國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)展部新能源云運(yùn)營(yíng)中心 陳 康 北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司 賀家勝

北京行動(dòng)智能科技有限公司 劉宜昌 飛騰信息技術(shù)（北京）科技有限公司 郭祥雷

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)配電網(wǎng)規(guī)模也逐漸增大。而現(xiàn)有配電網(wǎng)巡檢工作仍以人工巡檢為主。一方面巡檢人員的數(shù)量跟不上配電網(wǎng)設(shè)備增長(zhǎng)的速度；另一方面，巡檢人員的責(zé)任心和業(yè)務(wù)水平對(duì)巡檢質(zhì)量影響較大。此外，配電室是7×24h工作的封閉環(huán)境，人工巡檢無法在時(shí)間上和空間上對(duì)配電室進(jìn)行全量監(jiān)控。有限的巡檢時(shí)間，必然帶來設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的黑盒時(shí)間，設(shè)備故障和隱患無法及時(shí)監(jiān)控與消缺。因而不可避免存在漏檢、誤檢的情況，不僅容易隱藏電力系統(tǒng)故障隱患，甚至可能帶來巡檢人員人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)巡檢人員的業(yè)務(wù)水平要求越來越高，因而巡檢自動(dòng)化乃至智能巡檢不可避免地提上日程。而通過機(jī)器人完成巡檢業(yè)務(wù)，已經(jīng)是完成智能巡檢的業(yè)內(nèi)共識(shí)。

2 機(jī)器人在電力巡檢中的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)器人在電力行業(yè)中的應(yīng)用由來已久，主要應(yīng)用在變電站、電纜隧道、架空輸電線路無人機(jī)、架空輸電線路帶電維護(hù)、架空配電線路帶電作業(yè)、電動(dòng)汽車換電等方面。在架空輸電線路、架空配電線路、電動(dòng)汽車電池更換作業(yè)等方面已研究發(fā)展10多年，并取得了許多重要成果[1]。

從2005年起，我國(guó)就開始研究機(jī)器人在電力巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用，之后依據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》《國(guó)家能源局配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃（2015—2020年）》《國(guó)家電網(wǎng)公司2015-2020電網(wǎng)智能化滾動(dòng)規(guī)劃指南》《南方電網(wǎng)十三五智能電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃研究報(bào)告》等政策文件，國(guó)網(wǎng)公司和南網(wǎng)公司分別加大了在變電站巡檢、電纜隧道巡檢等方向的探索研究與示范，主要參與研發(fā)機(jī)器人企業(yè)有山東魯能智能、沈陽新松、深圳朗馳等，其中有些產(chǎn)品已經(jīng)獲得規(guī)?；瘧?yīng)用。

從2015年起，國(guó)內(nèi)開始研究機(jī)器人在站室內(nèi)部的巡檢，使用機(jī)器人替代運(yùn)維人員來進(jìn)行可見光、紅外、音頻、局放、溫升等監(jiān)測(cè)，并獲取設(shè)備狀態(tài)如斷路器、接地、信號(hào)燈、儀表盤、開關(guān)狀態(tài)等。但由于站室內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，前期研究主要為架空軌道機(jī)器人，成本較高，部署程序煩瑣，施工周期長(zhǎng)，推廣難度較大。

3 機(jī)器人在配電巡檢中的應(yīng)用前景

2021年9月28日，北京市發(fā)布新地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T527-2021《配電室安全管理規(guī)范》，于2022年1月1日起正式實(shí)施。新標(biāo)準(zhǔn)首次明確了配電室智能運(yùn)維的定義、技術(shù)要求和行業(yè)規(guī)范，要求配電室智能運(yùn)維企業(yè)依據(jù)“云、大、物、移”等現(xiàn)代信息技術(shù)建設(shè)智能運(yùn)維系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立智能運(yùn)維中心，結(jié)合智能運(yùn)維操作隊(duì)伍對(duì)轄區(qū)內(nèi)配電室開展智能化運(yùn)維工作，實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”的智能化運(yùn)維模式。在此政策推動(dòng)下，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)配電室的巡檢，已經(jīng)成為行業(yè)的必然。北京電力業(yè)務(wù)發(fā)展方向，也將對(duì)全國(guó)電力業(yè)務(wù)發(fā)展起到引領(lǐng)作用，因而必將推動(dòng)全國(guó)范圍內(nèi)智能巡檢機(jī)器人的規(guī)?；瘧?yīng)用。

配電業(yè)務(wù)的智能巡檢，是利用智能通信手段和傳感技術(shù)將配電室的電氣信息、非電氣信息（包括環(huán)境信息、安防信息）、視頻監(jiān)控信息、機(jī)器人采集信息等數(shù)據(jù)通過本地網(wǎng)管以及光纖與以太網(wǎng)等上送至監(jiān)控指揮中心，對(duì)配電室實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)配電室本地的無人值守。

在這一體系下，機(jī)器人的使用是將配電室的巡檢由“自動(dòng)化”提升為“智能化”的重要設(shè)備。對(duì)機(jī)器人的使用，并非簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)人工替代，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行巡檢業(yè)務(wù)的提升，將此前人工巡檢難以進(jìn)行的業(yè)務(wù)也納入常規(guī)巡檢之中。并通過APP、大數(shù)據(jù)等手段簡(jiǎn)化操作人員與管理人員的工作，實(shí)現(xiàn)巡檢業(yè)務(wù)的智能化和現(xiàn)代化。

此外，機(jī)器人的使用，也相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了7×24小時(shí)機(jī)器人值守，提高了巡檢頻次和巡視質(zhì)量，使配電室巡檢由故障巡檢向狀態(tài)巡檢轉(zhuǎn)變，保障配電設(shè)備的安全運(yùn)行。由于常規(guī)情況下無需人工干預(yù)，也降低了工作人員的交通安全風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)維安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 系統(tǒng)構(gòu)成和應(yīng)用分析

4.1 配電室巡檢業(yè)務(wù)范圍

配電室的巡檢包括：一是開關(guān)柜、斷路器、負(fù)荷開關(guān)、配電柜、配電箱、繼保、直流屏等設(shè)備的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、有功無功、頻率等電氣信息的巡檢；二是通過各種傳感器采集門禁、煙霧、溫濕度、水浸、氣體、紅外、聲光、消防等信息；三是局放、電弧、儀表示數(shù)、視頻等信息[2]。

隨著配電自動(dòng)化的逐步推進(jìn)，電氣信息已經(jīng)上送到配電自動(dòng)化系統(tǒng)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。但考慮到主要通訊方式為電力載波，其數(shù)據(jù)質(zhì)量還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)[3]。

對(duì)配電站室的人工巡檢，主要針對(duì)非電氣信息進(jìn)行，由巡檢人員通過聽、看、聞、抄的方式，對(duì)配電室內(nèi)聲音、氣味、土建結(jié)構(gòu)、照明設(shè)施、消防設(shè)施、防鼠板及封堵、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、漏雨進(jìn)水、室內(nèi)清潔、設(shè)備電流電壓溫度等電氣信息、各設(shè)備線路接點(diǎn)、各電氣設(shè)備電弧和打火痕跡、儀表數(shù)字等進(jìn)行巡檢[4]。

由于人工巡檢存在的問題，使用機(jī)器人替代人工巡檢，不僅可以消除人工巡檢的可靠性問題和質(zhì)量問題，還可以進(jìn)行縮短巡視周期，減少黑盒時(shí)間，最大限度提高設(shè)備安全，保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行。

對(duì)巡檢信息，可采用安全芯片進(jìn)行加密傳輸，以確保電網(wǎng)數(shù)據(jù)的安全。

4.2 基于機(jī)器人技術(shù)的遠(yuǎn)程巡檢架構(gòu)

在使用機(jī)器人替代人工巡檢的情況下，提出遠(yuǎn)程巡檢架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器人技術(shù)的遠(yuǎn)程巡檢架構(gòu)

機(jī)器人的使用并非替代當(dāng)前的配電自動(dòng)化系統(tǒng)，而是作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)的補(bǔ)充和提升，將之前自動(dòng)采集無法實(shí)現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)采集上來，并提高采集頻率。

這一架構(gòu)下，數(shù)據(jù)采集層同時(shí)進(jìn)行配電數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，以及機(jī)器人、視頻的非電數(shù)據(jù)采集。其中，對(duì)設(shè)備儀表數(shù)字的讀取，在光線不足時(shí)，可采用紅外補(bǔ)光的方式進(jìn)行。對(duì)一些要求比較高的配電站室，還可以同時(shí)通過機(jī)器人采集重要的電氣數(shù)據(jù)，為配電自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集提供參考與修正依據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸層，是通過無線或有線的方式，接入數(shù)據(jù)采集層的信息并向上轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸層可采用多個(gè)通信網(wǎng)關(guān)完成與采集傳感器的通信；通過DVR或NVR完成視頻的本地保存。機(jī)器人本身的通信，視配電室本地的通訊實(shí)際情況，既可搭載4G或5G模塊進(jìn)行通訊，也可通過通信網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)。

安全計(jì)算芯片部署在機(jī)器人設(shè)備上，就機(jī)器人本體算法的安全性方向進(jìn)行考慮，融合飛騰基于ARM指令集架構(gòu)授權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片和內(nèi)置安全可信功能，對(duì)機(jī)器人本體計(jì)算安全做了加碼，實(shí)現(xiàn)安全的智能計(jì)算機(jī)器人。并且通過國(guó)家電網(wǎng)公司提供的“國(guó)網(wǎng)芯”安全加密芯片對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，配電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收端完成解密。針對(duì)各行業(yè)、各領(lǐng)域使用安全智能計(jì)算機(jī)器人得到相對(duì)較高的處理業(yè)務(wù)安全保障。

監(jiān)控指揮層一般包括配電監(jiān)控系統(tǒng)、指揮大屏和物理服務(wù)器設(shè)備等。其中，配電監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控指揮層的核心，包括設(shè)備管理、實(shí)時(shí)電氣圖繪制、電氣量監(jiān)測(cè)、非電氣量監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、機(jī)器人監(jiān)控、故障告警管理、歷史數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理等部分。

4.3 機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人是本方案的核心，本文不建議使用一種統(tǒng)一功能的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)所有配電站室的巡檢，而應(yīng)當(dāng)視配電站室的實(shí)際情況、業(yè)務(wù)需求，采用不同功能的機(jī)器人完成巡檢，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)開展與投資規(guī)模的科學(xué)規(guī)劃。

作為人工巡檢的替代，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備基礎(chǔ)的人工巡檢功能，即具備視、聽、聞、抄的功能，即具有視頻、溫濕度、噪聲、煙霧、水浸、氣體、防盜、紅外、聲光等信息的采集功能?？紤]到機(jī)器人的成本，這些傳感器可以安裝在配電室內(nèi)，機(jī)器人在巡檢過程中，與傳感器進(jìn)行通信，讀取傳感器信息與狀態(tài)。而機(jī)器人本身應(yīng)具備升降、視頻、可見光、紅外裝置，通過升降裝置和紅外熱成像儀，實(shí)現(xiàn)人工觀察盲區(qū)進(jìn)行全覆蓋巡視和高位儀表盤數(shù)據(jù)讀取。同時(shí)，由于工作人員可在遠(yuǎn)端操控，對(duì)必要區(qū)域還可以進(jìn)行人工遠(yuǎn)控補(bǔ)盲處理[5]。

對(duì)一些要求較高的配電站室，可以在機(jī)器人上搭載局放、溫升、電弧識(shí)別等裝置，提升巡檢質(zhì)量。尤其是低壓配電線路的電弧短路引發(fā)的火災(zāi)，占據(jù)了電氣火災(zāi)發(fā)生的一半，對(duì)有條件的單位，可在重點(diǎn)電路或有故障風(fēng)險(xiǎn)的電路中加裝電弧故障檢測(cè)器，同時(shí)在機(jī)器人身上搭載電弧識(shí)別通信與管理裝置，通過對(duì)本地電流、頻域信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，并結(jié)合小波變更檢測(cè)等方式進(jìn)行綜合邊緣計(jì)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和上報(bào)電弧故障，甚至下發(fā)脫扣命令，執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)切斷操作，以保障電氣線路安全。

此外，巡檢機(jī)器人還應(yīng)具備越限預(yù)警、路線設(shè)置、巡檢計(jì)劃管理、巡檢內(nèi)容設(shè)定、缺陷上報(bào)、手動(dòng)控制響應(yīng)、自動(dòng)充電等功能。其中，越限預(yù)警設(shè)置機(jī)器人在獲取設(shè)備及傳感器信息的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)設(shè)置的閾值判斷是否需要發(fā)送告警。路線設(shè)置為根據(jù)RFID編號(hào)，規(guī)劃若干條巡檢路線、充電路線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無軌移動(dòng)。巡檢計(jì)劃是根據(jù)業(yè)務(wù)需求，設(shè)定巡檢時(shí)間與巡檢路線，讓機(jī)器人可以根據(jù)巡檢計(jì)劃自動(dòng)進(jìn)行巡檢，并設(shè)定機(jī)器人需要檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，實(shí)時(shí)上報(bào)到管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)根據(jù)缺陷內(nèi)容，發(fā)出告警或故障提示。手動(dòng)控制即監(jiān)控指揮人員可在后臺(tái)界面中終止機(jī)器人的操作，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制。自動(dòng)充電即當(dāng)機(jī)器人監(jiān)測(cè)到自身電量低于設(shè)定閾值時(shí)，按照規(guī)劃路線自動(dòng)巡航至充電區(qū)域，完成充電。

機(jī)器人通過搭載安全加密模塊來部署加密芯片，對(duì)安全加密模塊應(yīng)盡可能選擇成熟技術(shù)產(chǎn)品，在確保安全的同時(shí)保障通道暢通。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)與南網(wǎng)的機(jī)器人應(yīng)用實(shí)踐，基礎(chǔ)電氣信息、可見光、視頻、紅外、局放、溫升等重要監(jiān)控信息已經(jīng)在機(jī)器人巡檢中得以示范應(yīng)用。但無論國(guó)網(wǎng)還是南網(wǎng)，目前進(jìn)行的研究還專注于通過機(jī)器人進(jìn)行全量高質(zhì)量巡檢，但該類機(jī)器人成本較高，難以大規(guī)模推廣，反而使機(jī)器人替代工作進(jìn)展緩慢。實(shí)際上，進(jìn)行人工替代的機(jī)器人，更應(yīng)優(yōu)先完成基礎(chǔ)巡檢工作，降低機(jī)器人成本，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢的規(guī)模覆蓋，以提高配電站室巡檢的基礎(chǔ)質(zhì)量。

圖2 智能巡檢機(jī)器人在配電室應(yīng)用實(shí)例

5 結(jié)語

機(jī)器人巡檢是配電自動(dòng)化發(fā)展的必然，本文結(jié)合配電站室巡檢需求，介紹了一種基于機(jī)器人技術(shù)的遠(yuǎn)程巡檢架構(gòu)，并對(duì)巡檢機(jī)器人的功能進(jìn)行了規(guī)劃。該方案能夠有效降低人工風(fēng)險(xiǎn)，提高工作質(zhì)量和效率，保障配電站室的可靠運(yùn)行，為配電自動(dòng)化的深入開展提供可靠的技術(shù)保障。