變電站巡檢機器人應用現狀和主要性能指標分析*

蔡煥青，邵瑰瑋，胡霧，文志科，王興照，呂俊濤

（1.中國電力科學研究院，武漢430074；2.國網山東省電力公司 濟南250002）

0 引 言

變電站傳統的單一巡檢方式為人工巡檢，存在勞動強度大、巡檢效率低、巡檢不到位、巡檢標準不統一、雨雪惡劣環境下巡視困難等問題［1-3］，并且簡單依靠巡檢人員的感官和經驗，很難做到客觀、全面、準確的評判，給設備的安全運行埋下安全隱患。

近年來，隨著科技進步，以“信息化、數字化、自動化、互動化”為特征的智能電網和特高壓建設的逐漸深入，傳統的運檢模式已不滿足現代電網的發展需求，如何采用新形勢下的新技術、新手段實現運維模式的轉變，減輕變電站運維人員的運維負擔，有效保障設備安全可靠運行，是今后所面臨的主要問題之一。

變電站智能巡檢機器人主要應用于室外變電站（也可應用于換流站，以下統稱變電站），可對站內變電設備開展紅外測溫、表計讀數、分合執行機構識別及異常狀態報警等功能［4］，并提供巡檢數據的實時上傳和數據分析、信息顯示和報表自動生成等后臺功能，具有巡檢效率高、雨雪等惡劣環境下可開展巡檢等優點［5-7］，有效提高了變電站設備運行可靠性，是今后智能變電站運維技術發展的重點方向之一。

1 國內外變電站巡檢機器人應用現狀

1.1 國外應用現狀

國外，目前在變電站巡檢機器人應用方面，日本、新西蘭等國有過相關報道，但僅是樣機的開發和應用，并未規模化推廣應用。

2003年，日本研究者率先提出了變電站巡檢機器人的研究方案，完成了實驗室模擬實驗；隨后，研制出適用于500 kV變電站巡檢機器人，如圖1所示，但是由于技術等問題，僅在2～3所變電站試用，并停止了后續的研發［7］。

圖1 日本研制的變電站巡檢機器人Fig.1 Substation inspection robot developed by Japan

2008年，圣西保羅大學研制了一種懸掛式移動機器人，主要應用于變電站內發熱點溫度監測，如圖2所示，該機器人懸掛在站內高空鋼索軌道上，采用搭載紅外熱像儀進行站內設備測溫［8］。

圖2 圣西保羅大學研制懸掛式移動機器人Fig.2 Suspension type mobile robot developed by St.Paul university west｀

2012年，新西蘭電網公司與梅西大學合作研發了全地形變電站巡檢機器人，如圖3所示。該機器人配置有防碰撞的可見光攝像機和超聲波傳感器，并配置有用于現場設備圖像和視頻回傳的一個高清可見光攝像機。目前該機器人僅能采用遠程遙控方式工作。

1.2 我國應用現狀

中國，最早于1999年在山東開始變電站巡檢機器人研究，在2001年首次提出了在變電站應用移動機器人技術進行設備巡檢的想法［9］；2005年10月，研制出國內首臺產品樣機，并在山東500 kV長清變電站投運，后續研制出了系列化的變電站巡檢機器人［10-11］。

圖3 新西蘭電網公司研制的巡檢機器人Fig.3 Substation inspection robot developed by New Zealand State Grid

2014年1月，研制成功激光導航式變電站巡檢機器人，并在浙江瑞安變電站投運［12］。2014年5月，研制的變電站巡檢機器人在湖南省衡陽電業局麻塘變電站成功試運行。

近年來，隨著市場應用前景越來越樂觀，越來越多的機器人制造廠商投入到變電站巡檢機器人的設計、研發和銷售，據統計，目前國內已有25家具有一定規模的變電站巡檢機器人制造廠商，并已研制出適應于不同環境條件的變電站巡檢機器人（如圖4所示），極大促進了變電站智能巡檢機器人的應用。

目前，國網公司正在進行變電站智能巡檢機器人的推廣應用，推廣應用范圍已遍布山東、北京、天津、廣東、廣西、浙江、江西、陜西、山西等全國十幾個省、自治區和直轄市，電壓等級從220 kV到1 000 kV特高壓各電壓等級交、直流變電站，積累了一定的應用經驗。變電站巡檢機器人在仿真設計、機器人操控、模式識別等多項關鍵性創新技術方面取得突破性進展，整體水平達到了國際領先水平。變電站巡檢機器人自投運至今，已累計為客戶發現1 000余項安全隱患，通過機器人的提前預警，及時進行處理，避免了重大電力事故，得到用戶的好評，進一步提高電力生產運行的自動化水平，保障了電網安全可靠運行。

根據國家電網公司2015～2020年電網智能化規劃指南，2018年，開展小型化、工具化機器人應用試點，建成變電站智能機器人巡檢信息管理平臺；2020年，全面推廣小型化、工具化機器人，公司系統變電運維班組全部配置。

圖4 中國多家公司研制的變電站機器人Fig.4 Substation inspection robot developed by many companies of China

但是，變電站智能巡檢機器人在實際應用中也暴露出一些問題，變電站智能巡檢機器人性能與電網實際應用需求存在一定差異，各機型性能良莠不齊，實用化巡檢技術尚不夠成熟，智能化程度不高，技術標準體系存在較多空白等問題，嚴重影響了變電站巡檢機器人的規范化應用。

因此，有必要對變電站巡檢機器人現狀進行分析總結，針對變電站智能巡檢機器人的功能定位和應用需求，提出關鍵性能指標需要改進的方向。

2 變電站巡檢機器人巡檢系統構成及功能需求

2.1 巡檢系統構成

變電站巡檢機器人巡檢系統通常包括機器人分系統、任務荷載分系統和綜合保障分系統三個部分。

機器人分系統包括機器人平臺、通訊系統和監控后臺系統。其中機器人平臺包括機器人設備本體和導航控制系統，通訊系統包括數據傳輸和圖像傳輸系統，監控后臺系統包括實時狀態控制系統、巡檢任務管理和各項功能檢測等軟硬件。

任務載荷分系統包括任務設備和地面顯控單元。其中，任務設備可多樣化，標配可見光攝像機、紅外熱成像儀和聲音采集，可靈活選配超聲、局放、紫外等檢測設備。

綜合保障分系統一般包括供電設備、動力供給、專用工具、備品備件等。一般在巡檢的變電站配置專用的自主充電室，機器人具備自主充電功能，電池電量不足時能夠自動返回充電室，能夠與充電室內充電設備配合完成自主充電。

2.2 功能需求

變電站巡檢機器人巡檢系統具備自主行走和懸停等運動功能，搭載有可見光、紅外等檢測設備，主要用于對站內的變壓器、互感器、斷路器、隔離開關等本體設備的外觀、各個部件和接頭、各種表計、分合執行機構等進行巡視檢測；亦可根據故障信息，開展故障點及其他異常情況查找等工作。

針對變電站巡檢機器人的應用需求和應用場景，根據是否配備有遠程集控后臺，變電站機器人巡檢系統又可分為單站型和多站型。其中，單站型機器人巡檢系統因不具有遠程集控系統，主要在站內單臺使用，一般一臺機器人只在一個站工作，不便于移動，不能覆蓋多個站，無法集中使用和控制，使用效率不高，不能充分發揮機器人的巡檢作用。多站型機器人巡檢系統配置有遠程集控后臺系統，一臺遠程集控后臺可控制多臺本地監控后臺，相應地可控制一臺巡檢機器人在多個站內使用，主要用于從運維人員駐地對無人值守變電站智能機器人運行狀態和巡視結果的遠程瀏覽、遠程控制。

3 變電站巡檢機器人巡檢系統主要性能指標分析

目前，國內變電站巡檢機器人技術尚不夠成熟、可靠性低、穩定性不高。在實際應用中發現，目前大多數巡檢機器人只配置有可見光攝像機與紅外測溫儀，而紫外探測儀、SF6氣體檢漏儀等檢測設備還無法在機器人巡檢中應用，固化的檢測設備拆卸復雜和后期維護保養不方便，變電站智能巡檢機器人的巡檢能力受到限制；巡檢機器人在巡檢中，若遇到雨雪或結冰的環境時，易防碰撞超聲誤報、通訊性能降低、運動功能明顯降低或喪失等現象；部分巡檢機器人的自主導航定位不穩定，巡檢作業時經常出現機器人“走偏”，甚至出現翻車到變電站下水溝的現場。因此，為了促進變電站智能巡檢機器人推廣應用，需要進一步優化完善任務設備的配置、安全控制策略、環境適應性、通訊和無線電抗干擾等技術。

近年來，由于電站巡檢機器人較好的市場應用前景，引起國內外有較多供應商不斷投入到巡檢機器人的設計、研發、生產制造和營銷工作中，已研制出適應于不同作業條件不同機型的變電站巡檢機器人，市面上有較多機型可供選擇。但不同機型之間性能特點和技術指標存在較大不同，導致實際應用效果差異較大。因此，有必要針對變電站巡檢作業的要求，對其技術指標和試驗標準進行統一，以保證巡檢安全和質量。

目前，由于國內外均沒有針對變電站巡檢機器人巡檢系統的技術指標和性能參數等方面的試驗標準，為了掌握目前變電站巡檢機器人的主要性能情況，國網公司在對現狀進行總結分析的基礎上，從巡檢實際需求出發，初步建設了國內外首個變電站巡檢機器人性能模擬試驗場和特高壓變電考核試驗場，可開展機器人巡檢系統的運動功能、巡檢能力、監控后臺功能、抗電磁干擾性能、一般環境適應性、動力電池性能等類型共計47項試驗項目。截止2015年12月，已完成約13個機型的集中試驗檢測工作。

3.1 巡檢能力

巡檢能力是考核變電站巡檢機器人實際應用能力的關鍵技術指標，應滿足的技術要求為：

（1）具備巡檢任務模式設置；

（2）機器人可巡視全部戶外一次設備（人工無法直接巡視的除外），滿足巡檢全覆蓋的要求，覆蓋率達到100%；

（3）機器人能夠對有讀數的表盤及油位標記、分合執行機構等進行自動讀取和識別，并異常狀態報警，讀數誤差小于±5%，識別準確率應不小于60%；

（4）具備紅外測溫功能，讀數與實際值（手持式高精度紅外測溫儀讀數）誤差小于±5%；

（5）具備拾音功能。能對設備運行噪聲進行采集、遠傳、分析。

測試內容主要包括：指針、數顯、油位等各種表計的識別、分合執行機構狀態識別、變壓器噪聲識別，及1 000 kV變壓器、互感器、隔離開關、避雷器等本體設備外觀檢查、關鍵部件紅外測溫等，試驗現場如圖5所示。

表計和分合機構巡檢覆蓋率、識別準確率試驗結果見表1。已測試機型中，61.5%機型的巡檢覆蓋率為100%，但23.1%機型的巡檢覆蓋率小于60%，與實現巡檢全覆蓋的要求相差較遠；53.8%機型的識別準確率大于60%（滿足識別準確率不小于60%的要求），23.1%機型的識別準確率在70%和80%之間，15.4%機型的識別準確率在80%和90%之間。

圖5 變電站機器人巡檢能力試驗現場Fig.5 Testing site of inspection ability test of substation inspection robot

表1 別準確率試驗結果Tab.1 Test results of recognition accuracy

紅外測溫準確率試驗結果見表2。已測機型均具備紅外測溫功能，且還具備三相溫差對比分析和異常報警功能；但部分機型的紅外測溫誤差較大，測溫誤差范圍最大的為1.29%～23.68%，23.1%機型測溫準確率為100%，38.5%機型的測溫準確率在80%～90%間，38.5%機型的測溫準確率小于80%。

此外，已測試機型均具備對變電站設備噪聲的采集、上傳功能，但70%機型都不具備噪聲波形分析功能。

因此，對于變電站巡檢機器人的巡檢能力，建議在以下方面進行改進：（1）加強變電站巡檢機器人應用的現場施工、安裝、調試和現場測試，及機器人云臺的模塊化設計研究，提高巡檢覆蓋率，拓展機器人的應用范圍；（2）進一步加強機器人巡檢圖像處理和識別技術研究，提高巡檢識別準確度（包括準確性和和穩定性）；（3）加強機器人紅外測溫設備的校準工作；（4）建議通過建立變電站設備噪聲庫，將機器人錄制噪聲波形與噪聲庫中波形進行比對分析，以準確、實時判斷設備是否出現故障。

表2 紅外測溫準確率試驗結果Tab.2 Test results of accuracy rate of infrared detection

3.2 運動功能

運動功能試驗項目包括自主導航及定位準確度、防碰撞功能、越障能力、涉水能力、爬坡能力、轉彎半徑、巡航時間和云臺性能。其中，在導航定位方面，目前，大多數機器人采用磁導航定位方式，機器人可按照預先規劃路徑自主移動及指定位置停靠，實現了在變電站設備區道路的全天候精確定位導航［13］；隨著傳感器技術的不斷突破，研制的機器人采用激光定位導航，實現了站內的無軌導航定位［14］。

自主導航定位精度試驗結果見表3。76.9%機型滿足“重復導航定位誤差不大于±10 mm”要求；除一個機型因在1 m/s速度下啟動不穩定未完成測試外，其余機型均滿足“在1 m/s的運動速度下，最小制動距離不大于0.5 m”要求。

越障高度、涉水深度和爬坡坡度試驗結果見表4。已測試機型中，除了一個機型不具備越障能力外，其余機型的越障高度均滿足“最小越障高度為5 cm”技術要求，其中，越障高度最高的可達到10 cm；

已測試機型中，除了一個機型不具備爬坡功能外，其余機型的涉水深度均滿足“最小涉水深度為100 mm”技術要求，其中，涉水深度最高的為18 cm。

表3 自主導航定位精度試驗結果Tab.3 Test results of autonomous navigation and positioning accuracy

表4 越障、涉水和爬坡試驗結果Tab.4 Test results of obstacle clearing，fording and climbing slope

3.3 抗電磁干擾性能

變電站巡檢機器人巡檢時受變電站運行電壓、附近通訊基站、及周邊的電磁騷擾等電磁干擾的影響，試驗項目包括射頻電磁場輻射抗擾度、靜電放電抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗三項。

關于輻射抗擾度試驗，已測樣品中，射頻電磁場輻射抗擾度試驗的試驗結果均為A級。但是各機型實際開展的試驗等級不統一。其中，38.5%機型開展的試驗等級為2級，低于實際應用中巡檢機器人應能承受的嚴酷等級為3級的試驗要求。

關于靜電放電抗擾度試驗，已測樣品中，3個機型的試驗結果為B級，其余均為A級。但各機型開展的試驗等級不統一。

關于工頻磁場抗擾度試驗的試驗，已測樣品的試驗結果均為A級別，但69.2%機型開展的試驗等級過低，低于實際應用中機器人應能承受GB/T 17626.8規定的嚴酷等級為5級的試驗要求。

由于目前GB/T 17626電磁抗擾度系列試驗標準是電工電子產品的通用標準，變電站巡檢機器人開展電磁抗擾度試驗可參照執行，但具體應開展的試驗等級尚未明確規定，建議進一步完善變電站巡檢機器人的試驗標準體系建設，明確具體的試驗等級要求。

3.4 環境適應性

一般要求變電站巡檢機器人的工作環境溫度為-25℃～+50℃（東北地區-30℃～+50℃），但實際應用表明，冬季雨雪結冰戶外環境對機器人性能有明顯影響，甚至導致機器人不能正常工作。因此，在變電站機器人投入應用前，需對機器人的環境適應性能進行測試。

目前，各機型的環境適應性能試驗依據的試驗標準不統一，如：有的機型依據GB 2423系列電工電子產品環境試驗標準，該系列標準主要是針對電工電子產品的環境適應性能方面的專用標準，且試驗項目和試驗方法具有一定的普適性；有的機型依據GJB 150系列軍工產品標準，其適用范圍較窄、普適性較差；有的機型依據GB/T 7261電力系統二次電路所用保護裝置、安全自動裝置及其接口設備等產品的試驗標準，該標準關于環境適應性能方面的試驗項目和試驗方法要求較低。因此，建議統一試驗標準，各機型依據GB 2423系列電工電子產品環境試驗標準開展環境適應性試驗。

3.5 IP防護等級

已測機型中，57.1%機型滿足IP34防護等級要求，其余機型滿足IP54防護等級要求。建議統一各機型的IP防護等級要求為IP54。

4 結束語

對目前國內變電站巡檢機器人巡檢系統主要性能指標進行了分析，從變電站巡檢巡檢作業特點出發，提出了今后設備性能改進方向。

（1）受成本以及生產自動化水平等方面的限制，不同型號的機器人性能指標差異較大，但變電站巡檢機器人不存在難以克服的技術難點，技術指標基本滿足變電站智能巡檢的應用需要；

（2）圖像智能識別技術是人工智能的關鍵點和難點，目前變電站巡檢機器人巡檢識別率較低（已測機型中，識別準確率大于60%的機型占比為53.8%），建議加強巡檢圖像智能處理和識別技術研究，提高巡檢識別準確度（包括準確性和和穩定性），以促進變電站巡檢機器人的實用化程度；

（3）變電站巡檢機器人巡檢時，對巡檢控制精度要求，還需加強機器人導航定位和最小制動距離控制精度。如，在導航定位方面，可考慮改進導航定位方式、采用高精度定位模塊、增加導航定位數據更新頻率等以提高定位精度；

（4）變電站巡檢機器人巡檢易受強電磁干擾及外界環境溫度、濕度、雨雪等環境因素的影響。目前，由于現有招標技術規范中沒有明確規定應遵循的技術標準，部分廠家在委托第三方檢測機構開展試驗時，遵循的試驗標準過低或開展試驗等級過低。建議加快試驗標準制定，進一步完善相關試驗能力建設，使技術指標與試驗方法標準化；

（5）深入了解電網實際應用需求，開發無導軌導航、小型化、工具化和集中使用變電站智能機器人，建立變電站能巡檢機器人巡檢信息集中管理平臺，是變電站巡檢機器人今后的發展方向。