對(duì)于變電站智能巡檢機(jī)器人的幾點(diǎn)思考

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局 楊清民 陳煒智 韋 明

本研究項(xiàng)目是從廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局現(xiàn)有變電站智能巡檢機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在的問(wèn)題出發(fā)，分析了在新一代機(jī)器人設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的重點(diǎn)和難點(diǎn)，提出了新一代機(jī)器人設(shè)計(jì)和研發(fā)的預(yù)期目標(biāo)，從而使新一代機(jī)器人在滿足各方面經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)，達(dá)到最終的設(shè)計(jì)和研發(fā)的目標(biāo)，為電力企業(yè)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)上的保障。

自從1988年世界上第一臺(tái)用于變電站的智能巡檢機(jī)器人投入商業(yè)運(yùn)行以來(lái)，至今已經(jīng)歷了五代的發(fā)展。根據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑和標(biāo)準(zhǔn)的不同，對(duì)于我國(guó)變電站智能巡檢機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程還沒(méi)有統(tǒng)一明確的說(shuō)法，目前公認(rèn)看法是最早從2004年投入運(yùn)營(yíng)至今，大約有5代產(chǎn)品400余臺(tái)或700余臺(tái)設(shè)備投入使用。這些設(shè)備來(lái)自于數(shù)十個(gè)不同的生產(chǎn)廠家，其規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)各有不同，管理平臺(tái)各自獨(dú)立，在電力設(shè)備和線路的維護(hù)過(guò)程中所針對(duì)的側(cè)重點(diǎn)也各有不同。此外在原來(lái)的設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于體積和重量等方面的限制，在進(jìn)行巡檢和維護(hù)過(guò)程中還存在一些死角，無(wú)法達(dá)到智能巡檢的要求[1]。

1 新一代機(jī)器人技術(shù)升級(jí)的難點(diǎn)

整體結(jié)構(gòu)方面的要求。在前幾臺(tái)機(jī)器人設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，受到部分硬件技術(shù)條件的限制，在結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較復(fù)雜，整體尺寸大、結(jié)構(gòu)笨重、在防護(hù)措施上設(shè)計(jì)不到位，無(wú)法適應(yīng)變電站新型運(yùn)行環(huán)境的變化，造成人力資源和成本投入的浪費(fèi)，巡視效率不斷降低。

控制系統(tǒng)方面的要求。變電站智能巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)兩個(gè)方面。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)能使巡檢機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中滿足各種工況條件下的運(yùn)行需要，提高機(jī)器人的工作效率和覆蓋面積，提高巡檢的效果。主控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中要求其能滿足手動(dòng)和遙控操作雙方面的要求，滿足機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)航分析性能要求。此外還要注意規(guī)避前幾代機(jī)器人在設(shè)計(jì)工程中出現(xiàn)的充電接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問(wèn)題，為機(jī)器人工作提供穩(wěn)定的電力來(lái)源，滿足長(zhǎng)時(shí)間的工作要求。

通信系統(tǒng)的要求。通信系統(tǒng)是在主控系統(tǒng)的命令下對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和回收，這是智能巡檢機(jī)器人工作效用的重要表現(xiàn)形式之一，只有保障數(shù)據(jù)的安全和穩(wěn)定傳輸，才能確保變電站運(yùn)行中產(chǎn)生的問(wèn)題及時(shí)得以發(fā)現(xiàn)。

適應(yīng)環(huán)境方面的要求。變電站本身是一個(gè)特殊的工作環(huán)境，在其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不間斷產(chǎn)生靜電和磁場(chǎng)，因此巡檢機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中也要參照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使機(jī)器人能適應(yīng)特殊環(huán)境的需要[2]。機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要具備相應(yīng)的爬坡越障能力，滿足特殊工況的需求，同時(shí)要具備障礙物檢測(cè)功能。還要配合集成傳感模塊的應(yīng)用，使機(jī)器人具備在夜間監(jiān)測(cè)成像的能力，并保證成像的精度。

2 智能巡檢機(jī)器人技術(shù)升級(jí)的思考

強(qiáng)化整體結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)前提原則是輕量化和小型化，輕量化的目標(biāo)是為了便于機(jī)器人在不同變電站工作之間的切換和轉(zhuǎn)運(yùn)。小型化的目標(biāo)則是為保證機(jī)器人能夠在更加隱蔽和復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行工作，增加機(jī)器人的工作范圍，提升工作效率。在滿足這兩個(gè)前提條件情況下，充分考慮其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和硬件間的合理配置，確保內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足防護(hù)和散熱等方面的基本要求。在材料選擇上，應(yīng)選擇對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、耐候性好的新型材料，并確保其成本的經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)器人結(jié)構(gòu)的表面，還要做好相應(yīng)的圖層和防腐設(shè)計(jì)，在有線纜接頭的地方要做好防護(hù)措施，確保機(jī)器人能夠達(dá)到較長(zhǎng)的使用年限。

強(qiáng)化在控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首要對(duì)工控機(jī)等要害部件做好選擇，使其滿足機(jī)器人運(yùn)行和導(dǎo)航分析性能的要求，在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)要使其能夠科學(xué)的完成巡視作業(yè)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求技術(shù)人員具有相關(guān)動(dòng)力學(xué)方面的知識(shí)，能確保機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中滿足緊急停車、越障和避障等方面的要求。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑保持在車身長(zhǎng)度的3倍以內(nèi)，提高其運(yùn)行速度和理論巡檢效率?，F(xiàn)行的智能巡檢機(jī)器人在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，充電接口各自采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，使其續(xù)航能力受到較大的限制，在新一代機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中要做好這方面的工作，使機(jī)器人至少達(dá)到待機(jī)8小時(shí)的工作要求。

強(qiáng)化通信系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)。通信系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)，需要保證主控系統(tǒng)在接受命令之后能夠準(zhǔn)確及時(shí)的響應(yīng)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保證穩(wěn)定性和安全性。通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意操作系統(tǒng)與集控子站系統(tǒng)之間的兼容性，確保機(jī)器人在不同變電站之間能夠切換工作，軟件故障少，在出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行維修，系統(tǒng)方便進(jìn)行擴(kuò)展和維修。

強(qiáng)化機(jī)器人多工況工作能力。機(jī)器人多工況工作能力的體現(xiàn)，首先要保證其在防靜電和抗干擾方面能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，滿足變電站環(huán)境使用的要求；其次包保證機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)性能和復(fù)雜環(huán)境下的工作能力，具有障礙物檢測(cè)功能，最小越障高度要達(dá)到5cm、最小涉水深度為10cm，爬坡能力不小于15°；最后要配備高精度紅外熱成像儀，其靈敏度不低于50mK，分辨率最低為640×480。紅外傳感器測(cè)溫精度不低于2K 或±2%，可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)表計(jì)讀數(shù)誤差小于±5%。傳感器設(shè)計(jì)要考慮模塊化的設(shè)計(jì)，擴(kuò)充方便，能夠與外部傳感器進(jìn)行對(duì)接。

做好集控子站系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)設(shè)計(jì)。變電站智能巡檢機(jī)器人的工作是依托集控子站系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在進(jìn)行集控子站系統(tǒng)的編寫(xiě)過(guò)程中需注意三方面要求：系統(tǒng)運(yùn)行的速度和支持用戶數(shù)要達(dá)到一定的要求；系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。確保系統(tǒng)能夠支持7×24小時(shí)工作且故障率低、處理速度快；系統(tǒng)操作的便利性要求。確保系統(tǒng)工作界面達(dá)到人機(jī)友好的要求[3]，能支持安卓系統(tǒng)和windows 系統(tǒng)，菜單操作方便，容易理解和學(xué)習(xí)。

3 變電站智能巡檢機(jī)器人在運(yùn)維中的應(yīng)用

缺陷跟蹤的應(yīng)用。巡檢機(jī)器人的跟蹤功能十分強(qiáng)大，當(dāng)變電站設(shè)備出現(xiàn)低壓報(bào)警時(shí)，可通過(guò)智能機(jī)器人跟蹤監(jiān)視缺陷問(wèn)題。檢修人員維護(hù)前保證設(shè)備處于SF6壓力狀態(tài)。此外機(jī)器人可以向設(shè)備觀察點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送檢查結(jié)果，確保運(yùn)維人員掌握測(cè)量裝置數(shù)據(jù)。通過(guò)此種方式運(yùn)維人員能夠高效管理設(shè)備。對(duì)于智能巡檢機(jī)器人功能來(lái)說(shuō)，可有效檢查故障問(wèn)題，數(shù)據(jù)收集完整性高，同時(shí)可作用于數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析中，減輕人員工作量，全面維護(hù)變電站運(yùn)行安全性與智能化。

室外環(huán)境的清理應(yīng)用。智能巡檢機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中維護(hù)操作的障礙較多，為全面處理該問(wèn)題必須優(yōu)化改造機(jī)器人超聲識(shí)別系統(tǒng)，確保機(jī)器人規(guī)避障礙。機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中能有效接收超聲波信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)回效果。運(yùn)行路徑上存在障礙物，機(jī)器人能夠?qū)⑺阉髅畎l(fā)送至控制中心。在變電站內(nèi)檢查指示路徑無(wú)障礙物，但植物會(huì)延伸至運(yùn)行路徑上，從而導(dǎo)致機(jī)器人故障，影響驗(yàn)證與檢查。機(jī)器人檢查中應(yīng)遵循實(shí)際情況，減少由于植物生長(zhǎng)所致檢查影響問(wèn)題。

站內(nèi)日常運(yùn)維的應(yīng)用。將智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用到變電站，主要具備可視化功能：可見(jiàn)光控制功能。利用高分辨率相機(jī)能夠接收操作狀態(tài)、操作數(shù)據(jù)，對(duì)主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。注重檢查設(shè)備，讀取壓力計(jì)數(shù)，高效檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)電流泄漏量、工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，有效開(kāi)展維護(hù)與保養(yǎng)工作；紅外線溫度測(cè)量功能。在應(yīng)用該項(xiàng)功能時(shí)須注重維護(hù)變電站運(yùn)行，設(shè)置應(yīng)用程序時(shí)間間隔，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視與收集。如變電站運(yùn)維將變電站劃分為四個(gè)運(yùn)行區(qū)，不同運(yùn)行區(qū)具備對(duì)應(yīng)工作日。在可見(jiàn)光任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，可見(jiàn)光光譜利用快門(mén)分割位置切換、油位指示器、探測(cè)器、溫度計(jì)維持。在開(kāi)關(guān)裝置上設(shè)置四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，主要包括布線、主體、變壓器設(shè)備、三相與中性盒。針對(duì)不同設(shè)備科學(xué)測(cè)量紅外溫度，同時(shí)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，全方位進(jìn)行紅外檢測(cè)，維持紅外光譜與可見(jiàn)光譜。相比于手動(dòng)收集和匯總數(shù)據(jù)，智能巡檢機(jī)器人無(wú)需人為干預(yù)，手動(dòng)邏輯比較少。在巡檢后機(jī)器人可自動(dòng)上傳報(bào)告，分析和維護(hù)設(shè)備故障，全面提升運(yùn)營(yíng)效果與服務(wù)質(zhì)量。

優(yōu)化識(shí)別算法。變電站設(shè)備安裝操作時(shí)極易產(chǎn)生安全問(wèn)題。比如，基于正常運(yùn)行狀況設(shè)置機(jī)器人檢查程序，如果未檢測(cè)到設(shè)備可能是由于指針過(guò)小。針對(duì)上述問(wèn)題需對(duì)機(jī)器人識(shí)別算法進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)被處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)也能夠設(shè)置在正確的安裝位置，同時(shí)替換指針、為機(jī)器人提供驗(yàn)證指令。

控制誤差。在改變工作環(huán)境后，為避免機(jī)器人產(chǎn)生誤差必須應(yīng)用定位技術(shù)與導(dǎo)航技術(shù)。也可將高精度定位模塊安裝在機(jī)器人本體上，在改變運(yùn)行線路后，可以自動(dòng)更新導(dǎo)航數(shù)據(jù)。當(dāng)路徑發(fā)生錯(cuò)誤問(wèn)題時(shí)，可以及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)，避免機(jī)器人偏離軌道。

綜上，做好變電站智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)，需要從多個(gè)方面入手，針對(duì)目前運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，在保證經(jīng)濟(jì)性要求的情況下，使機(jī)器人的工作性能不斷提升，從而達(dá)到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性等方面的需要，為我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。