智能巡檢機器人在電力配電站運維工作的應用分析

國家電網公司發展部新能源云運營中心 陳 康 北京華商三優新能源科技有限公司 賀家勝

北京行動智能科技有限公司 劉宜昌 飛騰信息技術（北京）科技有限公司 郭祥雷

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，我國配電網規模也逐漸增大。而現有配電網巡檢工作仍以人工巡檢為主。一方面巡檢人員的數量跟不上配電網設備增長的速度；另一方面，巡檢人員的責任心和業務水平對巡檢質量影響較大。此外，配電室是7×24h工作的封閉環境，人工巡檢無法在時間上和空間上對配電室進行全量監控。有限的巡檢時間，必然帶來設備運轉的黑盒時間，設備故障和隱患無法及時監控與消缺。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故障隱患，甚至可能帶來巡檢人員人身安全的風險。隨著智能配電網建設的發展，對巡檢人員的業務水平要求越來越高，因而巡檢自動化乃至智能巡檢不可避免地提上日程。而通過機器人完成巡檢業務，已經是完成智能巡檢的業內共識。

2 機器人在電力巡檢中的應用現狀

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

從2005年起，我國就開始研究機器人在電力巡檢系統中的應用，之后依據《國務院關于印發“十三五”國家科技創新規劃的通知》《國家能源局配電網建設改造行動計劃（2015—2020年）》《國家電網公司2015-2020電網智能化滾動規劃指南》《南方電網十三五智能電網發展規劃研究報告》等政策文件，國網公司和南網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，主要參與研發機器人企業有山東魯能智能、沈陽新松、深圳朗馳等，其中有些產品已經獲得規?；瘧谩?/p>

從2015年起，國內開始研究機器人在站室內部的巡檢，使用機器人替代運維人員來進行可見光、紅外、音頻、局放、溫升等監測，并獲取設備狀態如斷路器、接地、信號燈、儀表盤、開關狀態等。但由于站室內部環境復雜，前期研究主要為架空軌道機器人，成本較高，部署程序煩瑣，施工周期長，推廣難度較大。

3 機器人在配電巡檢中的應用前景

2021年9月28日，北京市發布新地方標準DB11/T527-2021《配電室安全管理規范》，于2022年1月1日起正式實施。新標準首次明確了配電室智能運維的定義、技術要求和行業規范，要求配電室智能運維企業依據“云、大、物、移”等現代信息技術建設智能運維系統，以實時監測數據為基礎建立智能運維中心，結合智能運維操作隊伍對轄區內配電室開展智能化運維工作，實現“無人值班，少人值守”的智能化運維模式。在此政策推動下，通過機器人實現配電室的巡檢，已經成為行業的必然。北京電力業務發展方向，也將對全國電力業務發展起到引領作用，因而必將推動全國范圍內智能巡檢機器人的規?；瘧?。

配電業務的智能巡檢，是利用智能通信手段和傳感技術將配電室的電氣信息、非電氣信息（包括環境信息、安防信息）、視頻監控信息、機器人采集信息等數據通過本地網管以及光纖與以太網等上送至監控指揮中心，對配電室實施遠程監控，實現配電室本地的無人值守。

在這一體系下，機器人的使用是將配電室的巡檢由“自動化”提升為“智能化”的重要設備。對機器人的使用，并非簡單地實現人工替代，應當進行巡檢業務的提升，將此前人工巡檢難以進行的業務也納入常規巡檢之中。并通過APP、大數據等手段簡化操作人員與管理人員的工作，實現巡檢業務的智能化和現代化。

此外，機器人的使用，也相當于實現了7×24小時機器人值守，提高了巡檢頻次和巡視質量，使配電室巡檢由故障巡檢向狀態巡檢轉變，保障配電設備的安全運行。由于常規情況下無需人工干預，也降低了工作人員的交通安全風險和運維安全風險。

4 系統構成和應用分析

4.1 配電室巡檢業務范圍

配電室的巡檢包括：一是開關柜、斷路器、負荷開關、配電柜、配電箱、繼保、直流屏等設備的電流、電壓、開關狀態、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、視頻等信息[2]。

隨著配電自動化的逐步推進，電氣信息已經上送到配電自動化系統，可進行實時或準實時監控。但考慮到主要通訊方式為電力載波，其數據質量還有待進一步檢驗[3]。

對配電站室的人工巡檢，主要針對非電氣信息進行，由巡檢人員通過聽、看、聞、抄的方式，對配電室內聲音、氣味、土建結構、照明設施、消防設施、防鼠板及封堵、空調、風機、漏雨進水、室內清潔、設備電流電壓溫度等電氣信息、各設備線路接點、各電氣設備電弧和打火痕跡、儀表數字等進行巡檢[4]。

由于人工巡檢存在的問題，使用機器人替代人工巡檢，不僅可以消除人工巡檢的可靠性問題和質量問題，還可以進行縮短巡視周期，減少黑盒時間，最大限度提高設備安全，保障配電網安全運行。

對巡檢信息，可采用安全芯片進行加密傳輸，以確保電網數據的安全。

4.2 基于機器人技術的遠程巡檢架構

在使用機器人替代人工巡檢的情況下，提出遠程巡檢架構如圖1所示。

圖1 基于機器人技術的遠程巡檢架構

機器人的使用并非替代當前的配電自動化系統，而是作為配電自動化系統的補充和提升，將之前自動采集無法實現的一些數據采集上來，并提高采集頻率。

這一架構下，數據采集層同時進行配電數據的自動采集，以及機器人、視頻的非電數據采集。其中，對設備儀表數字的讀取，在光線不足時，可采用紅外補光的方式進行。對一些要求比較高的配電站室，還可以同時通過機器人采集重要的電氣數據，為配電自動化數據采集提供參考與修正依據。

數據傳輸層，是通過無線或有線的方式，接入數據采集層的信息并向上轉發。數據傳輸層可采用多個通信網關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。機器人本身的通信，視配電室本地的通訊實際情況，既可搭載4G或5G模塊進行通訊，也可通過通信網關轉發。

安全計算芯片部署在機器人設備上，就機器人本體算法的安全性方向進行考慮，融合飛騰基于ARM指令集架構授權的國產芯片和內置安全可信功能，對機器人本體計算安全做了加碼，實現安全的智能計算機器人。并且通過國家電網公司提供的“國網芯”安全加密芯片對傳輸的數據進行加密，配電監控系統的數據接收端完成解密。針對各行業、各領域使用安全智能計算機器人得到相對較高的處理業務安全保障。

監控指揮層一般包括配電監控系統、指揮大屏和物理服務器設備等。其中，配電監控系統是監控指揮層的核心，包括設備管理、實時電氣圖繪制、電氣量監測、非電氣量監測、視頻監控、機器人監控、故障告警管理、歷史數據分析、系統管理等部分。

4.3 機器人功能設計

機器人是本方案的核心，本文不建議使用一種統一功能的機器人來實現所有配電站室的巡檢，而應當視配電站室的實際情況、業務需求，采用不同功能的機器人完成巡檢，實現業務開展與投資規模的科學規劃。

作為人工巡檢的替代，機器人應當具備基礎的人工巡檢功能，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]到機器人的成本，這些傳感器可以安裝在配電室內，機器人在巡檢過程中，與傳感器進行通信，讀取傳感器信息與狀態。而機器人本身應具備升降、視頻、可見光、紅外裝置，通過升降裝置和紅外熱成像儀，實現人工觀察盲區進行全覆蓋巡視和高位儀表盤數據讀取。同時，由于工作人員可在遠端操控，對必要區域還可以進行人工遠控補盲處理[5]。

對一些要求較高的配電站室，可以在機器人上搭載局放、溫升、電弧識別等裝置，提升巡檢質量。尤其是低壓配電線路的電弧短路引發的火災，占據了電氣火災發生的一半，對有條件的單位，可在重點電路或有故障風險的電路中加裝電弧故障檢測器，同時在機器人身上搭載電弧識別通信與管理裝置，通過對本地電流、頻域信號進行檢測分析，并結合小波變更檢測等方式進行綜合邊緣計算，及時發現和上報電弧故障，甚至下發脫扣命令，執行現場切斷操作，以保障電氣線路安全。

此外，巡檢機器人還應具備越限預警、路線設置、巡檢計劃管理、巡檢內容設定、缺陷上報、手動控制響應、自動充電等功能。其中，越限預警設置機器人在獲取設備及傳感器信息的測點數據時，根據設置的閾值判斷是否需要發送告警。路線設置為根據RFID編號，規劃若干條巡檢路線、充電路線，實現機器人的無軌移動。巡檢計劃是根據業務需求，設定巡檢時間與巡檢路線，讓機器人可以根據巡檢計劃自動進行巡檢，并設定機器人需要檢測的測點。當機器人發現缺陷時，實時上報到管理系統，管理系統根據缺陷內容，發出告警或故障提示。手動控制即監控指揮人員可在后臺界面中終止機器人的操作，對機器人進行手動控制。自動充電即當機器人監測到自身電量低于設定閾值時，按照規劃路線自動巡航至充電區域，完成充電。

機器人通過搭載安全加密模塊來部署加密芯片，對安全加密模塊應盡可能選擇成熟技術產品，在確保安全的同時保障通道暢通。

根據國網與南網的機器人應用實踐，基礎電氣信息、可見光、視頻、紅外、局放、溫升等重要監控信息已經在機器人巡檢中得以示范應用。但無論國網還是南網，目前進行的研究還專注于通過機器人進行全量高質量巡檢，但該類機器人成本較高，難以大規模推廣，反而使機器人替代工作進展緩慢。實際上，進行人工替代的機器人，更應優先完成基礎巡檢工作，降低機器人成本，實現機器人巡檢的規模覆蓋，以提高配電站室巡檢的基礎質量。

圖2 智能巡檢機器人在配電室應用實例

5 結語

機器人巡檢是配電自動化發展的必然，本文結合配電站室巡檢需求，介紹了一種基于機器人技術的遠程巡檢架構，并對巡檢機器人的功能進行了規劃。該方案能夠有效降低人工風險，提高工作質量和效率，保障配電站室的可靠運行，為配電自動化的深入開展提供可靠的技術保障。