智能巡檢機器人在變電站中的應用分析

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局 李海生 覃廣斌 呂立帆 潘劍鋒

隨著電網規模的不斷擴大，智能電網技術得到了長足發展。同時，隨著人工智能技術的不斷進步，機器人巡檢技術在變電站中廣泛應用，機巡為主、人機結合未來將成為變電站巡檢的趨勢。本文對智能巡檢機器人技術及應用場景進行了介紹，并對智能巡檢機器人在變電站應用中存在典型問題進行了分析，提出了解決辦法。

隨著經濟的飛速發展，我國電網不斷擴大，變電站數量和設備數量急劇增長。電力體制改革進一步進入深水區，隨著集中控制及運檢一體化工作的推進，變電站進入無人值班模式。傳統的人工巡檢方式已經不滿足新的形勢需要，存在著許多難以克服的問題：

（1）衡量尺度問題：運行經驗是確保電力設備安全運行的一種技能，但運行經驗的積累過程具有單一性和時效性。人員一旦變動，就可能造成經驗流失，新的人員要積累經驗需要一個長期的過程。經驗的缺乏造成了對運行設備狀態掌握難度的增加。

（2）原始數據積累問題：由于設備運行狀態的原始數據和信息的積累不足，對事故的預防及排除無法提供有用的輔助性資料。

（3）勞動強度及人工成本問題：隨著變電站集控及運檢一體化工作的推進，運行值班員人員將減少，設備巡視的勞動強度將增加，巡視周期雖然被優化，但也造成設備出現突發狀況起初時不能及時發現并采取有效措施，等設備告警或跳閘時才發現，已經錯過了最好的處理時機。

采用智能機器人技術對變電站進行巡檢，在具備智能性和靈活性的同時也克服和彌補了人工巡檢的不足之處，既提升了變電巡檢作業的智能化水平，又避免了因巡視人員技能差、經驗不足、責任心不強等問題，更適應變電站無人化的實際需求，具有廣闊的發展空間和應用前景。

1 智能巡檢機器人系統構架

變電站智能巡檢機器人系統構架為分層式構架，由后臺管理系統層和前端移動站系統層組成，如圖1所示。

1.1 后臺管理系統

后臺管理系統層主要由后臺監控終端、交換機、無線AP及環境采集單元等組成，無線AP用于與機器人前端系統進行通信。后臺監控終端監控系統基于 Windows或linnux 系統，通過面向對象編程語言開發設計，為用戶提供友好的交互操作界面，實現人機交互，實現機器人監視控制功能，采集機器人運行狀態、當前位置及環境信息，向機器人下達工作任務及路徑規劃，實時顯示機器人當前采集的可見光圖像和紅外圖像及分析處理結果。對機器人采集數據進行存儲，并可方便查詢歷史數據進行多維度分析。

圖1 智能巡檢機器人系統構架

1.2 前端移動站系統層

前端移動站系統層包括機器人本體模塊和相關檢測控制模塊，主要由導航避障系統、檢測系統、電源系統、通信系統、控制系統以及運動系統六部分組成。前端移動站系統是智能巡檢機器人的移動載體和信息采集載體，主要負責導航定位信息的采集和處理，按照預先設好的工作任務自動規劃巡視路徑，并自主完成巡檢任務，移動至預設點位后完成定位校準、采集可見光圖像和紅外圖像采集，讀書識別等工作，并將采集的數據上傳至后臺管理系統。巡視任務完成后機器人自動返回充電房充電，在巡視過程中遇到障礙物時自動停車并報警，障礙消除后自行前進。機器人前方一般安裝有2-4個超聲波傳感器，超聲波傳感器采集機器人行走路線上的障礙信息，以IO的形式上傳到運動控制模塊，并根據控制模式判斷是否停車，實現機器人的自動避障功能。

2 機器人巡檢常用場景

智能巡檢機器人主要用于對變電站室外高壓設備開展紅外熱成像監測、可見光視頻拍攝、儀表圖像識別、聲音識別等巡檢任務，及時發現設備缺陷，并提醒變電站運行人員，具有智能性、客觀性、靈活性、安全性、集成度高等特點。

2.1 日常巡檢

變電站智能機器人按照設定的任務自主對變電站設備進行巡檢，主要進行表計識別讀取、設備狀態檢查、噪聲監測、紅外測溫等工作，工作智能化、檢測方式多樣化、巡檢工作標準化。智能機器人巡檢系統能夠對巡檢全過程進行管理，實現巡視路線、時間、巡視設備、報表管理于一體，并能夠為運行人員提供數據分析與決策支持。有效的克服了傳統的人工巡檢勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、手段單一等缺點。

2.2 特殊巡檢

機器人能夠替代運維人員實現在惡劣天氣下對設備自主巡檢，如高溫、大風、大霧、冰雪、冰雹、雷雨等特殊工況下的巡檢，有效降低工作人員在惡劣天氣戶外作業的安全風險。

2.3 實現一鍵順控等特殊功能功能

智能機器人巡檢系統與站內監控系統聯動，過機器人與監控系統聯動配合，機器人可以對設備狀態進行自動檢查，實現一鍵順控功能。也自動可對設備遙信告警進行現場確認，比如當變電站監控系統出現設備壓力低、溫度越限等告警時，機器人可根據告警內容自動導航至現場核實并發送檢查結果給運維人員。

2.4 遠程指導與應急指揮

遠程工程師可以操控機器人到達作業現場，同步觀看當前施工作業現場實況，并通過語音對講功能對作業過程進行指導，確保作業流程的規范性、安全性。同時機器人也可應用于應急指揮、安全督察等應用場景。

2.5 機器人集中控制管理

電網公司可在公司總部設置智能機器人集控中心對公司管轄的多個變電站機器人進行集中控制和統一管理，統一巡檢模式及巡檢標準，實現機器人巡檢作業標準化管理，同時將機器人巡檢數據進行大數據分析，及時掌握設備運行狀況。

2.6 降低運維人員勞動強度

綜合統計表明在傳統人工巡檢模式下，運維人員每天通過人工巡檢對設備巡視檢查、紅外測溫用時約3h，每年則需要1080h，采用機器人巡視后，值班員每月開展一次核對性巡視即可，每年用于巡視時間為36h，減少了1044h，大大降低了運維人員勞動強度。

3 變電站巡檢器人應用中存在問題及解決對策

3.1 對站內電纜溝蓋板及巡視小道的破壞

受變電站內設備及環境限制，機器人巡檢時需要在變電站電纜溝蓋板上行走，目前常用的變電站巡檢機器人重量在80kg以上，長期在電纜溝蓋板行走會造成電纜溝蓋板損壞甚至機器人掉入電纜溝壓壞電纜造成設備故障。

解決辦法：合理規劃機器人巡檢路線，盡量避免走電纜溝蓋板，如因條件所限必須從電纜溝蓋板穿越時，在穿越處電纜溝蓋板上覆蓋鋼板保護。在新變電站規劃設計時，將機器人巡檢道路納入設計中綜合考慮。

3.2 無線通信保密性不高

目前變電站巡檢機器人與監控主站常用的通信方式為WIFI 無線網橋傳輸，不滿足變電站網絡安全要求，在保供電時因停用無線網絡導致機器人無法運行。

解決辦法：加裝加密通信模塊，采用支持WAPI無線標準或230MHz電力無線專網通信模組通信。

3.3 機器人輪胎磨損過快

目前的變電站巡檢機器人多用四驅方式，機器人原地轉向時輪胎磨損嚴重，會造成定位偏移及巡檢脫軌，某省公司42臺機器人一年由于輪胎導致的故障占總故障數的18.6%。

解決辦法：將機器人由四輪驅動改為兩輪驅動，轉向方式由四輪原地轉向改為兩輪原地轉向；將真空胎更換為添加耐磨材料鏤空實心胎，合理規劃巡檢路徑，減少原地轉向次數，定期對機器人輪胎磨損情況進行評估，及時更換。

3.4 機器人續航能力不足

機器人充電時間需6-8h，滿電續航時間8h，由于500kV及以上變電站設備多，占地面積大，一臺巡檢機器人完成一次全站巡檢需要3天時間。

解決辦法：進行電池材料及快速充電技術研究，提升電池容量及充電速度；開展機器人自動換電池技術研究，通過機器人自動快速更換電池來提升續航能力。

3.5 機器人巡視存在盲區

由于受設備布置、安全距離及機器人自身體積限制，機器人巡視存在盲區，部分巡視點無法覆蓋，500kV變電站機器人巡視盲點在5%左右。

解決辦法：通過調整表計朝向、增加反光鏡，盲區增加專用攝像頭等手段可有效解決巡視盲區問題。

結束語：電站智能巡檢機器人能在一定程度上代替人工巡檢，有效降低運維人員設備巡視強度和安全風險，不但提高了變電巡檢作業的自動化和智能化水平，還改善了因巡視人員業務水平差、經驗不足、責任心不強、現場環境等原因不能及時發現設備缺陷的問題，為智能變電站和無人值守變電站提供了新型的技術檢測手段和安全保障，更快的推進了500kV變電站無人值班的進程。隨著人工智能技術的不斷進步，智能機器人巡檢系統在電網中有著越來越廣闊的應用前景。