變電站巡檢機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展綜述

張貴峰，張志強(qiáng)，沈鋒

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 前言

巡檢就是對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，排除隱患。變電站、輸電線路、工廠、建筑等地點(diǎn)都需要日常巡檢維護(hù)，特別是變電站等環(huán)境，設(shè)備數(shù)量和種類較多，一旦有隱患沒有及時(shí)排除，輕則無法正常運(yùn)行，重則影響周邊大面積區(qū)域的正常生產(chǎn)生活，甚至造成人身傷害。例如，本世紀(jì)初北美電力系統(tǒng)大停電事故，在事故中變電站變壓器絕緣劣化產(chǎn)生了故障，由于未及時(shí)巡檢維護(hù)，最終引發(fā)了大規(guī)模停電。

目前巡檢主要依靠人工完成，即使巡檢流程完善嚴(yán)謹(jǐn)，仍避免不了人工帶來的漏洞，并且變電站故障類型眾多，某些故障人工巡檢維護(hù)較為困難，甚至威脅工作人員人身安全。變電站智能巡檢作業(yè)機(jī)器人作為新型巡檢作業(yè)手段，可以代替人工對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡檢作業(yè)，起到減員增效作用，保障了工作人員人身安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能電網(wǎng)的概念被提出，世界多國(guó)陸續(xù)開展了變電站智能巡檢機(jī)器人相關(guān)研究，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用，提升電網(wǎng)智能化水平。

本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外變電站巡檢機(jī)器人現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，其次介紹了變電站巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)變電站機(jī)器人的未來發(fā)展進(jìn)行展望，總結(jié)了變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用前景以及技術(shù)難點(diǎn)。

1 變電站巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外變電站巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，500 kV 變電站巡檢機(jī)器人，但是由于技術(shù)問題，僅在2～3 所變電站試用并停止了后續(xù)的研發(fā)，如圖1(a) 所示[1]。八十年代末期，日本研制出了地下管道監(jiān)控機(jī)器人[2]，用于監(jiān)測(cè)275 kV 地下管網(wǎng)內(nèi)的溫度、濕度、水位、甲烷氣體、聲音、超聲、彩色視頻圖像等，如圖1(b)所示；九十年代，日本又研制出了渦輪葉片巡檢機(jī)器人[2]，配電線路巡檢機(jī)器人等應(yīng)用于不同場(chǎng)景的巡檢機(jī)器人，如圖1(c)，圖1(d)所示。

圖1 日本變電站巡檢機(jī)器人

美國(guó)研發(fā)的變電站檢測(cè)機(jī)器人[3]，能夠?qū)崿F(xiàn)電力設(shè)備自動(dòng)紅外檢測(cè)，并使用檢測(cè)天線定位局部放電位置，如圖2所示。

圖2 美國(guó)電力巡檢機(jī)器人

新西蘭研制的電力巡檢機(jī)器人[2]，采用全球定位系統(tǒng)（Global Position System,GPS）定位，具備雙向語(yǔ)音交互以及激光避障功能。

圖3 新西蘭電力機(jī)器人

2013年，加拿大研制出了一種檢測(cè)及操作機(jī)器人[3]，采用GPS 定位方式，具備視覺和紅外檢測(cè)功能，并能遠(yuǎn)程執(zhí)行開關(guān)分合操作，如圖4所示。

圖4 加拿大檢測(cè)及操作機(jī)器人

1.2 國(guó)內(nèi)變電站巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)，國(guó)家電網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院及下屬的山東魯能智能技術(shù)有限公司于1999年最早開始變電站巡檢機(jī)器人研究。2004年，研制成功第一臺(tái)功能樣機(jī)，后續(xù)在國(guó)家電網(wǎng)公司多個(gè)項(xiàng)目支持下，研制出了系列化變電站巡檢機(jī)器人[1]，如圖5所示。如今其自主研發(fā)設(shè)計(jì)的變電站智能巡檢機(jī)器人已在全國(guó)推廣應(yīng)用，服務(wù)于29個(gè)省的500 多個(gè)變電站，覆蓋110～1000 kV 電壓等級(jí)，產(chǎn)品市場(chǎng)份額占國(guó)內(nèi)50%以上，穩(wěn)居行業(yè)第一。

圖5 國(guó)家電網(wǎng)公司系列變電站巡檢機(jī)器人

此外，2012年2月，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制出軌道式變電站巡檢機(jī)器人，如圖6所示，可在冬季下雪、冰掛情況下的變電站進(jìn)行巡檢工作。

圖6 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所軌道機(jī)器人

2016年起，南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)公司啟動(dòng)變電站巡檢機(jī)器人樣機(jī)研制項(xiàng)目，并成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外局放的精準(zhǔn)檢測(cè)的機(jī)器人項(xiàng)目，如圖7所示。

圖7 南方電網(wǎng)首臺(tái)自主研發(fā)的變電站機(jī)器人

昆明供電局變電管理二所于2017年12月開展變電站智能巡檢機(jī)器人項(xiàng)目，用以緩解人力資源不足的情況。2018年，昆明供電局首座500 千伏草鋪?zhàn)冸娬局悄苎矙z機(jī)器人項(xiàng)目完成基礎(chǔ)建設(shè)，如圖8所示。

圖8 昆明供電局500千伏草鋪?zhàn)冸娬狙矙z機(jī)器人

除此之外，隨著智能電網(wǎng)及智能變電站的建設(shè)，國(guó)辰機(jī)器人、億嘉和、國(guó)自機(jī)器人（如圖9所示）等為代表的機(jī)器人研制企業(yè)也取得了良好的發(fā)展。

圖9 國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)研制機(jī)器人

2 智能巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度自主導(dǎo)航定位技術(shù)

由于變電站巡檢機(jī)器人多應(yīng)用于無人值守或少人值守的現(xiàn)代化變電站，大都采用全自主運(yùn)動(dòng)及返回的控制方式，對(duì)導(dǎo)航定位系統(tǒng)要求較高，因此巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自主化、巡檢智能化的首要關(guān)鍵技術(shù)就是高精度自主導(dǎo)航定位技術(shù)。

早期研制的變電站巡檢機(jī)器人多采用軌道式移動(dòng)控制方式，機(jī)器人沿鋪設(shè)好的地面軌道、空中設(shè)立的線路軌道以及磁軌道等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)及停靠位置的控制。軌道式導(dǎo)航控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、精確度高，但是固定軌道也為機(jī)器人功能擴(kuò)展帶來了限制。固定軌道使得機(jī)器人巡檢路線固定單一，不易實(shí)現(xiàn)自主避障，不能實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的全覆蓋，機(jī)器人自主巡檢能力不強(qiáng)。并且固定軌道導(dǎo)航技術(shù)需提前在路面鋪設(shè)導(dǎo)航軌道，前期基建工序復(fù)雜、建設(shè)成本較高，并且由于軌道暴露在路面，受雨水浸泡、陽(yáng)光曝曬等影響，易產(chǎn)生損壞、脫落、失磁等問題，需定期對(duì)軌道進(jìn)行檢修，維護(hù)復(fù)雜、成本高。

無軌導(dǎo)航技術(shù)是巡檢機(jī)器人自主移動(dòng)、巡檢設(shè)備的前提。目前常用的導(dǎo)航控制技術(shù)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global navigation satellite system，GNSS）、慣性導(dǎo)航等[4]。GNSS 導(dǎo)航技術(shù)利用GNSS 衛(wèi)星，對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行定位，但變電站的復(fù)雜電磁環(huán)境會(huì)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重制約了其導(dǎo)航可靠性。國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)人員首先嘗試采用GNSS等無線信號(hào)定位的導(dǎo)航技術(shù)，由于變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，在局部區(qū)域存在信號(hào)丟失，在變電站內(nèi)適用性不強(qiáng)。慣性導(dǎo)航是無源導(dǎo)航方式，受電磁干擾小，其利用機(jī)器人搭載的慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU），根據(jù)測(cè)量加速度、角速度等數(shù)據(jù)，獲取機(jī)器人的位姿和速度信息，但慣性導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累計(jì)，嚴(yán)重制約了其長(zhǎng)時(shí)可用性。

多源融合導(dǎo)航算法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度的定位導(dǎo)航，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、自主性強(qiáng)、任務(wù)路徑變更靈活等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室率先開展了激光/視覺系統(tǒng)的多傳感器融合的導(dǎo)航方式，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)機(jī)器人的自主定位、導(dǎo)航、避障等功能，導(dǎo)航定位精度達(dá)到3 cm，拓展了室外移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式，解決了機(jī)器人活動(dòng)范圍對(duì)既定軌道的依賴性問題。

2.2 環(huán)境智能感知技術(shù)

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)變電站環(huán)境的感知是智能化、自主化巡檢的前提，特別是機(jī)器人防碰撞的需求，要求機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)全天候巡檢情況下對(duì)周邊環(huán)境的感知。

即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localiza tion and Mapping，SLAM）技術(shù)的相關(guān)概念最早由Cheeseman 等在1986年的IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議提出，旨在將基于估計(jì)理論的方法引入機(jī)器人的建圖與定位問題中，通過對(duì)特征間的關(guān)系和不確定性進(jìn)行描述，建立準(zhǔn)確的SLAM 的數(shù)學(xué)模型[5]。SLAM 技術(shù)具體是指搭載環(huán)境感知傳感器等的運(yùn)動(dòng)主體，在未知環(huán)境或已知地圖中利用傳感器對(duì)環(huán)境的觀測(cè)信息創(chuàng)建地圖或增量式的更新優(yōu)化地圖，常用于載體對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知。在SLAM 算法中，定位與建圖相互依賴，高度相關(guān)，未知環(huán)境精確地圖的建立依賴于機(jī)器人定位算法的準(zhǔn)確性，而要在未知環(huán)境地圖中進(jìn)行定位同樣依賴已建立的局部地圖。經(jīng)過30 余年的發(fā)展，SLAM 及相關(guān)技術(shù)日漸成為無人駕駛、機(jī)器人、室內(nèi)導(dǎo)航與定位等應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

按主要應(yīng)用的傳感器類型，SLAM 技術(shù)可以劃分為視覺SLAM 和激光SLAM。其中，因?yàn)榧す饫走_(dá)處理速度快、數(shù)據(jù)精度高、可以高效響應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境下場(chǎng)景變化，被主流廠家采用進(jìn)行變電站環(huán)境感知。當(dāng)前，激光SLAM 框架一般分為前端掃描匹配、后端優(yōu)化、閉環(huán)檢測(cè)、地圖構(gòu)建4個(gè)關(guān)鍵模塊。前端掃描匹配是激光SLAM 的核心步驟，工作內(nèi)容是已知前一幀位姿并利用相鄰幀之間的關(guān)系估計(jì)當(dāng)前幀的位姿；前端掃描匹配能給出短時(shí)間內(nèi)的位姿和地圖，但由于不可避免的誤差累積，后端優(yōu)化正是當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間增量式掃描匹配后優(yōu)化里程計(jì)及地圖信息；閉環(huán)檢測(cè)負(fù)責(zé)通過檢測(cè)閉環(huán)而減少全局地圖的漂移現(xiàn)象，以便生成全局一致性地圖；地圖構(gòu)建模塊負(fù)責(zé)生成和維護(hù)全局地圖[6]。

2.3 路徑最優(yōu)規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃作為變電站巡檢機(jī)器人研究的重要問題，主要指通過環(huán)境感知，智能規(guī)劃一條從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的路徑，且盡量確保該路徑最短最為合理[7]。對(duì)于巡檢機(jī)器人的路徑規(guī)劃，概括其關(guān)鍵問題主要有：

1）全局路徑規(guī)劃問題：已知全局環(huán)境信息，如何通過合理的路線設(shè)置，規(guī)劃可行駛范圍、規(guī)避靜態(tài)障礙物。

最直接且可靠的全局路徑規(guī)劃方式是人工路徑設(shè)置，即結(jié)合實(shí)際環(huán)境人為進(jìn)行路徑的設(shè)計(jì)，充分考慮靜態(tài)障礙物的分布范圍，設(shè)置巡檢機(jī)器人的可行駛區(qū)域。此方法適用于具有比較明顯的機(jī)器人可行駛路面的地圖環(huán)境，并且人工設(shè)置路徑需借助可視化工具。除去人工設(shè)置的方法，自由空間法用結(jié)構(gòu)空間的方法對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行建模，并將巡檢機(jī)器人視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，保證其在建模環(huán)境中避開障礙物從起始點(diǎn)朝著目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)。同時(shí)，基于人工智能的研究推進(jìn)，多種智能路徑規(guī)劃方法也被提出，如蟻群算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和模糊控制算法等[7]。

2）最短路徑搜索問題：針對(duì)已規(guī)劃的路徑，如何求解地圖中兩點(diǎn)間的最短距離。

最短路徑搜索問題可以描述成根據(jù)先驗(yàn)地圖環(huán)境模型和全局路徑信息尋找從起點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。A*算法[7]是常用的一種最短路徑搜索算法，其使用代價(jià)函數(shù)描述地圖上兩點(diǎn)間路徑通過代價(jià)，遞歸搜索通過代價(jià)最小的路徑。Dijkstra 算法[8]是圖論中求取最短路徑的經(jīng)典算法，主要尋找一點(diǎn)至其余各點(diǎn)的最短路徑。Floyd 算法[9]是經(jīng)典的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，可以解決有向圖中任意兩點(diǎn)間的最短路徑問題。

2.4 圖像自主采集技術(shù)

變電站巡檢機(jī)器人極其重要的一項(xiàng)工作就是在巡檢過程中采集設(shè)備儀表圖像，比如常見的電流表、電壓表、氣壓表、溫度表等儀表的示數(shù)、變壓器套管等圖像。大部分現(xiàn)場(chǎng)儀表由于成本和歷史的原因都是現(xiàn)場(chǎng)指示儀表，并不具有智能儀表的遠(yuǎn)傳功能，因此需要巡檢機(jī)器人通過計(jì)算機(jī)視覺的方法去讀取儀表示數(shù)。儀表的示數(shù)不統(tǒng)一是設(shè)備圖像采集過程中的難題之一，儀表示數(shù)有的是數(shù)字式的，有的是指針式的，并且每個(gè)變電站的工況不一樣，用的儀表種類也不一樣，即使是監(jiān)控同樣指標(biāo)的儀表，也存在不同品牌不同樣式情況，即使是同一個(gè)變電站的同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也存在室外不同光照、巡檢機(jī)器人不同拍攝角度、不同程度的遮擋和模糊等情況，這給巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)儀表檢測(cè)和示數(shù)識(shí)別功能帶來了極大的難度。對(duì)于儀表檢測(cè)來說，線聯(lián)檢測(cè)器（簡(jiǎn)稱為VJ 級(jí)聯(lián)檢測(cè)器）是使用范圍最為廣泛、最為經(jīng)典的物體檢測(cè)器之一。近些年隨著智能算法的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在物體檢測(cè)領(lǐng)域大放異彩，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。Selective Search 策略是基于深度學(xué)習(xí)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)，這種策略為圖像多物體檢測(cè)計(jì)算出很多的候選框，稱之為Proposal。國(guó)外Girshick[10]等提出了一種基于RCNN 算法，總體上采取的是Selective Search 結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的框架。楊光[11]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站巡檢機(jī)器人圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)一步提升了表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率。李軍鋒[12]結(jié)合深度學(xué)習(xí)和隨機(jī)森林的電力設(shè)備圖像識(shí)別技術(shù)，將部分電力設(shè)備的準(zhǔn)確度提升到89.6%。除此之外，還有一系列的性能良好的深度學(xué)習(xí)檢測(cè)算法，應(yīng)用于物體檢測(cè)領(lǐng)域。

其次，機(jī)器人定位導(dǎo)航和云臺(tái)控制都存在一定的精度誤差，會(huì)使采集設(shè)備圖像時(shí)出現(xiàn)設(shè)備并未在視場(chǎng)中心，甚至偏差視場(chǎng)的問題。由此出現(xiàn)了一種基于設(shè)備模板庫(kù)的視覺伺服控制技術(shù)，依據(jù)機(jī)器人的云臺(tái)預(yù)置位驅(qū)動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)相機(jī)焦距和倍率，形成自動(dòng)巡檢模式下大視場(chǎng)的設(shè)備小圖，再比對(duì)模板庫(kù)中的設(shè)備小圖以提取目標(biāo)圖像位置的像素差，通過計(jì)算視場(chǎng)中的水平及垂直角度偏差控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，校正因?qū)Ш胶驮婆_(tái)控制誤差產(chǎn)生的目標(biāo)點(diǎn)偏離。目前的基于設(shè)備模板庫(kù)的視覺伺服控制技術(shù)雖然可以糾偏，但增加了巡檢時(shí)間，降低了巡檢效率，快速地伺服校正技術(shù)成為當(dāng)前巡檢機(jī)器人技術(shù)提升的重點(diǎn)研究方向。

2.5 紅外測(cè)溫技術(shù)

變電站的設(shè)備巡視工作方法一般就是目測(cè)、耳聽設(shè)備的運(yùn)行情況，后來常使用紅外測(cè)溫裝置檢測(cè)設(shè)備熱缺陷來保障設(shè)備安全[13-14]。因此，巡檢機(jī)器人搭載紅外熱成像儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備紅外測(cè)溫。在巡檢過程中，機(jī)器人利用紅外熱像儀采集設(shè)備紅外圖像并上傳監(jiān)控后臺(tái)，監(jiān)控后臺(tái)分析設(shè)備紅外圖譜獲取設(shè)備溫度，設(shè)備溫度超過正常溫度時(shí)，巡檢機(jī)器人預(yù)警設(shè)備缺陷，便于運(yùn)維人員獲得設(shè)備缺陷信息，進(jìn)而保障設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

日本早期研制的巡檢機(jī)器人就配備了紅外熱像儀和圖像采集裝置，代替原有的手持紅外熱像儀人工檢測(cè)設(shè)備熱點(diǎn)的方式，并且利用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式代替人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了人員安全。國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在此基礎(chǔ)上，研究了基于紅外測(cè)溫的三相對(duì)比并應(yīng)用于變電站巡檢機(jī)器人。

紅外圖像溫度識(shí)別技術(shù)目前已較為成熟，即根據(jù)物體的紅外輻射強(qiáng)度判斷其溫度高低，各廠家采用的識(shí)別技術(shù)基本一致。通常采用制冷焦平面熱像儀和非制冷焦平面熱像儀，主流廠家采用非制冷焦平面熱像儀，因其相比于制冷焦平面熱像儀，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、維護(hù)方便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

2.6 聲音識(shí)別技術(shù)

目前的變電站巡檢機(jī)器人普遍搭載拾音器，能夠?qū)υO(shè)備聲音進(jìn)行采集，以判斷設(shè)備運(yùn)行情況。國(guó)內(nèi)許多單位都對(duì)聲音識(shí)別開展了研究，其中清華大學(xué)[15]在1999年提出了基于聲音信號(hào)的變壓器狀態(tài)檢測(cè)方法，能夠利用機(jī)器代替人工“聽”取變壓器狀態(tài)。國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室[16]在2010年開展基于聲信號(hào)的分析研究，實(shí)現(xiàn)了變壓器異常的自動(dòng)檢測(cè)及環(huán)境噪聲分析。李晶[17]利用LBG 算法得到變壓器和高抗設(shè)備的碼本，將識(shí)別準(zhǔn)確率提升到99%。李紅玉[18]提出了基于聲音諧波特征及矢量量化的變電站設(shè)備聲音識(shí)別方法，以此來識(shí)別變壓器和高抗設(shè)備聲音。但現(xiàn)階段的變電站聲音識(shí)別仍存在以下兩方面的較大困難：

1）聲音采集困難。變電站場(chǎng)地集中了大量設(shè)備，設(shè)備聲音和環(huán)境聲音交叉干擾，難以區(qū)分。

2）沒有聲音識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。變電站設(shè)備聲音識(shí)別沒有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)采集到的聲音提取特征值后，無法從聲音樣本判斷設(shè)備是否存在異常。

2.7 局部放電檢測(cè)技術(shù)

局部放電檢測(cè)主要是對(duì)高壓開關(guān)柜的絕緣介質(zhì)間電氣放電情況進(jìn)行地檢測(cè)。主要的局放檢測(cè)方法有光學(xué)檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、暫態(tài)地電波檢測(cè)法、特高頻法[19]。

1）光學(xué)檢測(cè)法

利用光電倍增器檢測(cè)放電過程中產(chǎn)生的光信號(hào)，是局放檢測(cè)技術(shù)中靈敏度最高的方法。但由于玻璃和SF6氣體等物質(zhì)對(duì)光子信號(hào)吸收能力很強(qiáng)，因此這種方法無法透過開關(guān)柜對(duì)局部放電情況進(jìn)行檢測(cè)。這決定了光學(xué)檢測(cè)法只能采用離線檢測(cè)方式，無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

2）超聲波檢測(cè)法

局部放電激發(fā)的超聲信號(hào)帶寬較寬，可用聲發(fā)射傳感器在電力柜外檢測(cè)到。由于超聲波檢測(cè)法是非侵入式的，所以它對(duì)設(shè)備內(nèi)部局放產(chǎn)生的電磁場(chǎng)沒有影響，受設(shè)備外的噪聲影響較小。但由于聲信號(hào)在通過絕緣子和SF6時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的衰減，導(dǎo)致有部分情況下的超聲波檢測(cè)法無法準(zhǔn)確進(jìn)行局部放電檢測(cè)。

3）暫態(tài)地電波檢測(cè)法

暫態(tài)地電壓信號(hào)一般發(fā)生在絕緣內(nèi)部的局部放電中。當(dāng)開關(guān)柜設(shè)備產(chǎn)生局部放電時(shí)，電場(chǎng)能量會(huì)由電勢(shì)高的位置走向電勢(shì)低的接地金屬部分，從而在開關(guān)柜表面金屬形成對(duì)地的電流。在這過程中，放電是間歇性的，對(duì)地電流也會(huì)一直在改變，變化的電場(chǎng)周圍會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)會(huì)以電磁波的方式向外傳播。傳感器感應(yīng)到傳播過來的電磁波后，就會(huì)形成TEV信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)中利用電容耦合傳感器來檢測(cè)TEV 信號(hào)，再將信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以比較的放電量，如電壓幅值和頻率。這種方法檢測(cè)頻帶可達(dá)到1～25 MHz，并具備較高的檢測(cè)靈敏度。

4）超高頻法

超高頻法是檢測(cè)局放產(chǎn)生的電磁波的超高頻，超高頻是指300 MHz～3 GHz 之間的頻帶部分。由于噪聲干擾的頻率通常在500 MHz 以下，因此超高頻法抗干擾能力很強(qiáng)。但由于超高頻信號(hào)距離局放源越遠(yuǎn)衰減越大，要求傳感器離局放源較近，不適用于開關(guān)柜的局放檢測(cè)。

主流廠家基于其豐富的電力高壓柜局放測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，采用超聲波+ 地電波測(cè)量方式，通過兩種方法的互補(bǔ)和對(duì)比，拓寬了檢測(cè)頻帶、提高了檢測(cè)靈敏度，并結(jié)合時(shí)間維度上的趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備局部放電的精確監(jiān)測(cè)。

3 變電站智能巡檢機(jī)器人展望

3.1 變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用前景

變電站巡檢機(jī)器人數(shù)量遠(yuǎn)未達(dá)到市場(chǎng)飽和的程度，還有極大的發(fā)展前景。按國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)的規(guī)劃，原有樞紐及中心變電站智能化改造率將達(dá)到100%，加上將要建成的智能變電站，變電站巡檢機(jī)器人在短期看來將有十幾億元的市場(chǎng)容量。中長(zhǎng)期來看，我國(guó)的變電站巡檢機(jī)器人潛在市場(chǎng)規(guī)模接近百億元，具有較大的市場(chǎng)空間。并且若變電站巡檢機(jī)器人大量投入使用，并與變配電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、絕緣在線監(jiān)測(cè)系、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的共同配合下，變配電所將向著智能化和無人化快速發(fā)展，遠(yuǎn)期節(jié)約的人工成本也較為可觀。

此外，傳統(tǒng)變電站為保證變配電設(shè)備運(yùn)行安全，值班員必須在雷電、大霧、大雨等特殊天氣及設(shè)備運(yùn)行異常時(shí)進(jìn)行巡視檢查，但給值班員的人身安全帶來了較大的隱患，投入使用智能巡檢機(jī)器人后，此項(xiàng)工作完全可由巡檢機(jī)器人擔(dān)任，消除了值班員的人身安全隱患，其遠(yuǎn)期的社會(huì)效益也不可忽視。

3.2 變電站智能巡檢機(jī)器人未來技術(shù)發(fā)展

目前，變電站巡檢機(jī)器人已經(jīng)在浙江、江蘇、山東等省電力公司中推廣應(yīng)用，從實(shí)際利用的效果來看，機(jī)器人巡檢一定程度上可以替代人工完成日常的巡檢，但依然存在巡檢效率低、智能化水平較低等缺點(diǎn)。未來巡檢作業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是提高巡檢機(jī)器人的智能性和運(yùn)動(dòng)靈活性，具體體現(xiàn)在以下幾方面。

1）實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航定位技術(shù)

變電站巡檢機(jī)器人為保證自主導(dǎo)航的穩(wěn)定性、采集圖像的高質(zhì)量，在執(zhí)行巡檢任務(wù)過程中對(duì)停車點(diǎn)的定位精度要求較高。實(shí)際應(yīng)用中，由于機(jī)器人速度較慢致使整站巡檢時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要大大提高自主巡檢時(shí)車體的行走速度，同時(shí)保障機(jī)器人行走過程中導(dǎo)航的平穩(wěn)性、停車時(shí)的精確性，研究一種適用于高動(dòng)態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航技術(shù)成為未來必然趨勢(shì)。

2）簡(jiǎn)易化環(huán)境智能感知技術(shù)

受限于硬件性能和算法復(fù)雜度等因素，SLAM 技術(shù)尚無法實(shí)現(xiàn)定位與建圖的實(shí)時(shí)同步運(yùn)算。為確保場(chǎng)景內(nèi)的環(huán)境感知，在實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行之前必須要由專業(yè)人員根據(jù)場(chǎng)景實(shí)際情況對(duì)SLAM 算法進(jìn)行離線建圖，獲取場(chǎng)景環(huán)境的初步信息，這一定程度上降低了巡檢機(jī)器人的易用性。并且目前的激光SLAM 算法仍需要不同種類德傳感器輔助激光雷達(dá)以達(dá)到精度要求，而變電站巡檢機(jī)器人受限于成本、體積和變電站特殊環(huán)境，許多環(huán)境感知傳感器無法搭載，這降低了變電站巡檢機(jī)器人環(huán)境感知的精確性。隨著硬件性能的快速提升以及SLAM 算法的高速革新，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易化SLAM 算法是巡檢機(jī)器人的必然發(fā)展方向。

3）備缺陷智能分析技術(shù)

設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)是智能巡檢機(jī)器人一個(gè)重要的發(fā)展方向。變電站設(shè)備巡檢過程中，機(jī)器人利用圖像識(shí)別、紅外測(cè)溫等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備缺陷預(yù)警，但目前預(yù)警方法太過簡(jiǎn)單，可識(shí)別的缺陷類型較少。隨著各類檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和模塊化、小型化制造工藝的進(jìn)步，未來巡檢機(jī)器人將能夠搭載更多類型的傳感器，獲取多樣化的設(shè)備狀態(tài)信息。因此，設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)是未來巡檢機(jī)器人亟待發(fā)展的技術(shù)。通過設(shè)備缺陷智能分析技術(shù)，可以進(jìn)行更加精確的數(shù)據(jù)篩選和更加多維的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)和對(duì)設(shè)備缺陷類型、潛在故障位置和嚴(yán)重程度進(jìn)行智能判斷，便于運(yùn)維人員獲得準(zhǔn)確的設(shè)備缺陷信息，制定合理高效的應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)而保障設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

4）基于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的自主作業(yè)技術(shù)

巡檢機(jī)器人主要功能尚停留在對(duì)電力設(shè)備的遠(yuǎn)程測(cè)量和監(jiān)控上，不具備直接操作電力設(shè)備的能力。隨著自動(dòng)化、智能化水平的發(fā)展，未來巡檢機(jī)器人功能必將由發(fā)現(xiàn)問題向解決問題轉(zhuǎn)換，更深層次的減輕電力運(yùn)維人員的工作壓力。基于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的自主作業(yè)技術(shù)也必將是未來巡檢機(jī)器人的重點(diǎn)發(fā)展方向。通過機(jī)械臂的位姿分析技術(shù)、精確控制技術(shù)和設(shè)備操作規(guī)程建立中可開展機(jī)器人自主作業(yè)的規(guī)程特征數(shù)據(jù)庫(kù)，并研究不同規(guī)程特征下機(jī)器人自主作業(yè)的執(zhí)行方案與策略。

此外，加快各系統(tǒng)間互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)從任務(wù)下達(dá)到結(jié)果上傳的一體智能化，以及機(jī)器人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)器人零部件接口統(tǒng)一化和巡檢規(guī)范和制度通用化也是智能巡檢機(jī)器人未來的研究工作重點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電網(wǎng)智能化和變電站無人化的推進(jìn)，變電站巡檢機(jī)器人具有了廣闊的應(yīng)用前景。本文首先介紹了變電站巡檢機(jī)器人研究現(xiàn)狀，目前國(guó)內(nèi)外都開展了變電站巡檢機(jī)器人的研究，并推出了多款巡檢機(jī)器人在多個(gè)變電站進(jìn)行了應(yīng)用。其次闡述了變電站巡檢機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，目前變電站巡檢機(jī)器人上搭載了多種傳感器，通過自主導(dǎo)航、環(huán)境感知等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能自主巡檢。變電站巡檢機(jī)器人還有極大的發(fā)展前景，市場(chǎng)遠(yuǎn)未飽和，但還存在一些亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。本文最后總結(jié)了變電站巡檢機(jī)器人的應(yīng)用前景以及未來的技術(shù)重點(diǎn)，希望對(duì)變電站巡檢機(jī)器人的發(fā)展提供有用建議。