劉兵 趙威 夏晨灝 李佳鵬 楊洪 等

我國電網(wǎng)規(guī)模巨大，變電站數(shù)量眾多，且增速明顯?，F(xiàn)階段，我國變電站的巡檢方式仍以人工為主，巡檢效率較低。變電站一般為相對封閉的系統(tǒng)空間，設(shè)備數(shù)量多、占地面積大，增加了巡檢人員實(shí)時監(jiān)控的難度。在有限的巡視時間內(nèi)，巡檢人員并不能實(shí)現(xiàn)全面巡檢，設(shè)備故障和運(yùn)行隱患逐漸積累，不能及時發(fā)現(xiàn)并消缺將帶來巨大的安全隱患。隨著智慧巡檢方案的推出和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，智能巡檢設(shè)備替代人工巡檢逐步提上日程。應(yīng)用智能機(jī)器人替代人工完成巡檢任務(wù)，已成為業(yè)內(nèi)提升巡檢質(zhì)量和效率的普遍共識。

機(jī)器人在室外變電站巡檢中的應(yīng)用前景

2022年開始，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T527-2021《配電室安全管理規(guī)范》正式實(shí)施。指導(dǎo)變電站運(yùn)維工作改革轉(zhuǎn)型，明確電力系統(tǒng)巡檢技術(shù)要求。倡導(dǎo)將大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信和云計(jì)算服務(wù)等信息技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)運(yùn)維中心建設(shè)；以實(shí)時監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)并作為基礎(chǔ)逐步搭建并完善大數(shù)據(jù)庫，建立聯(lián)合智能運(yùn)營維護(hù)中心；結(jié)合智能安全巡檢策略，對各部署智能巡檢機(jī)器人變電站開展智能化巡檢、運(yùn)維工作，形成真正“無人值班，少人值守”的智慧化、自動化運(yùn)維模式。

發(fā)輸電和變配電系統(tǒng)的智能化巡檢，應(yīng)用智能移動通信或局部互聯(lián)網(wǎng)通訊方法和實(shí)時傳感技術(shù)，將變電站的電氣設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境信息、實(shí)時安防系統(tǒng)信息、視頻監(jiān)控信息、機(jī)器人設(shè)備信息等數(shù)據(jù)通過自主搭建的本地網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸至服務(wù)器側(cè)監(jiān)控指揮調(diào)度中心，對變電站實(shí)施遠(yuǎn)程自動監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)變電站和設(shè)備區(qū)的無人值守。

智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用，可真正實(shí)現(xiàn)全生命周期內(nèi)的7×24小時機(jī)器人自動化值守，大大提高巡檢次數(shù)和巡視質(zhì)量，使變電站巡檢由出現(xiàn)故障后的被動巡檢逐漸向日常例行巡檢、特殊巡檢、專項(xiàng)巡檢等方向轉(zhuǎn)變，保障配電設(shè)備的安全運(yùn)行。變電站正常運(yùn)行情況下無需巡檢人員干預(yù)介入，降低巡檢工作人員的交通安全和運(yùn)維安全風(fēng)險。

電力巡檢機(jī)器人面臨的技術(shù)問題和應(yīng)對

從實(shí)際來看，現(xiàn)有巡檢機(jī)器人系統(tǒng)仍難以獨(dú)立完成巡檢工作，這主要是巡檢機(jī)器人自主導(dǎo)航能力不足所致?，F(xiàn)有巡檢機(jī)器人導(dǎo)航方式存在以下問題：（1）缺乏高精度的局部定位功能，影響檢查的靈活性和效率；（2）對復(fù)雜場地環(huán)境的適應(yīng)性差；（3）獨(dú)立處理突發(fā)事件的能力不足。

隨著科技的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、人工智能、大數(shù)據(jù)、導(dǎo)航技術(shù)等的快速發(fā)展，為開發(fā)自主導(dǎo)航能力更強(qiáng)的電力巡檢機(jī)器人提供了眾多可能，聚合了機(jī)器視覺、多傳感器融合、AI 技術(shù)的自主導(dǎo)航技術(shù)，為巡檢機(jī)器人的實(shí)用化和推廣提供了有力保障。

系統(tǒng)構(gòu)成和應(yīng)用分析

1.巡檢機(jī)器人硬件架構(gòu)

圖1：機(jī)器人整體圖

圖2：機(jī)器人核心控制器

圖3：機(jī)器人硬件系統(tǒng)圖

變電站智能巡檢機(jī)器人整體設(shè)計(jì)如圖1 所示，其中智能巡檢機(jī)器人核心控制器（如圖2）采用Intel的第十一代酷睿平臺，依托硬件高性能CPU和GPU與人工智能和深度學(xué)習(xí)功能相結(jié)合，能夠在單個平臺上運(yùn)行多個工作負(fù)載。

機(jī)器人車載子系統(tǒng)主要包括：充電口、云臺、車體、可見光相機(jī)、紅外攝像頭、激光雷達(dá)、電機(jī)等，為保障導(dǎo)航的響應(yīng)速度，激光雷達(dá)和IMU 直接連接到控制器上，紅外和可見光相機(jī)通過交換機(jī)連接控制器，電機(jī)的控制通過VCU 向電機(jī)發(fā)送控制指令，懸崖傳感器考慮響應(yīng)級別直連VCU，BMS 電源管理模塊通過CAN總線向VCU上傳電池狀態(tài)，為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，安全網(wǎng)關(guān)連接到無線網(wǎng)橋。組成機(jī)器人各硬件設(shè)備接口連接關(guān)系如圖3所示。

2.基于ROS 2的機(jī)器人軟件框架

ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）是開源的，適用于機(jī)器人的一種次級操作系統(tǒng)。提供了包含計(jì)算機(jī)硬件抽象表述、底層驅(qū)動程序管理、共用基本功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理等類似操作系統(tǒng)的功能，還提供一些方法和庫用在獲得、建立、編寫以及運(yùn)行多機(jī)整合的程序。

ROS 2在ROS的基礎(chǔ)之上提供了更優(yōu)化的架構(gòu)以及新的基本功能以適應(yīng)機(jī)器人應(yīng)用的新需求：多機(jī)器人控制，可以同時駕馭多個機(jī)器人；多平臺應(yīng)用支持，不僅要能在性能強(qiáng)勁的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，還要能在資源有限的嵌入式平臺上跑；實(shí)時應(yīng)用支持；增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信能力；更強(qiáng)的可靠性和量產(chǎn)化產(chǎn)品應(yīng)用；靈活構(gòu)建。

3.基于機(jī)器人技術(shù)的遠(yuǎn)程巡檢架構(gòu)

基于機(jī)器人的遠(yuǎn)程巡檢系統(tǒng)以智能巡檢機(jī)器人為核心，主要由巡視主機(jī)、智能巡檢機(jī)器人、攝像機(jī)等組成。巡視主機(jī)提供針對集中監(jiān)控的業(yè)務(wù)支持，上級系統(tǒng)可遠(yuǎn)程下發(fā)控制、巡視任務(wù)等指令，由智能巡檢機(jī)器人接收到指令后開展巡視任務(wù)，在特殊情況下智能巡檢機(jī)器人可以和部署在變電站的安防攝像機(jī)開展聯(lián)合巡視作業(yè)。巡視主機(jī)會對機(jī)器人上傳的采集數(shù)據(jù)智能分析，自動生成巡視結(jié)果與報(bào)告。

智能巡檢機(jī)器人巡檢軟件系統(tǒng)包含了底層電機(jī)的控制、3D 地圖的創(chuàng)建、定位、路徑規(guī)劃、運(yùn)動規(guī)劃和儀表識別模塊。它主要是依據(jù)事先構(gòu)建的巡檢地圖和標(biāo)記的巡檢點(diǎn)位，將機(jī)器人快速準(zhǔn)確地導(dǎo)航至目標(biāo)位置，之后依據(jù)表計(jì)對準(zhǔn)工具快速準(zhǔn)確地捕捉到表計(jì)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，將識別結(jié)果上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行結(jié)果分析，使得檢修人員依據(jù)結(jié)果快速做出響應(yīng)，從而高效完成變電站巡和檢的日常任務(wù)。

4.基于Intel架構(gòu)的多路攝像頭與雷達(dá)數(shù)據(jù)的同步與融合

多傳感器的數(shù)據(jù)融合不僅包括多傳感器的空間融合，同時也要求時間上的同步，從而滿足巡檢機(jī)器人定位和導(dǎo)航中對可靠性和實(shí)時性的要求。

電力巡檢機(jī)器人采用英特爾設(shè)計(jì)研發(fā)的基于FPGA 專門硬件模塊在時間維度上實(shí)現(xiàn)更實(shí)時的多傳感器數(shù)據(jù)的同步和融合。該方案采用Cyclone V FPGA 芯 片，提 供 多 路MIPI/LVDS，Ethernet，CAN bus，GPIO，PWM，UART 的支持，能同時接入多路高速/低速機(jī)器人傳感器（單線/多線激光雷達(dá)，視覺攝像頭，IMU，里程計(jì)，紅外傳感器等）。FPGA 芯片負(fù)責(zé)實(shí)時采集多路傳感器上報(bào)的傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打時間戳（time stamping）和同步處理。處理好的數(shù)據(jù)通過PCIe Gen2（支持PCIe Gen2x4 和Gen2x1）高速接口上傳至host CPU 進(jìn)行算法處理。通過對操作系統(tǒng)底層驅(qū)動（PCIe驅(qū)動，V4L2驅(qū)動等）的修改及上層軟件的優(yōu)化，該方案能支持ROS2軟件框架，為開發(fā)更加復(fù)雜的變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用帶來更多的便利。

5.應(yīng)用分析

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)對人工觀察盲區(qū)進(jìn)行全覆蓋巡視和高位儀表盤數(shù)據(jù)讀取。同時由于工作人員可在遠(yuǎn)端操控，對必要區(qū)域，還可以進(jìn)行人工遠(yuǎn)控補(bǔ)盲處理。

對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)的一半左右，對有條件的單位，可在重點(diǎn)電路或有故障風(fēng)險的電路中加裝電弧故障檢測器，同時在機(jī)器人身上搭載電弧識別通信與管理裝置，通過對本地電流、頻域信號進(jìn)行檢測分析，并結(jié)合小波變更檢測等方式進(jìn)行綜合邊緣計(jì)算，及時發(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)場切斷操作，以保障電氣線路安全。

對于新一代高壓變電站，國網(wǎng)吉林白城供電公司正在研究數(shù)字絕緣材料在變電站高壓絕緣局放監(jiān)測中的應(yīng)用，例如數(shù)字式高壓變壓器套管、數(shù)字高壓電纜頭和數(shù)字避雷器等，不僅提高可靠性，也可以量化電力主設(shè)備的局放水平，準(zhǔn)確地支撐狀態(tài)檢修管理，更為高壓變電站機(jī)器人巡檢提供了就近獲取高壓主設(shè)備局放水平的可能，為巡檢機(jī)器人擴(kuò)展局放專項(xiàng)檢測功能提供了新思路。

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)、手動控制響應(yīng)、自動充電等功能。其中越限預(yù)警設(shè)置機(jī)器人獲取設(shè)備及傳感器信息的測點(diǎn)數(shù)據(jù)時，根據(jù)設(shè)置的閾值判斷是否需要發(fā)送告警。路線采用Geojson地理數(shù)據(jù)格式編輯巡檢地圖，規(guī)劃出若干條巡檢路線、充電路線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無軌移動。巡檢計(jì)劃是根據(jù)業(yè)務(wù)需求，設(shè)定巡檢時間與巡檢路線，讓機(jī)器人可以根據(jù)巡檢計(jì)劃自動進(jìn)行巡檢，并設(shè)定機(jī)器人需要的檢測點(diǎn)。缺陷上報(bào)是當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)缺陷時，實(shí)時上報(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。手動控制即監(jiān)控指揮人員可在后臺界面中終止機(jī)器人的操作，對機(jī)器人進(jìn)行手動控制。自動充電即當(dāng)機(jī)器人監(jiān)測到自身電量低于設(shè)定閾值時，按照規(guī)劃路線自動巡航至充電區(qū)域，完成充電。■