變電站巡檢機器人替代人工測評方案

楊學志 鞏瀟 李夢瑋 梁學修

隨著我國智能電網(wǎng)和特高壓建設的高速發(fā)展，變電站巡檢機器人產業(yè)呈現(xiàn)出巨大的成長潛力和發(fā)展空間。如何提升變電站巡檢機器人安全性和可靠性，切實滿足變電站設備巡檢作業(yè)需求，是變電站亟需考慮的問題。本文從質量保障的角度出發(fā)，闡述了變電站巡檢機器人在功能、性能、安全等方面的標準要求與測試方法，提出變電站巡檢機器人系統(tǒng)質量保障體系建設方案，以促進變電站巡檢機器人安全可靠地替代人執(zhí)行巡檢作業(yè)。

隨著智能電網(wǎng)建設的逐步深入，傳統(tǒng)的運檢模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展需求。自國家電網(wǎng)2013年對變電站巡檢機器人首次招標開始，國內變電站巡檢機器人呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢，市場規(guī)模快速增長，發(fā)展?jié)摿薮?。與此同時，機器人在實際應用中也暴露出一些問題。機器人巡檢作業(yè)過程中，在雨雪或結冰的環(huán)境條件下，易出現(xiàn)防碰撞超聲波誤報、通訊延遲、運動功能明顯降低或喪失等現(xiàn)象;部分機器人的自主導航定位系統(tǒng)穩(wěn)定性差，巡檢作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)機器人“走偏”，甚至出現(xiàn)翻車傾覆等事故。這些現(xiàn)象均反映出目前的變電站巡檢機器人技術尚不夠成熟、可靠性低、穩(wěn)定性和智能化程度不高等問題。雖然目前市面上已有較多機型可供選擇，但不同機型之間性能特點和技術指標良莠不齊，從而導致與實際應用效果差異較大，嚴重阻礙了機器人的規(guī)范化應用。

變電站巡檢機器人簡介

變電站巡檢機器人是由移動載體、通信設備和檢測設備等組成，采用遙控或全自主運行模式，主要應用于室外變電站設備巡檢作業(yè)的移動巡檢裝置。

變電站機器人巡檢系統(tǒng)是由變電站智能巡檢機器人、本地監(jiān)控后臺、遠程集控后臺、機器人室等部分組成，能夠通過全自主或遙控模式進行變電站巡檢作業(yè)或遠程視頻巡視和指導的變電站巡檢系統(tǒng)。

變電站巡檢機器人可對變電設備進行紅外測溫、表計讀數(shù)、分合執(zhí)行機構識別，及異常狀態(tài)報警等，并提供巡檢數(shù)據(jù)的實時上傳和數(shù)據(jù)分析、信息顯示和報表自動生成等后臺功能。

變電站巡檢機器人存在問題

變電站巡檢機器人改變了傳統(tǒng)單一人工巡檢方式，采用新技術手段為變電站巡檢作業(yè)提供了更為客觀、全面、準確的評判結果。然而，由于應用場景復雜、技術成熟度不足等多重因素，機器人在實際應用中也暴露出一些問題，嚴重阻礙了變電站巡檢機器人規(guī)范化應用。

IP防護等級不達標

變電站機器人在室外環(huán)境工作，受天氣灰塵影響較大，需達到較高的IP防護等級，以防止水、濕氣、灰塵或污染物進入電子器件外殼，進而導致器件的損壞、壽命縮短或器件的失靈。目前，多數(shù)變電站巡檢機器人未進行IP防護等級測試及適當防護，灰塵在接口、電路板的縫隙處過多地積累，可能導致出現(xiàn)接觸不良或電路發(fā)熱的現(xiàn)象，特別是在雨雪天氣進行巡檢時，潮濕環(huán)境中凝結的水也會造成一系列問題，甚至可能造成短路，存在嚴重的安全隱患。

室外導航定位能力不足

針對全天候、強電磁、室外等復雜背景下的特點，變電站巡檢機器人集成了自主運動控制、精確導航定位、多傳感器融合、多載波無線通信等前沿技術。然而，實際運行情況表明，變電站巡檢機器人自主導航定位不穩(wěn)定，巡檢作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)機器人“走偏”現(xiàn)象，特別是當變電站環(huán)境發(fā)生變化時，機器人無法完成正常巡檢任務，甚至出現(xiàn)翻車現(xiàn)象。

儀表識別能力不理想

變電站巡檢機器人搭載可見光、紅外等檢測設備，主要用于對站內的變壓器、互感器、斷路器、隔離開關等本體設備的外觀、各個部件和接頭、各種表計、分合執(zhí)行機構等進行巡視檢測。根據(jù)現(xiàn)場運行情況來看，因受?？课恢玫南拗?、設備區(qū)光線，以及天氣的影響，機器人在儀表數(shù)據(jù)識別方面并不理想。

電源管理系統(tǒng)不可靠

變電站巡檢機器人以電池組為動力源。電源管理系統(tǒng)通過實時采集電池組及設備的電壓、電流、溫度等重要參數(shù)，及時預警電量不足等異常狀態(tài)，調整電源管理策略。根據(jù)設備電壓、電流，及功率需求，機器人自動進出充電室進行充電，保證機器人全自主運行的能源供應。根據(jù)現(xiàn)場運行情況來看，機器人經(jīng)常出現(xiàn)自主充電失敗問題，在機器人電量耗盡后，停滯在變電站現(xiàn)場，甚至手動充電后也無法正常巡視。

變電站巡檢機器人測試項目

變電站巡檢機器人存在的問題，反映出目前的變電站巡檢機器人技術尚不成熟、可靠性低、穩(wěn)定性和智能化程度不高，加之應用場景復雜、標準規(guī)范不健全、檢測認證體系不完善等多重因素，變電站巡檢機器人的規(guī)范化應用嚴重受阻。

本文針對變電站巡檢機器人系統(tǒng)，從產品質量保障、過程質量保障和應用服務保障三個維度建立質量保障體系，輔助提升變電站巡檢機器人關鍵技術的成熟度，提高機器人產品的安全可靠性，支撐國家電網(wǎng)相關部門形成質量監(jiān)管體系，促進變電站巡檢機器人產業(yè)的健康發(fā)展。

1.產品質量保障體系，面向變電站巡檢機器人本體、本地監(jiān)控后臺，及集成聯(lián)調系統(tǒng)，從功能性能、機械電氣安全、功能安全和信息安全等方面搭建產品測試體系，有助于提高變電站巡檢機器人產品質量與安全可靠性。

2.過程質量保障體系，在符合產品質量保障體系要求的基礎上，對變電站巡檢機器人企業(yè)研發(fā)設計過程、部署施工過程等進行審查，有助于提高整體系統(tǒng)實施質量和產品一致性。

3.應用服務質量保障體系，通過試運行階段的定期檢測和監(jiān)測，建立應用服務質量評價體系，發(fā)現(xiàn)產品和系統(tǒng)在實際應用過程中存在的缺陷、問題等，輔助持續(xù)優(yōu)化和提升變電站巡檢機器人的安全性和可靠性，確保機器人可靠替代人。

產品質量保障體系

產品質量保障體系分為三級，第一級對機器人的基本功能、性能和安全性提出了要求，是機器人需要滿足的最低要求;第二級對機器人的功能安全與可靠性提出了要求，是機器人規(guī)模化應用的基礎;第三級對機器人的信息安全提出了要求，可有效避免機器人系統(tǒng)遭受非授權或意外訪問、篡改和破壞等行為，是機器人走向實際應用不可或缺的一環(huán)。

第1級

第1級檢測內容主要包括針對機器人本體的功能性能、機械電氣安全測試，以及零部件審查，針對本地監(jiān)控后臺的功能性能測試，針對集成聯(lián)調系統(tǒng)的功能性能、通信、數(shù)據(jù)、接口等測試。

第2級

針對變電站巡檢機器人本體、本地監(jiān)控后臺的軟件和硬件開展功能安全測試和評估，避免安全系統(tǒng)失效造成環(huán)境的破壞、設備財產的損失，甚至讓使用者或操作人員受到傷害。

第3級

針對機器人本體、本地監(jiān)控后臺、集成聯(lián)調系統(tǒng)，開展信息安全測試與評估，并提出解決方案。主要目的是通過實施管理和技術措施，避免變電站巡檢機器人系統(tǒng)遭到非授權或意外的訪問、篡改、破壞及損失。信息安全測試評價指標分為技術指標和管理指標。技術指標包含物理和環(huán)境安全、網(wǎng)絡邊界安全、網(wǎng)絡和通信安全、設備應用安全和數(shù)據(jù)安全五大方面。由于信息安全與機器人本體、傳感器、本地監(jiān)控后臺、網(wǎng)絡設備等關聯(lián)密切，因此進行統(tǒng)一綜合測評。管理指標主要包括：安全策略與管理制度、安全管理機構與人員、安全管理建設外包軟件開發(fā)、安全運維管理漏洞和風險管理四大方面。

過程質量保障體系

在符合產品質量保障體系要求的基礎上，對變電站巡檢機器人企業(yè)研發(fā)設計過程、部署施工過程等進行審查，有助于提高整體系統(tǒng)實施質量和產品一致性。

產品生產過程審查

本階段針對集成商的工廠進行能力審核，以ISO9001質量進行管理體系作為基礎并附加上更高的要求，比如，原材料檢驗、過程檢驗、成品檢驗、風險評估等。通過文件審核、工廠訪談、數(shù)據(jù)收集等審核方式，以量化的形式表現(xiàn)集成商真實能力與企業(yè)需求的匹配程度，驗證集成商能否按照合同要求持續(xù)交付符合要求的合格產品。

以下是產品生產過程審查的主要內容。

1.組織機構和品質系統(tǒng)

（1）質量部門在工廠中所處的地位，職責和工作情況;

（2）人員情況（QC人員及關鍵工位的實際認知和操作）。

2.來料檢驗

（1）檢驗條件（環(huán)境、設備、計量/校準情況、人員）;

（2）待檢物品、合格品、廢品的堆放及標識;

（3）來料檢驗的實施（作業(yè)指導書：包括抽樣標準、AQL 水平、檢驗方法和判定依據(jù);人員操作能力、測試記錄、判定和放行等）;

（4）集成商的審核。

3.倉庫

（1）倉庫條件（整機和零部件）;

（2）零部件和成品的存放及標識;成品的保存和交遞;

（3）領發(fā)料的過程，領發(fā)料控制文件;

（4）BOM 文件（零部件清單）的檢查。

4.生產過程

（1）重要崗位的作業(yè)指導書和人員操作情況;

（2）產品的標識及可追溯性;

（3）生產過程中不合格品的處理;

（4）巡檢人員的作業(yè)指導書及原始記錄。

5.例行檢驗

（1）作業(yè)指導書和人員操作情況及測試記錄;

（2）安全測試設備的計量/校準和日常功能檢測記錄。

6.出貨前的抽樣檢驗 （最終檢驗）

（1）抽檢的作業(yè)指導書（抽樣標準：AQL水平及檢驗方法）;

（2）抽檢記錄。

7.設備檢驗

（1）安全測試設備臺帳;

（2）主要設備的校準證書;

（3）內部校準方法和記錄。

部署施工過程審查

本階段針對集成商產品出廠后的現(xiàn)場部署施工進行審查，通過文件審核、技術驗收、現(xiàn)場監(jiān)督等方式，對工程開工需要具備的文件、基建施工要求，以及現(xiàn)場施工過程進行檢查與監(jiān)督，提升系統(tǒng)全過程施工質量，保障用戶使用安全可靠。

文件審核階段主要針對部署施工開工前所需要的文件進行審核，保障施工手續(xù)完善、施工準備充分;技術驗收階段主要依據(jù)集成商部署施工階段的基建施工要求、工程調試檢查要求進行審查; 現(xiàn)場監(jiān)督階段針對部署施工活動現(xiàn)場進行審查與管理，包括部署施工現(xiàn)場人員管理、過程管理、質量監(jiān)督等。

應用服務質量保障體系

通過試運行階段的定期檢測和監(jiān)測，建立應用服務質量評價體系，發(fā)現(xiàn)產品和系統(tǒng)在實際應用過程中存在的缺陷、問題等，輔助持續(xù)優(yōu)化和提升變電站巡檢機器人的安全性和可靠性，確保機器人可替代人。

1.研究機器人應用服務質量評價指標

根據(jù)變電站巡檢機器人應用特點，將其應用質量劃分五個維度：安全性、可靠性、應用服務能力、用戶滿意度、智能化水平，具體詳見表1。

2.形成機器人應用服務質量年度監(jiān)測報告，促進產品質量持續(xù)提升

通過分析變電站巡檢機器人應用服務質量保障評價指標，按照“實施前-實施中-實施后”的應用服務質量過程控制方針，在安全性、可靠性、應用服務能力、用戶滿意度、智能化水平等五個方面對機器人進行跟蹤和操作管理，提出應用服務質量保障要求，形成機器人應用服務質量年度監(jiān)測報告，促進產品質量持續(xù)提升和更新?lián)Q代，更好更快地實現(xiàn)“機器換人”在電力巡檢作業(yè)中的應用。

總結

目前的變電站巡檢機器人技術尚不成熟、可靠性低、穩(wěn)定性和智能化程度不高，加之應用場景復雜、標準規(guī)范不健全、檢測認證體系不完善等多重因素，變電站巡檢機器人的規(guī)范化應用嚴重受阻。

本文結合變電站巡檢機器人在應用過程中出現(xiàn)的典型問題，面向變電站巡檢機器人系統(tǒng)，包括機器人本體、本地監(jiān)控后臺，及集成聯(lián)調系統(tǒng)，從產品質量、過程質量和應用服務三個維度建立質量保障體系，可有效降低安全風險，確保機器人符合標準與法規(guī)要求，顯著提升機器人產品及系統(tǒng)在機械結構、電氣設計、控制系統(tǒng)等方面的質量水平，更好更快地實現(xiàn)“機器換人”在電力巡檢作業(yè)中的應用。