修裝備與環(huán)境交互能力差、動作可靠性不佳等原因，智能帶電檢修裝備大多局限于一些簡單且重復的檢修任務。人機交互結合了人的自主性與智能帶電檢修裝備的環(huán)境適應能力，擴展了智能帶電檢修的智能化水平與操作方式。在人機交互過程中，操作人員和智能帶電檢修裝備通過用戶接口交流信息，操作人員在基站引導遠端的智能帶電檢修裝備動作，處于檢修現(xiàn)場的智能帶電檢修裝備向基站發(fā)送狀態(tài)參數(shù)并接收來自基站的控制指令，在人工干預下執(zhí)行檢修任務［114］。

早期人機交互多采用主從控制策略，即操作人員結合檢修現(xiàn)場中智能帶電檢修裝備回傳的音視頻、位置、受力等信息，制定并發(fā)送操作方案；智能帶電檢修裝備直接復現(xiàn)操作人員的指令［115］。

近年來，人機交互基于虛擬現(xiàn)實技術，采用雙向反饋策略，操作人員可通過虛擬界面與智能帶電檢修裝備交互［116］。在主設備端，計算機通過仿真及動畫技術重構帶電檢修場景；操作人員預演智能帶電檢修流程；同時，通信系統(tǒng)將控制指令發(fā)送至智能帶電檢修裝備，引導其動作，并實時反饋現(xiàn)場參數(shù)至主設備端。智能裝備在雙向控制模式下對比位姿的模擬值和實際值，從而不斷修正運動參數(shù)，提高動作精度［117］。

智能帶電檢修對人機交互技術的即時性、準確性和穩(wěn)定性有較高的要求，如何完善人機控制任務分配策略，減輕檢修人員的操作負擔，實現(xiàn)友好、安全的人機交互，仍有待深入研究。

4 總結及展望

本文介紹和分析了近年來架空線路、電力電纜、GIL 3 類線路上，電力無人機、架空線路機器人、絕緣子機器人、車載機器人、電纜機器人、GIL 檢修機器人這6 種智能設備的應用環(huán)境、結構和功能；從取能、控制、傳感、導航、防護、人機交互6 個方面對輸電線路智能帶電檢修的關鍵技術進行了梳理?，F(xiàn)有裝備的智能化水平較低，依賴于人工協(xié)助和遙控，其安全性、靈活性、自主性仍需提高。智能帶電檢修技術尚處于初步應用階段，未形成健全的技術與管理標準體系。

限制智能帶電檢修技術發(fā)展的主要挑戰(zhàn)總結如下，以供未來研究進行參考。

1）取能技術方面，圍繞現(xiàn)階段智能帶電檢修裝備取能效率低、能量利用率不高等問題，未來研究可以著重優(yōu)化取能裝置結構、改善能量管理方案和研發(fā)小型化、輕型化儲能裝置，實現(xiàn)智能裝備的自主能量補給。

2）控制技術方面，為提升智能帶電檢修裝備在非結構環(huán)境中的自主作業(yè)能力，一方面可以采用模塊化、可重構的機械結構與控制體系，研發(fā)裝配智能柔性執(zhí)行器，采用輕質高強度材料，以此降低智能帶電檢修設備的負重，提高智能帶電檢修設備應對多檢修任務的靈活性；另一方面可以研究智能帶電檢修裝備的目標跟蹤與穩(wěn)定控制的方法，增加運動模式、強化控制邏輯、建立精確運動學模型并實時調整參數(shù)，實現(xiàn)機身位姿準確判斷，避免誤觸與劇烈碰撞，提高智能帶電檢修設備的動作響應速度與檢修效率。

3）傳感技術方面，針對傳感器類型復雜、運行環(huán)境多變、檢修目標繁多的問題，可以從信息采集和處理2 個角度著手。信息采集方式的改進包括增加傳感類型，融合多源異構傳感數(shù)據(jù)，準確、全面感知輸電線路設備的運行態(tài)勢；信息處理方法的優(yōu)化包括建立基于大數(shù)據(jù)與人工智能的多維信息處理平臺，實現(xiàn)裝備智能決策和輸電線路故障就地處置等。

4）導航技術方面，自然環(huán)境中輸電線路具有交叉跨越、跨度大、地物多變等特點；而隧道與管廊存在光照不均勻、環(huán)境相似性高、轉角多等干擾因素。為了適應上述工作環(huán)境，需要提高帶電檢修目標定位精度，強化智能帶電檢修設備的追蹤能力，從而實現(xiàn)作業(yè)環(huán)境的三維動態(tài)建模與行駛路徑無軌自主規(guī)劃。未來的研究一方面需要實現(xiàn)準確定位，即環(huán)境信息組合、坐標系轉換與配準，增加環(huán)境約束條件，非接觸準確測量與障礙的距離等；另一方面需要實現(xiàn)精確導航，即克服光線變化的影響，過濾環(huán)境噪聲，標記特殊位點，理解地圖語義信息，提升對非結構化環(huán)境的建圖精度，根據(jù)環(huán)境變化動態(tài)實時選擇路徑與調整方位等。

5）防護技術方面，當前智能帶電檢修設備在帶電檢修中存在出現(xiàn)故障難以解決、日常維護費用高、故障波及范圍廣等問題。在后續(xù)研究中，提升裝備故障恢復能力、強化防護機制、建立標準體系是主要的技術點。其中，提升故障恢復能力主要為提高智能裝備故障自診與急停的能力。強化防護機制包括增設防墜落、防打滑等安全保障機構，面向具體的帶電檢修場景優(yōu)化絕緣匹配與電磁兼容參數(shù)，研發(fā)并應用絕緣與屏蔽新材料，設立限位空間，增強智能帶電檢修裝備對惡劣天氣的應對能力等。建立標準體系用于規(guī)范智能帶電檢修裝備的生產安裝工藝，從而全方位、多階段把控智能帶電檢修裝備質量。

6）交互技術方面，聚合人的經驗、技能與智能帶電檢修裝備的強度、精確度可以提升智能帶電檢修裝備進行復雜操作的能力，釋放更高效的生產力。在后續(xù)研究中，可以增加人機協(xié)作場景，提高交互的便捷性，用人的邏輯推理方式與真實感官體驗指導智能帶電檢修裝備作業(yè)。

綜上所述，未來的智能帶電檢修技術應加快“機器替代人”的進程，結合人工帶電檢修經驗完善智能帶電檢修功能。隨著云-邊協(xié)同的人工智能大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，需要充分運用集約的信息監(jiān)控和管理，為安全、快速和準確的帶電檢修提供技術支撐。此外，建立協(xié)同分布式智能裝備群，聯(lián)結多個智能裝備開展帶電檢修，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息共享、任務合理分工與協(xié)同控制，從而降低單個裝備的結構復雜性、控制難度與荷載需求，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。

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