变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用.pdf

第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用李忠柱，曾令超，石志鹏，娄清辉，董 顺，高 元（南京南瑞继保工程技术有限公司，南京 211102）摘 要：变电站巡检是保障电力设备安全运行的有效措施，对于无人值守和偏远变电站，在高温及恶劣天气需要进行重点巡检时，将面临人员不足，无法快速覆盖等难题。面对以上困难，分析了变电站巡检机器人全天候作业的需求，提出全天候作业巡检的关键技术，研究了巡检机器人的应急作业模式和联合巡检策略。新型机器人在越野越障、全天候作业等方面具有独特的优势，具有很好的推广应用价值。关键词：变电站；巡检；机器人；全天候中图分类号：TM63；TP277 文献标志码：AResearch and Application of Substation Inspection Robot for All-Weather OperationLi Zhongzhu，Zeng Lingchao，Shi Zhipeng，Lou Qinghui，Dong Shun，Gao Yuan（NR Engineering Co.,Ltd.,Nanjing,211102,China）Abstract：Substation inspection is an effective measure to ensure the safe operation of power equipment.For unmanned and remote substations,when key inspections are required in high temperatures and harsh weather,they face challenges such as insuffi-cient personnel and inability to quickly cover.Faced with the above difficulties,the demand for all-weather operation of substation inspection robots was analyzed,and key technologies for all-weather operation inspection were proposed.The emergency operation mode and joint inspection strategy of inspection robots were studied.The new type of robot has unique advantages in off-road ob-stacle crossing and all-weather operation,and has good promotion and application value.Key words：substation；inspection；robots；all weather收稿日期：2023-08-31作者简介：李忠柱（1988-），男，江苏连云港人，硕士，高级工程师，研究方向：电力设备监测及控制产品的研发。DOI:10.3969/j.issn.1671-1041.2023.12.006文章编号：1671-1041(2023)12-0023-050 引言随着中国城市建设和社会经济的不断发展，用电负荷逐年攀升，电网整体架构日趋庞大复杂，变电设备的电压等级、数量和规模也不断扩大，然而居民和企业对用电的可靠性和稳定性要求越来越高。为保障变电站的平稳运行，需要定期对变电站进行巡检1，尤其体现在高温、台风、暴雨等极端天气下，通过对电力设备的定期巡检，有效地提高电力设备的维护效率和运行效率，减少设备故障的发生。电力设备超负荷或故障时可以及时发现电力设备的故障和隐患，采取正确的措施进行维修和保养，保障电力设备的安全性和可靠性。同时，电力服务巡检还可以通过监测电力设备的运行状态，提高设备的运行效率，降低能耗和维护成本。电力巡检作为实时监测和检查电力设备健康状态的重要手段，已经成为电力公司运维人员的主要任务。以一个500kV 变电站为例，其需要巡检的点位超过一万点，人工巡检方式通常受到巡检人员自身多种因素的影响，巡检效率低2，出错率高。当前运维管理模式与设备快速增长的矛盾日益凸显，存在设备监控强度不足，运维管理细度不足，支撑保障能力不足等问题，全站巡检的周期长，无法快速发现故障。同时对于偏远变电站和无人值守站，其巡第30卷24 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION检的人员缺口更大，智能化、无人化的巡检需求迫切。1 变电站巡检机器人应用随着人工智能、大数据、视觉识别、信息安全技术的发展，使机器人快速进入到人民的生产生活中，电网的快速发展对变电设备管理提出提质增效新要求。智能化技术的发展对电力巡检产生了巨大的促进作用，智能化表计、视频终端、在线监测技术的发展一定程度上替代了人工巡检的内容，但还未能实现站内巡检点的全覆盖，而移动机器人的普及，为电力巡检提供了新的智能化手段，也促进了电力巡检机器人在电力行业的发展。从机器人的分类上来说，分为工业机器人、服务机器人和特种机器人，变电站巡检机器人属于特种机器人，其应用场景、功能需求、使用方式方面均具有特殊性。当前变电站巡检机器人主要是轮式机器人，架构如图 1 所示。经过多年的发展和应用融合，变电站轮式机器人已实现在众多变电站的部署和应用，有效提升了对变电站设备的监视强度，在红外测温、表计抄录等方面作用明显，已实现部分人工巡视工作的机器替代，可以部分解决运维人员繁杂的抄表和巡检作业内容。但在机器人实用化过程中不断暴露出诸多问题，主要体现在定位不准确、导航迷失、组件故障率高和软件稳定性差等问题，现场运维人员对机器人功能的完善和升级也有较大的期待。除解决当前存在的稳定性不足等问题的同时，希望增加相应功能，以进一步提升机器人现场实际使用效能。功能一，具备越野越障功能，增加越野、爬楼梯等功能，扩图1 巡检机器人的整体架构Fig.1 Overall architecture of inspection robot大使用范围，提高巡检替代率和实用化水平；功能二，具备语音交互功能，机器人与运维人员巡视指令语音交互，机器人遇到故障语音求助自动拨打电话求助，遇行人挡道语音提示避让等功能；功能三，远程运维功能，地图自主扫描增加功能、巡检点位运维人员自定义功能，对于部分点位扩展、属性修订等工作，可有效提升工作效率；功能四，完善管理系统功能。巡检发现缺陷自动生成内容填报，增加数据横向、纵向比对和趋势分析功能等高级应用。故障联动检查，与监控系统、摄像头等其他辅控系统联动，收到异常告警，自主开展特巡并反馈结果。2 行业机器人应用调研随着相关行业新技术的发展，结合变电站机器人的应用情况分析，变电站巡检机器人需快速进化提升，引入相关新技术实现更新迭代，满足运维人员解决问题和满足新功能的需求，探索解决问题的新技术线路。重点针对大狗机器人、大疆无人机、送餐及送快递机器人、扫地机器人4 个智能化应用较好的行业进行深入调研，对其应用现状、技术路线、技术成熟度与电力巡检机器人的结合等情况进行分析，提出了可应用于电力巡检机器人的技术点，详细内容如下：1）四足机器人美国、日本等国对四足机器人进行了多年的研究。自20 世纪 90 年代起，由于电子计算机技术和仿生学技术的飞速发展，四足机器人也进入了高速发展阶段3。典型代表是美国波士顿动力在 2015 年和 2017 年分别推出了 Spot李忠柱变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用第12期25和完全电机驱动的四足机器人。国内宇树、云深处等在系统开发、步态规划和动态平衡控制、自主感知与规划导航等核心技术方面实现突破。经过对比分析，不同于现变电站通用的轮式机器人，四足机器人有以下优势：机动性优越，四足机器人的复杂地形通过性高，巡视角度更灵活更多元化，可弥补对当前轮式及轨道式机器人在巡检过程中存在的业务短板；仿生通过能力强，四足机器人较好的仿生式通过能力，可应用于配电室、管廊、室电变电站等环境下的设备或线路缺陷及异常巡检，降低综合应用成本。但四足机器人由于还未在变电站巡检中大规模应用，其电池续航能力、红外测温的定位精度方面还需进一步提升。2）大疆无人机无人机不仅作为飞行平台满足工作的需求，还被应用在植保、电力巡检、应急灾害救援以及航拍等领域4。无人机产品整机分为五大模块，其中最核心的技术包括 RTK定位导航、AR 投射、三维点云、视觉避障、自稳控制等。考虑到应用场景不同等因素，可引入变电站巡检机器人的技术包括：自主充电、电池更换技术，一线运维人员对机器人的巡检效率要求高，在机器人小室内置电池，自动完成机器人电池更换（或充电），并自动将换下的电池充电，确保机器人能进行高频次、密集型作业；结合卫星 RTK 的定位导航技术，RTK 技术可以在很短的时间内获得厘米级的定位精度，应用在巡检机器人上，可以使机器人具备更加灵敏的定位准度，方便开展精细化作业；无人机灵活挂载更换技术，将巡检机器人各检测部件解耦，进行模块化细分，类比无人机的多种专业性挂载更换技术，从而使机器人具备更加灵活可控的场景适应能力，利于一线巡检工作的开展。3）送餐及送快递机器人在餐饮行业中，企业普遍刮起一阵“送餐机器人”风，中国送餐机器人近年来开启了爆发式增长模式5。经过分析比较，送餐机器人及送快递机器人相关技术在民用市场已经规模化，产业链整合程度高，考虑到应用场景不同等因素，可考虑引入变电站机器人方面包括：人机交互、语音交互对话能力，一线运维人员对机器人的人机交互、语音交互能力需求迫切，包括后台唤醒机器人，机器人故障呼救，阻碍告警播报等方面，引入方式是在检测单元集成；在线一键更新系统，一方面人员缺口量大，另一方面运维设备的数量越来越多，对于新功能、新需求或小缺陷，通过发布新程序至硬件管理系统，实现运维人员自主更新、一键更新；灵活避障、行走意图可视化，电力巡检机器人避障及行走意图方面可借鉴送餐、快递机器人的技术路线实现灵活的避障，从而快速选择最佳路径通过，让人机通行更顺畅。4）扫地机器人目前国内扫地机器人年零售量已超过 650 万台，多年来的技术创新、应用技术的降本提效是驱动扫地机器人行业发展的重要原因，也让人们可以更好地体验到家庭的智能化，给消费者带来安全、健康、舒适、便捷的生活6。经过分析比较，扫地机器人相关以下技术，可考虑引入变电站机器人：视觉 SLAM，视觉 SLAM 可作为部分区域的辅助定位，弥补环境变化较大引起的激光定位不稳定问题；AI 视觉避障技术，AI 视觉避障可以识别激光传感器无法区分的杂草实现避障，同时实现特殊环境下避障情况，例如细小铁丝网等；“集中调度”多机协作：巡检机器人可与摄像头、无人机相互配合实现多机协作，利用机器人巡检时间长、运动灵活的特点，紧急情况下调用巡检机器人实现高温紧急告警、火警等紧急情况的现场实时监控。3 全天候作业巡检关键技术根据多行业的调研和技术分析，选取适合引入的技术点形成全天候作业巡检的关键技术，具体体现在系统集成、动力运动控制、检测设备、移动平台、安全网络接入和应急作业模式 6 个方面，详情如下：1）系统集成依据机器人相关技术发展脉络，借鉴先进技术，为满足变电站等工业场景的可靠巡检，巡检机器人系统集成依然围绕三维地图构建、定位与导航、感知与控制和业务执行等几个核心要素展开，提升防护等级至 IP66，改进整机高低温宽温（-40 55）可靠运行，使增量机器人成为功能可弹性的工业机器人。例如变电站扩建改造，大场景不变，但局部场景因改扩建或检修等原因发生变化，就对三维动态建图的能力提出了要求。在业务层面，运维人员随着对机器人系统应用的深入，也会在部署后逐步明确一些新的需求或功能变化，这也就要求机器人系统的功能应是弹性的，易于升级扩展。系统集成方面关键技术主要包括对系统巡检模式、快速部署模式、主站后台系统标准化、硬件集成原则以及云边协同模式等方面，作为全天候作业巡检的关键技术，以使得增量机器人系统环境自适应更强，更易维护，易于功能升级扩展，满足变电站更多的“单轨制”工作替代，大幅提升巡检效率和巡检效果。2）动力、运动控制定位导航可靠性方面，融合采用 RTK+3D 激光+IMU+里程计等多感知传感器设备，减少不同环境因素、不同传感器失效对定位导航的干扰，提高定位导航技术可靠性；通过动态激光 SLAM 高精度三维建图，实现对原有导航地图的自动更新，地图精准，在导航行进中能对障碍物距离高精度量测，增加机器人绕避障的容错距离，通过优化算法及高效自主路径规划，重新寻找合适路径，提升巡检运动控制智能化；通过将 GNSS、RTK、GPS、IMU、里程计等定位方式有机融合，以及站内视频摄像头对机器人的无源辅助定位等方式，实现更可靠的智能重定位方案。电池健康管理提升。通过电池健康管理系统（BMS），第30卷26 仪器仪表用户 INSTRUMENTATION图2 系统集成Fig.2 System integration 图3 多传感器融合方案Fig.3 Multi sensor fusion scheme图4 四足移动平台Fig.4 Quadruped mobile platform获取电池底层数据，通过对底层数据的分析衍生出对机器人电池的数据监控，电池健康集中监控，寿命节点评估等方式，实现电池安全充放电管理和减少续航衰减。通过灵活选用磷酸铁锂电池与三元锂电池，在高温季节地区为电池增设风扇、散热贴片等结构，低温季节地区则需要考虑增设加温片，保证电池续航。通过更换 2D/3D 激光方式，辅以精确可靠的融合导航定位，实现可靠充电。3）检测设备检测设备接口标准化。通过采用将检测功能模块化设计，检测设备分类接口标准化。将可见光摄像机（含补光）、红外热像仪、双向对讲组件、云台等进行一体化设计，形成云台检测组件；将局放检测、气体检测等设计形成具有标准安装和电气接口的功能模块。云台检测组件可快速与机器人本体之间组装联接，其它功能模块可快速扩展、更换，提高不同场景的功能扩展能力。检测设备 SDK 接口标准化，通过二次封装各厂家 SDK，转换为标准的输入输出接口，将检测功能与 SDK 解耦，实现检测设备在软件上的可扩展性和替代性。完善局部放电和声音采集功能。实现采用非接触式超声和特高频两种检测方式，降低对机器人运动定位的要求，减少环境干扰的影响，提高检测信号的有效性。综合局放、声音和测温数据的处理分析，通过对数据的多维对比分析，建立并积累采集信号数据库，并进行标定训练及模型优化，形成采集数据与设备健康状态之间的对应关系，达到自动对监测对象进行智能健康检测和智能异常诊断目的。4）移动平台四足机器人提升。通过四足机器人前后深度相机的视觉点云信息实现自适应切换步态，结合视觉算法，自主识别地形中障碍物的高度信息，并将相应的指令发送到控制主机，从而自主切换四足机器人运动步态。在四足机器人移动过程中，不经过人工干预和提前预设，自主切换步态和稳定运行。通过在四足机器人上方增设全景相机，使用图像拼接技术，将机器人全方位的图像进行拼接，实现360全向避障，可将全景图像推送到手动控制和远程监控界面。在手动控制器和远程界面，可直观清晰地感知周边环境信息，视频流清晰且延迟低。5）安全网络接入安全高效的网络接入提升。通过研发无线局域网产品满足 WAPI 的标准，采用 WAPI 标准所采用的各项密码技术。可在电力的生产网中采用 WLAN 网络通信方式，部署相应的安全措施。建议采用 WAPI 标准，通过对无线终端接入 WLAN 网络认证、国密 SMS4 算法以及双向证书认证，实现安全通讯。6）应急作业模式机器人应具备全站任意目标巡检，可支持任意巡检策略，即机器人应能根据巡检需求制定不同巡检内容、巡检周期，并能进行变电站全域任意可达。如指定查看站内某一位置消防器材是否有移动，同样能以最优路线到达，协助查看。巡检目标可任意设置，不局限于事先设定的巡检点位；巡检识别满足典型缺陷的同时，也能任意配置不同李忠柱变电站巡检机器人全天候作业的研究与应用第12期27图5 wapi安全网络架构Fig.5 Wapi secure network architecture能力，实现非特定模式缺陷识别。4 结论与展望根据以上关键技术，可解决现有轮式机器人面临的各种问题，同时满足运维人员对于新功能的需求，形成新型巡检机器人技术方案，并开展技术研究和应用落地。后续结合无人机实现空天一体的协同巡视，地面智能机器人定位准确、适应性强、低空覆盖面广，负责变电站内近地设备巡检数据采集；无人机在高空视野广、灵活性强，对于变电站内机器人无法巡检的区域能够做到多维度、无死角观测。通过机器人+无人机一体化巡视布局，实现对巡检数据全面采集，运行状态全面感知，巡视一体化贯穿及巡视的全过程汇聚。机器人和无人机优势互补，一体化巡视保证了变电站日常巡视、夜间巡视、详细巡视、专业巡视及动态巡视的有效执行，进一步提升了巡检工作质效，有效保障了变电站设备安全稳定运行。参考文献：沈贵军,陈建凯,李伟.智能巡检机器人在变电站中的应用研究J.智慧中国,2023(02):59-61.汪喆.智能巡检机器人关键技术与应用方案J.城市轨道交通研究,2023:102-105.苏军.多足步行机器人步态规划及控制的研究D.武汉：华中科技大学,2004.张枥允.浅析大疆无人机面临的机遇和挑战J.全国流通经济,2019(19):125-127.苏业环,任军.智能送餐机器人设计J.科技创新与应用,2018(07):32-34.王臣炜,韩桂明,吕金华,等.智能扫地机器人J.电子质量,2022(06):72-74,82.123456从表 1 中典型测量仪表和控制阀的选型可以看出，生物发酵工程和化工行业的仪表及控制阀的选型有许多差异，原因是生物发酵旨意培养出更好的菌种。生物工程对生产过程的环境和设备有着严格的要求，这使得卫生仪表和阀门的选择更加关注设备本身（部件材料、结构）以及环境因素是否会对生物发酵生产过程产生不利影响。4 结语目前，自动化测量仪器和控制阀在生物发酵行业的应用越来越多。然而，行业内对卫生仪表的选型没有系统的标准支持，导致设计师在选择卫生仪表时缺乏概念。同时，中国没有卫生标准，也缺乏权威的认证机构。本文介绍的卫生仪表的选用要点，希望对大家在生物发酵工程中的仪表阀门选型有所帮助。参考文献：梁世忠.生物工程设备M.北京：中国轻工业出版社,2008.徐晓燕.微生物发酵制药技术探讨J.中国战略新兴产业,2018(08):146.张爱萍,孙咸泽.药品GMP指南:质量管理体系M.北京:中国医药科技出版社,2011.牛超,徐定伟,王军,等.发酵罐温度控制系统的设计J.自动化与仪器仪表,2008(05):10-12.美国食品药品监督管理局.3-A一般卫生标准要求:ANSII/3-A 00-00-2014S.2014.邱树毅.生物工艺学M.北京:化学工业出版社,2009.韩德权.发酵工程M.哈尔滨:黑龙江大学出版社,2008.赵贵明.微生物培养基东及其原材料质量控制M.北京:中国质检出版社,2023.张鹏,罗松,王博思.医药发酵工艺控制系统的设计J.自动化与仪器仪表,2019(11):104-106.123456789（上接58页）