智能巡檢機器人在變電運維工作中的改進及應用

胡冬良，丁敬，黃繼榮，艾飛，王一博

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

智能巡檢機器人在變電運維工作中的改進及應用

胡冬良，丁敬，黃繼榮，艾飛，王一博

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009）

智能巡檢機器人在變電站一次設備巡視、紅外測溫、表計識別、高清圖像對比以及氣象數(shù)據(jù)采集等傳統(tǒng)功能應用非常廣泛，給變電運維工作帶來了極大的便利。本文介紹的新型智能巡檢機器人在原基礎平臺上，進行了功能拓展和創(chuàng)新，通過數(shù)據(jù)建模和圖像比對，實現(xiàn)了變電站一、二次設備巡視范圍的全覆蓋；安裝的5軸機械臂，配以專業(yè)局部放電檢測儀器，首創(chuàng)國內(nèi)智能巡檢機器人在開關柜暫態(tài)地電壓局部放電檢測功能；此外，攜帶干粉滅火器，在發(fā)生火災時能第一時間進行應急處置。并結合案例介紹了新型機器人在帶電檢測方面的應用功能，并將機器人巡檢結果與人工測量數(shù)據(jù)進行對比分析，從定性分析和定量計算兩個方面驗證了機器人巡檢結果的有效性，為變電運維工作提供強大的支撐。

新型智能機器人；紅外測溫；局部放電檢測；變電運維

0 引言

隨著“三集五大”政策的不斷推進，無人值守變電站的巡視質量和數(shù)量如何得到保證是困擾變電運維人員的一個難題。智能巡檢機器人（簡稱機器人）的出現(xiàn)，從某種程度上緩解了這個矛盾。在機器人應用初期，機器人巡視內(nèi)容主要有2個方面[1]：

（1）機器人搭載了高清攝像頭，可定時、定點自動拍照、攝像，對有讀數(shù)的表盤及油位表計進行數(shù)據(jù)讀取，自動記錄和判斷，并提出報警。

（2）機器人搭載的紅外熱像儀對變壓器、互感器等設備本體以及各開關觸頭、母線連接頭等的溫度進行實時采集和監(jiān)控，并采用溫升分析、同類或三相設備溫升對比、歷史趨勢分析等手段，顯示影像中溫度最高點位置及溫度值，能按照要求對電流致熱型和電壓致熱型缺陷或故障進行自動分析判斷，并提出預警。

但在實際應用中，各種各樣的問題接踵而來，這就要求在后續(xù)項目中應對機器人進行不斷地改進和完善。在此通過對常規(guī)機器人的學習和了解[2]，對比分析介紹了改進型機器人的系統(tǒng)結構和功能，一方面針對常規(guī)機器人巡檢工作過程中遇到的問題進行了改進和優(yōu)化，使機器人的巡視更加智能化，減少需要人工干預的數(shù)量；另一方面，對常規(guī)機器人進行了功能拓展和創(chuàng)新，通過數(shù)據(jù)建模和高清圖像比對，實現(xiàn)了二次設備的巡視，同時配以升降平臺，實現(xiàn)不同樓層之間的巡視，完成了變電站一二次設備巡視的全覆蓋；通過加裝五軸機械臂，配以專業(yè)的局部放電（簡稱局放）檢測儀，首創(chuàng)國內(nèi)智能巡檢機器人暫態(tài)地電壓局放檢測功能；此外，攜帶了2.5 kg干粉滅火器，在發(fā)生火災時能第一時間進行處置，減少故障范圍的擴大，為設備運維人員爭取更多的處置時間。

以下重點介紹機器人在運維帶電檢測功能方面的應用，并通過紅外測溫及局放試驗兩個實際案例的分析和多次試驗，指出機器人的巡檢結果的有效性，為機器人在變電運維工作方面的推廣提供一定的借鑒經(jīng)驗。

1 改進型機器人系統(tǒng)功能

根據(jù)國家電網(wǎng)公司《變電站智能機器人巡檢系統(tǒng)技術規(guī)范》第1部分要求變電站巡視機器人需具備可見光檢測、紅外檢測以及噪音檢測3個方面的功能；而改進型機器人的系統(tǒng)結構如圖1所示，從圖1中可以看出，改進型機器人在原硬件基礎平臺基礎上，新增了應急處理功能和局放試驗功能。

智能巡檢機器人與無線網(wǎng)橋的基站之間采用無線通信方式接入，無線網(wǎng)橋基站及微氣象模與后臺的連接采用有線通信方式進行，機器人后臺主控計算器專線接入浙江省電力公司集中配置變電站智能機器人巡檢系統(tǒng)，不接入電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)。

機器人智能巡檢系統(tǒng)中主要包括：

（1）機器人本體控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)以下功能：云臺角度控制、檢測設備控制（如可見光攝像機、紅外熱成像儀和聲音采集等）、傳輸控制、機器人運動控制、停障控制、機器人電源管理和儲電控制。

圖1 改進型智能巡檢機器人系統(tǒng)結構

（2）導航系統(tǒng)：利用傳感器確定機器人在變電站中的精確位置，識別出道路區(qū)域和障礙物區(qū)域，并規(guī)劃出到達目標的合適路徑。

（3）自主充電系統(tǒng)，可檢測機器人的本體的設備狀態(tài)，需充電時，控制機器人回到充電室，完成充電。

（4）信息采集及處理系統(tǒng)，其功能主要包括：各種儀表的數(shù)據(jù)讀取、斷路器和隔離開關的分合狀態(tài)、紅外測溫、設備運行噪聲的采集和分析。

（5）監(jiān)控系統(tǒng)：用戶的主操作界面，可實現(xiàn)與機器人雙向信息交互，信息交互內(nèi)容包括檢測數(shù)據(jù)和機器人本體狀態(tài)數(shù)據(jù)；監(jiān)控系統(tǒng)還可控制機器人進行自主巡檢、特殊巡檢、遙控巡檢等。

（6）大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：收集機器人本體采集的各種檢測設備信息，自動統(tǒng)計生成報表，實現(xiàn)多源異構檢測數(shù)據(jù)存儲和處理，實現(xiàn)在線狀態(tài)評價；并可結合歷史數(shù)據(jù)，分析設施運行情況。

（7）應急處置：利用機器人平臺攜帶2.5 kg干粉滅火器，在發(fā)生火災情況下第一時間通過遙控指令的方式對現(xiàn)場進行緊急處理，避免災情的擴大，為運維人員趕赴現(xiàn)場爭取一定的時間。

（8）局放試驗：在運維工作中，對開關柜進行TEV（暫態(tài)地電壓）檢測是發(fā)現(xiàn)開關內(nèi)容故障和異常的一種常見的手段，改進型機器人安裝有5軸機械臂，攜帶專業(yè)的局放測試儀，可以對開關柜進行暫態(tài)地電壓局放試驗。

2 機器人的改進

巡視機器人的應用逐步推進，但在前期的試點工程中，機器人的應用遇到許多困擾和難題，本站在汲取了其他地區(qū)應用的經(jīng)驗，對運行實際工作遇到的下述問題進行了解決和完善。

（1）機器人在戶外平面布置變電站的設備巡視中得到廣泛使用，但對于戶內(nèi)層次布置變電站則顯得無能為力[3]。若采取每層都配置1臺機器人，其成本大大增加，治標不治本。

本站利用樓層的設備平臺，對原樓梯扶手進行了改造，并建立了合理的升降平臺，使機器人能夠按照巡視指令，通過轎廂實現(xiàn)了不同樓層的運載，并對設備區(qū)大門進行了改造，使設備區(qū)大門的開啟和關閉能夠按照機器人的指令進行，同時具備防小動物進入安全措施。

（2）本地區(qū)機器人的行駛路線最初采用導磁軌道，戶外變電所在設計巡視路線時需要在電纜蓋板上安裝軌道磁條，在日常工作中，電纜蓋板的翻動會造成機器人導軌磁條的損壞，導致機器人無法按照指定路線行駛，增加后期維護工作量[4]。

改進型機器人利用激光定位其在變電站中的精確位置，識別道路區(qū)域和障礙物區(qū)域，并規(guī)劃出合適路徑，實現(xiàn)無軌運行，大大減少了因軌道損壞而導致機器人停運的概率。

（3）當設備現(xiàn)場工作設備擋住了機器人行駛路線時，部分廠家的機器人不會識別，會撞上障礙，這樣需要人工通過監(jiān)控后臺主機的急停按鈕使機器人停止作業(yè)；部分巡檢機器人巡視到障礙時會停止原地，直到電量消耗不足時返回充電。文獻[5]提出一種繞行方案，從理論上來說是可行的，但是考慮到機器人未按規(guī)定路線行駛存在不確定的風險。

改進型機器人檢測到行駛線上遇到障礙物時，則直接停止作業(yè)，返回充電房并向監(jiān)控后臺發(fā)出告警信息。提醒機器人巡視任務發(fā)布人員應結合現(xiàn)場工作，對相應的區(qū)域進行回避。

（4）戶外通信網(wǎng)關與機器人之間采用無線通信，通信中斷后，往往機器人現(xiàn)場拍攝的圖片無法傳送到后臺，常規(guī)機器人會止步于此步任務而導致工作無法繼續(xù)運行[6]。

改進型機器人自身具備一定存儲功能，當通信故障時，機器人將數(shù)據(jù)存儲于自身的存儲空間，待通信恢復后自動上傳。

3 新功能的開發(fā)

對機器人還開發(fā)了一些新的功能：

（1）二次設備巡視。本次對機器人功能的拓展開發(fā)包括了二次設備的巡視，利用高清相機對二次設備狀態(tài)進行拍攝，進而對圖片中壓板和切換開關的位置進行辨識，與數(shù)據(jù)庫中設備狀態(tài)進行比對，進而分析二次設備狀態(tài)進行分析，同時對告警信號指示燈的狀態(tài)進行分析，一旦出現(xiàn)異常告警或狀態(tài)不一致情況及時告知監(jiān)控后臺引起值班員注意。

（2）紅外設備測溫。紅外設備測溫是變電運維工作發(fā)現(xiàn)設備缺陷隱患的一個重要手段，常用來監(jiān)測設備的溫度，跟蹤帶電運行的缺陷設備的缺陷發(fā)展情況。常規(guī)機器人的巡視在紅外測溫數(shù)據(jù)采集方面做的比較成熟，但其在數(shù)據(jù)處理方面僅對三相設備同一部位的溫差進行了分析，數(shù)據(jù)分析不夠全面，在發(fā)現(xiàn)異常時需要人工進行復測和干預。而改進型機器人仍采用原紅外測溫硬件平臺，從數(shù)據(jù)處理能力方面入手，結合環(huán)境溫度、濕度、發(fā)熱設備的負荷大小、采用溫升分析、同類或三相設備溫升對比、歷史趨勢分析等手段，對設備溫度數(shù)據(jù)進行智能分析和診斷，實現(xiàn)對設備故障的判別和自動報警，為檢修提供有力的檢修依據(jù)。

（3）局放檢測。隨著運維一體化的推進，設備的局放試驗工作原來由檢修人員進行改為運行人員進行，并作為定期巡視的一項內(nèi)容執(zhí)行。在局放測試試驗中，不同的測試人員對測試的結果影響較大，如選擇參考環(huán)境的不同，對局放測試儀的使用、局放測試點選擇等。改進型機器人安裝有5軸機械臂，末端攜帶先進局放探測頭，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了開關柜局放檢測功能，減少人為測試因素的影響，數(shù)據(jù)的對比分析更具說服力。在實際應用中，先由專業(yè)局放檢測人員對開關柜不同部位定點進行暫態(tài)地電壓局部放電檢測，確定最優(yōu)局放測試中參考背景及開關柜局放測試點，在開關柜上做好相應的標記，對機器人進行編程調(diào)試，使機器人的局放試驗定點定位進行，通過多次的人工復測和機器人檢測數(shù)據(jù)進行對比分析，得出機器人巡檢數(shù)據(jù)的一致性，可代替人工進行局放試驗及分析。

（4）事故應急處置。在現(xiàn)有無人值班模式中，一旦發(fā)現(xiàn)設備現(xiàn)場出現(xiàn)異常，可以遙控機器人第一時間趕赴現(xiàn)場進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)火災險情，可以通過自身攜帶的滅火器進行處置，將火災事故消滅在萌芽狀態(tài)，避免火災范圍的擴大和設備的損壞。

4 實際應用

改進型機器人對二次設備告警信號、壓板的巡視原理與一次設備狀態(tài)辨識的原理相同，均是利用高清相機拍攝圖片與模板進行對比；在事故應急處理方面，機器人需要人工遙控干預才進行緊急處理，在此不作詳述。

結合巡檢機器人在運維工作的應用，對機器人紅外測溫和局放試驗兩個方面進行案例分析，通過機器人巡視中發(fā)現(xiàn)的異常進行了多次跟蹤檢測，從而驗證了機器人在領域的應用效果。

4.1 紅外測溫功能的應用

某220 kV變電所給機器人布置了220 kV一次設備巡視任務，紅外測溫結果中，發(fā)現(xiàn)220 kV母聯(lián)正母閘刀C相靠正母線側刀口發(fā)熱和3號主變110 kV正母閘刀A相靠開關側刀口存在發(fā)熱現(xiàn)象，采用人工復測驗證了機器人巡視結果的正確性，以下以220 kV母聯(lián)正母閘刀的紅外測溫為例進行說明。

當日10∶37，天氣晴，環(huán)境參照體溫度8.8℃濕度70%。圖2為機器人巡視中220 kV母聯(lián)正母閘刀C相靠正母線側刀口高清圖片，圖3為機器人巡視紅外測溫，顯示C相發(fā)熱點溫度為30.22℃，A與B兩相測量數(shù)據(jù)見表1。

圖2 機器人巡視可見光高清圖

圖4為人工對該閘刀C相同一部位進行紅外復測，測量數(shù)據(jù)見表1，從定性上分析，無論是機器人巡檢測溫還是人工測溫，C相溫度比正常A與B兩相均高。

從定量的測溫數(shù)據(jù)來看，人工測溫與機器人測溫數(shù)據(jù)上存在一定的數(shù)據(jù)差，一方面系測溫儀器的精度不同帶來的影響，另一方面人工復測的數(shù)據(jù)取自測溫對象框中最高溫度，而機器人測量的數(shù)據(jù)則取自紅外測溫儀對焦點的溫度，測溫點位少許的誤差，也會導致測量的溫度存在一定的數(shù)據(jù)差。對于正常設備A/B相的測溫，機器人測溫和人工復測幾乎一致。由于設備測溫數(shù)據(jù)與設備的運行狀態(tài)、負荷大小、天氣、儀器的精度、測溫的角度等都存在一定的關系。在實際運維工作中，三相相同部位最大溫差以及最大相對溫差2個指標才是作為對設備發(fā)熱缺陷定性參考，從表1中可以看出，人工測溫和機器人測溫的最大溫差分別為16℃與19.6℃，最大相對溫差74.8%，74.2%，參考DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》，發(fā)熱點溫升大于15℃，且當前負荷率較小，但是考慮到相對溫差小于80%，因此定性為220 kV母聯(lián)正母閘刀C相閘刀發(fā)熱為一般缺陷。

圖3 機器人紅外測溫圖

表1 220 kV母聯(lián)正母閘刀測溫數(shù)據(jù)及分析

圖4 人工紅外測溫復測圖

綜上所述，從定性的分析和定量計算來看，機器人測溫與人工測溫在某種程度上表現(xiàn)出高度一致，其測溫結果可以作為運維工作的巡視內(nèi)容。

針對上述內(nèi)容，常規(guī)機器人數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中僅能實現(xiàn)三相數(shù)據(jù)的最大溫差（相間溫度最大差值）計算，通過溫差的計算來確定缺陷的定性；而改進型機器人系統(tǒng)在后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中采用溫升（發(fā)熱部位與參照體溫度差）分析、同類或三相設備溫升對比能夠發(fā)現(xiàn)設備運行的異常，并綜合考慮設備的定性。以表1數(shù)據(jù)為例，單相設備發(fā)熱情況下，此時采用溫差和溫升進行數(shù)據(jù)分析，均能準確的判斷發(fā)熱設備，但若該設備三相整體均發(fā)熱的情況下，三相溫差并不大，此時無法進行缺陷定性，而溫升較大，因此改進型機器人在發(fā)熱設備的判斷更全面準確。改進型機器人后臺增加了對歷史數(shù)據(jù)的縱向判斷，通過對該設備歷史測溫數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，以折線圖形象的展現(xiàn)了該設備溫度變化的趨勢，由此可見，改進型機器人在數(shù)據(jù)處理能力方面比常規(guī)機器人更加強大全面。

4.2 暫態(tài)地電壓局放測試

運維一體化不斷深入和推進，開關柜及接地變等柜內(nèi)設備的局放檢測也納入運維人員工作內(nèi)容。在機器人上安裝配置暫態(tài)地電壓局放測試儀，通過5軸機械臂的伸縮完成測試。在機器人安裝調(diào)試時，由專業(yè)檢測人員多次檢測并確定測量部位，以保證測量數(shù)據(jù)盡最大可能的反映設備運行真實狀況。本案例以機器人所在變電站35 kV開關柜為測試對象，機器人測試結果如表2。

局放檢測數(shù)據(jù)與設備的環(huán)境、測量部位，儀器的精度、測量人員的水平等均存在關聯(lián)[7-10]，為驗證機器人局放測試數(shù)據(jù)，將機器人攜帶局放儀拆卸改由人工檢測，其檢測結果與機器人檢測結果幾乎一致。將本站使用的局放測試儀再次將35 kV開關柜重新做一次檢測試驗，由于設備廠家和精度的不一樣，雖然測量數(shù)據(jù)不一定相同，但人工檢測和機器人檢測數(shù)據(jù)與參考背景值之間最大差值不超過6 dB，均在合格的范圍之內(nèi)。

表2 35 kV開關柜暫態(tài)地電壓局放（TEV）測試

5 結語

改進型智能巡檢機器人在原來基礎上進行了完善和優(yōu)化，使得機器人能夠滿足變電所不同樓層之間的一/二次設備巡視，在火災險情時能通過遙控進行初步處理，并拓展了機器人在暫態(tài)地電壓局放檢測方面的應用，以試驗案例的方式對機器人在帶電檢測方面進行驗證，證明機器人在帶電檢測方面的可靠性和有效性。

隨著高新科技的不斷應用，機器人的發(fā)展日異月新，在變電站運維工作中可發(fā)揮的作用越來越重要，需要不斷地加以優(yōu)化和改進：

（1）機器人在避障方面問題依然未實現(xiàn)，在以電纜蓋板為巡視路線的區(qū)域一旦電纜蓋板掀起，機器人將會受到機械性損傷。

（2）在二次設備巡視時，其壓板狀態(tài)目前還只是停留在與模板的核對工作，而未實現(xiàn)根據(jù)監(jiān)控后臺設備狀態(tài)去核對二次設備狀態(tài)。

（3）機器人在應急方面的應用有待進一步提升，如在設備故障情況下，遙控無法拉開開關時，由機器人現(xiàn)場進行緊急分合閘。

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（本文編輯：陸瑩）

Improvement and Application of Intelligent Inspection Robot in Substation Operation and Maintenance

HU Dongliang，DING Jing，HUANG Jirong，AI Fei，WANG Yibo
（State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

Intelligent inspection robot is widely used in equipment inspection，infrared temperature measurement,meter identification，HD image contrast，and meteorological data collection，bringing great convenience to substation operation and maintenance.In this paper，the new intelligent inspection robot carries out functional expansion and innovation based on the original platform，and achieves full coverage of substation primary and secondary equipment by data modeling and image comparison.The intelligent inspection robot firstly applies professional partial discharge tester and the equipped 5-axis arm to test partial discharge of transient earth voltage in the switch cabinet in China；besides，the robot carries dry powder extinguisher for emergency use in case of fire.By combining specific cases，the paper introduces applications of the new robot in live testing and compares the robot inspection result with manual measurement data；moreover，it verifies robot inspection in terms of qualitative analysis and quantitative calculation to give support to substation operation and maintenance.

new intelligent robot；infrared temperature measurement；partial discharge detection；substation operation and maintenance

10.19585/j.zjdl.201708006

1007-1881（2017）08-0029-06

TM73；TP242.6

B

2017-06-02

胡冬良（1982），男，碩士，工程師，技師，從事電力系統(tǒng)控制、運行、分析工作。