變電站多功能帶電智能檢修平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究

任江波，趙子根，劉景立，黎強(qiáng)，王波，高巖

1.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北 石家莊 050021

2.長園深瑞繼保自動(dòng)化有限公司，廣東 深圳 518057

3.國網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000

帶電作業(yè)是電力設(shè)備測試、檢修和改造的重要手段，這對提高供電可靠性、減少停電損失和保證電網(wǎng)安全具有極其重要的意義[1?3]。自20世紀(jì)80年代起，日本、西班牙、美國、加拿大和法國等國家率先對帶電作業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用展開深入研究及推廣[4?6]。中國相關(guān)科研院校也針對帶電作業(yè)機(jī)器人展開研究，并取得積極的成果。如：山西公司及山東魯能智能技術(shù)有限公司研制開發(fā)的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)通過主從操作機(jī)械臂、機(jī)器人專用升降系統(tǒng)和絕緣工具系統(tǒng)，完成10 kV配電線路的智能維護(hù)等；上海交通大學(xué)針對220 kV高壓絕緣子帶電探傷，建立基于遠(yuǎn)程通訊及遙控控制的超聲探傷機(jī)器人系統(tǒng)，完成對絕緣子的帶電探傷；湖北公司和上海交通大學(xué)目前正針對新一代智能變電站隔離斷路器聯(lián)合研發(fā)具有自主導(dǎo)航、自動(dòng)識(shí)別和全自主作業(yè)的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化帶電檢修作業(yè)平臺(tái)等[7?9]。

盡管變電設(shè)備機(jī)器人帶電作業(yè)相關(guān)研究已在全世界大規(guī)模開展，但目前大部分變電設(shè)備的帶電檢修設(shè)備存在剛度差、不易于操作、功能單一和無法平臺(tái)化、模塊化等不足，業(yè)內(nèi)主要研究方向局限于“巡檢”機(jī)器人技術(shù)，對于機(jī)器人“帶電檢修”技術(shù)研究不足[10?12]。已研制的變電設(shè)備帶電檢修機(jī)器人樣機(jī)存在功能單一、適應(yīng)能力差、仍需人工近距離輔助和無法平臺(tái)化等不足，且對變電設(shè)備帶電維護(hù)多功能智能化作業(yè)平臺(tái)技術(shù)國內(nèi)外尚無相關(guān)研究，大部分變電設(shè)備檢修任務(wù)仍需停電后人工作業(yè)完成[13?15]。針對現(xiàn)有研究成果的不足，變電設(shè)備自動(dòng)化帶電檢修平臺(tái)需從智能維護(hù)工藝及流程設(shè)計(jì)、面向維護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能傳感技術(shù)及安全與可靠性等方面，對變電設(shè)備帶電維護(hù)相關(guān)核心技術(shù)展開研究，并進(jìn)行應(yīng)用論證與推廣。

1 帶電智能檢修相關(guān)技術(shù)分析

近年來電子信息、機(jī)械設(shè)計(jì)、人工智能及控制理論的迅速發(fā)展為帶電檢修機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目的研究工作提供了有力的理論支撐。對于已知的作業(yè)環(huán)境與特定的設(shè)備結(jié)構(gòu)為機(jī)器人作業(yè)末端設(shè)計(jì)及作業(yè)臂作業(yè)流程與規(guī)劃提供了詳實(shí)的參考依據(jù)，模式識(shí)別與圖像處理、機(jī)器視覺技術(shù)及3G/4G/GPRS等無線通信技術(shù)的日趨成熟讓機(jī)器人的人機(jī)交互與遠(yuǎn)程控制成為可能，采用特定頻率無線通訊方式，可以避免變電設(shè)備強(qiáng)電磁場干擾對機(jī)器人人機(jī)交互信號的影響，使得帶電檢修機(jī)器人具備較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制與各種帶電檢修作業(yè)功能提供有力保障[16?18]。

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)方面。帶電檢修機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下3個(gè)原則：①安全性是機(jī)器人設(shè)計(jì)的第一要?jiǎng)?wù)，須保證帶電檢修機(jī)器人作業(yè)臂有充足的作業(yè)空間，在越障及作業(yè)過程中機(jī)體不得發(fā)生大幅側(cè)傾、搖擺和振動(dòng)，各機(jī)械臂作業(yè)時(shí)不出現(xiàn)相互干涉現(xiàn)象。②保證安全性及功能性的前提下，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)盡量簡單并減小自由度，以減小機(jī)器人的體積與質(zhì)量。③末端工具的重組與更換需要簡單、方便、易行。

2）硬件測控平臺(tái)方面。帶電檢修機(jī)器人硬件測控平臺(tái)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(工控機(jī))、視頻圖像采集與處理系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)4個(gè)主要部分，各系統(tǒng)之間通過特殊設(shè)計(jì)的接口連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體及作業(yè)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制。

3）軟件平臺(tái)方面。機(jī)器人人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)簡單明了，能夠適應(yīng)非專業(yè)人員的獨(dú)立操作。

2 變電設(shè)備帶電檢修平臺(tái)整體方案分析

變電設(shè)備帶電作業(yè)對安全防護(hù)、遮蔽要求非常嚴(yán)苛。隨著變電設(shè)備向集成化、小型化方向的發(fā)展，進(jìn)一步制約了傳統(tǒng)變電帶電檢修模式的實(shí)施。運(yùn)維檢修工作中，變電設(shè)備部分例行檢修項(xiàng)目及運(yùn)行過程中出現(xiàn)接頭過熱、螺栓松動(dòng)等各類缺陷的處理，均需停電進(jìn)行。母線側(cè)隔離開關(guān)和隔離斷路器的檢修更是需要母線陪停。傳統(tǒng)的檢修模式和人工帶電作業(yè)方式已難以滿足電網(wǎng)的高可靠性運(yùn)維需求[19?21]。圍繞變電帶電作業(yè)方式變革和安全帶電作業(yè)裝備發(fā)展的迫切需求，研制多功能帶電自動(dòng)化檢修裝置，在滿足絕緣安全防護(hù)的基礎(chǔ)上，具備靈活的帶電檢修操作特點(diǎn)，可在狹小空間、復(fù)雜工況下高精度自主實(shí)施多類型變電設(shè)備的典型帶電檢修與檢測項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)變電帶電作業(yè)技術(shù)與功能的平臺(tái)化、系列化和智能化。本文結(jié)合變電站內(nèi)各項(xiàng)作業(yè)需求研制了一套模塊化、輕便型、自主性強(qiáng)的變電設(shè)備智能帶電檢修作業(yè)平臺(tái)，具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 變電設(shè)備多功能帶電自動(dòng)化檢修平臺(tái)設(shè)計(jì)方案圖

整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，由3個(gè)主要部分組成。遠(yuǎn)程主動(dòng)機(jī)械手操控平臺(tái)、運(yùn)輸及大剛度作業(yè)平臺(tái)、輕便型多功能帶電檢修工作機(jī)。3部分組裝、分離過程簡單，輕便型多功能帶電檢修平臺(tái)可自主駛上大剛度升降平臺(tái)。當(dāng)對220 kV及以上電壓等級較高變電站內(nèi)設(shè)備操作時(shí)，由于變電設(shè)備距離地面高度大，下方空間開闊，故可使用全套設(shè)備，由運(yùn)輸車攜帶工作機(jī)進(jìn)入作業(yè)位置，大剛度升降平臺(tái)和工作機(jī)自帶升降系統(tǒng)協(xié)同操作，舉升作業(yè)平臺(tái)至工作位置進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)對110 kV及以下電壓等級較高變電站內(nèi)設(shè)備操作時(shí)，由于變電設(shè)備下方空間狹小，不易轉(zhuǎn)向，并且變電設(shè)備距離地面高度在工作機(jī)自身升降系統(tǒng)可達(dá)范圍內(nèi)，故工作機(jī)可與運(yùn)輸平臺(tái)分離，單獨(dú)進(jìn)入作業(yè)位置。

工作機(jī)為輕便型多功能帶電檢修平臺(tái)，外形尺寸較小，可滿足變電設(shè)備較小間隔處及變電站內(nèi)空間狹小處的作業(yè)空間要求。工作機(jī)作為整機(jī)的核心部件，主要由3部分構(gòu)成：上平臺(tái)智能作業(yè)系統(tǒng)、絕緣升降平臺(tái)系統(tǒng)、小空間智能移動(dòng)載體。3部分之間采用無線加光纖的方式進(jìn)行互相通訊，同時(shí)通過無線通訊受遠(yuǎn)程主動(dòng)機(jī)械手操控平臺(tái)統(tǒng)一控制。機(jī)械手末端可根據(jù)不同作業(yè)目標(biāo)，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口連接各類專用帶電檢修工具。采用主從同構(gòu)機(jī)械手作業(yè)加基于立體視覺的全自動(dòng)作業(yè)方式，從而提高整機(jī)自主性。具體控制及通訊方式如圖2所示。

圖2 變電設(shè)備多功能帶電自動(dòng)化檢修平臺(tái)控制及通訊方案圖

3 變電設(shè)備帶電檢修平臺(tái)具體實(shí)施方案

3.1 變電設(shè)備帶電檢修作業(yè)平臺(tái)功能分析與實(shí)現(xiàn)

母線側(cè)刀閘/隔離斷路器與母線連接引線帶電拆卸與安裝。該功能可實(shí)現(xiàn)無載荷狀態(tài)下，對母線側(cè)隔離開關(guān)、隔離斷路器與母線連接引線的帶電自動(dòng)化拆卸、安裝，實(shí)現(xiàn)可見斷口下的安全檢修，整個(gè)過程中母線及相應(yīng)間隔無需陪停，如圖3所示。母線側(cè)隔離開關(guān)及隔離斷路器新型設(shè)備在需停電檢修時(shí)，檢修平臺(tái)自主駛?cè)氪薜堕l或隔離斷路器下方，自調(diào)平后三維重構(gòu)現(xiàn)場，判斷安全工作空間后，結(jié)合立體視覺系統(tǒng)使用主從機(jī)械臂拆卸分離母線側(cè)隔離開關(guān)、隔離斷路器與母線的連接引線金具，并傳遞至現(xiàn)場作業(yè)人員完成驗(yàn)電、接地，母線側(cè)隔離開關(guān)或隔離斷路器維修完成后，現(xiàn)場作業(yè)人員檢修平臺(tái)自動(dòng)將連接金具安裝歸位。

圖3 帶電拆卸、安裝母線側(cè)刀閘/隔離斷路器與母線連接引線效果圖

外絕緣帶電立體化探傷、憎水性評價(jià)及全角度清掃。該功能可實(shí)現(xiàn)針對各類型絕緣子、套管的帶電立體化探傷、憎水性評價(jià)及全角度清掃。需對絕緣子檢測或清掃時(shí)，檢修平臺(tái)自主駛?cè)朐摻^緣子下方，自調(diào)平后三維重構(gòu)現(xiàn)場，判斷安全工作空間后結(jié)合立體視覺系統(tǒng)使用主從機(jī)械臂對絕緣子進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)需檢測憎水性時(shí)，由機(jī)械手末端攜噴槍，后由視覺系統(tǒng)對水滴進(jìn)行邊緣提取，根據(jù)邊緣形狀判斷絕緣子表面狀況；當(dāng)需對絕緣子探傷或清掃時(shí)，可更換對應(yīng)探傷頭或清掃機(jī)，作業(yè)效果如圖4所示。

圖4 外絕緣帶電立體化探傷、憎水性評價(jià)及全角度清掃效果圖

3.2 主從同構(gòu)機(jī)械臂研制

對作業(yè)雙臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，建立空間坐標(biāo)系，在相關(guān)約束條件下求解，完成機(jī)械臂的正逆解運(yùn)算。通過對整個(gè)作業(yè)空間進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，完整地描述出自由空間與障礙物空間，并根據(jù)相間、相地安全距離規(guī)劃最優(yōu)無碰撞路徑。如圖5所示。通過對機(jī)器人前三軸進(jìn)行計(jì)算得出機(jī)器人的空間工作范圍。用運(yùn)動(dòng)副連接各個(gè)桿件組成的空間運(yùn)動(dòng)鏈模擬串聯(lián)機(jī)器人。采用D-H參數(shù)法通過描述各桿件之間的相對位置關(guān)系求解出機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)。

3.合同管理人才匱乏。合同管理涉及全局，又是專業(yè)性、技術(shù)性、綜合性很強(qiáng)的工作，對合同管理人員的綜合素質(zhì)要求很高。目前，油田合同管理人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)參差不齊，專業(yè)合同管理人才匱乏，極大地制約了合同管理水平的提高。

圖5 多自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間示意圖

如圖6所示，以操作三相電其中一相為例，由于受到相間、相地安全距離及周圍障礙物限制，機(jī)械手末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)空間為綠色矩形區(qū)域。研究絕緣性能好、剛度大的絕緣材料，用于制作機(jī)械臂主體及絕緣液壓組件。搭建主從動(dòng)手系統(tǒng)，建立高自由度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、控制精度高和力反饋靈敏的模型，采用高效率處理器使位置信息和力信息的處理更加迅速和精準(zhǔn)。引入六維力傳感器，根據(jù)六維力傳感器采集的信息進(jìn)行主從動(dòng)手系統(tǒng)柔性適應(yīng)，擬采用力、位結(jié)合控制策略完成主從動(dòng)手系統(tǒng)柔順控制，如圖7所示。

圖6 受約束條件限制后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間示意圖

圖7 基于六維力傳感器主動(dòng)柔性控制流程圖

變電設(shè)備檢修過程中會(huì)出現(xiàn)較多類軸孔裝配的情況，如螺栓擰緊槍套入螺栓頭、軸孔型金具裝配等。圖8為典型軸孔裝配時(shí)通過六維力傳感器采集到的3個(gè)方向力和力矩信息，機(jī)械手末端執(zhí)行器攜帶軸尋孔的過程。

圖8 軸孔裝配時(shí)尋孔過程中傳感器力信息記錄表

如圖9所示，針對軸孔式金具的裝配，已形成一套較成熟的尋孔控制策略，該控制策略基于六維力傳感器，可適應(yīng)金具復(fù)雜表面情況，合理利用金具外表面幾何尺寸，完成軸與孔的定心和姿態(tài)矯正，從而順利裝配。

圖9 軸孔式金具裝配虛擬力學(xué)模型

針對主從控制的局限性，采用立體視覺輔助機(jī)械臂局部自主的方式提高作業(yè)平臺(tái)自主性，并通過ADAMS、HALCON和MATLAB等軟件進(jìn)行模擬仿真。如圖10所示，通過對原始圖像進(jìn)行局部閾值分割和邊緣檢測，選擇不同的掩膜大小進(jìn)行均值濾波后可提取較清晰的邊緣結(jié)果。

圖10 標(biāo)記點(diǎn)閾值分割和邊緣檢測效果圖

3.3 適合于變電設(shè)備狹小空間的智能載體及傳感器技術(shù)研究

對變電站進(jìn)行技術(shù)調(diào)研，按照變電站內(nèi)地面承載能力、轉(zhuǎn)彎半徑、相間、相地和相地/相間安全距離等因素設(shè)計(jì)行走方式、調(diào)平措施、載具結(jié)構(gòu)。同時(shí)滿足承載能力、遠(yuǎn)程控制、自主導(dǎo)航和自主調(diào)平等功能。圖11為智能載體結(jié)構(gòu)及智能載體與作業(yè)機(jī)械手臂關(guān)系示意圖，該智能載體由履帶式行走底盤、自調(diào)平支腿、升降機(jī)、電控柜和圍欄等組成，其上安裝作業(yè)機(jī)械手臂，可攜帶作業(yè)機(jī)械手臂智能移動(dòng)、升降。

圖11 變電設(shè)備多功能帶電自動(dòng)化檢修智能載體方案側(cè)視圖

在智能載體上安裝激光、紅外和光電傳感器，使其可按指定軌跡自主行走、定位、測距、報(bào)錯(cuò)和糾偏等，并在到達(dá)指定工作地點(diǎn)后進(jìn)行作業(yè)可行性分析。圖12為一種智能載體導(dǎo)航策略，通過傳感器陣列識(shí)別導(dǎo)航條與定位點(diǎn)，完成智能載體的定位及糾偏。

圖12 智能載體導(dǎo)航策略

3.4 強(qiáng)電磁場環(huán)境下遠(yuǎn)程傳輸及人機(jī)操作交互控制系統(tǒng)研究

高壓實(shí)驗(yàn)室模擬變電站現(xiàn)場強(qiáng)磁場環(huán)境，測試遠(yuǎn)程無線信號傳輸效果，針對放電時(shí)電磁脈沖等級選取最佳屏蔽材料，測試強(qiáng)電磁場環(huán)境中及放電過程中通訊信號受干擾情況及監(jiān)控畫面圖像質(zhì)量，測試單層、雙層、不同開孔位置等各種形式屏蔽罩在該環(huán)境中屏蔽效果；測試不同頻段通訊信號在該環(huán)境中的受干擾情況；測試不同環(huán)境濕度下受干擾情況。圖13為金屬屏蔽盒屏蔽特性試驗(yàn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室EMP模擬器產(chǎn)生的電磁波方向固定，在同一種條件下分別測量屏蔽盒內(nèi)各點(diǎn)電場強(qiáng)度。為了進(jìn)一步研究屏蔽特性，實(shí)驗(yàn)中將長方形孔的長邊分別處于不同方向，測量屏蔽盒內(nèi)電場強(qiáng)度。

圖13 屏蔽效果測試模擬圖

圖14 屏蔽材料測試方案

建立遠(yuǎn)程控制臺(tái)與工作機(jī)之間、工作機(jī)內(nèi)部各組件之間通訊及控制系統(tǒng)，如圖15所示。

圖15 變電設(shè)備多功能帶電自動(dòng)化檢修平臺(tái)通訊及控制系統(tǒng)

3.5 基于三維場景的空間定位及傳輸技術(shù)研究

研制基于雙目立體視覺的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)系統(tǒng)，結(jié)合立體視覺，通過向物體表面投射條紋實(shí)現(xiàn)表面無紋理區(qū)域的精確重建，并通過多視角三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、融合構(gòu)建完整三維模型，將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制臺(tái)，并進(jìn)行反饋修偏。如圖16所示，以拆裝母線側(cè)隔離開關(guān)連接金具為例，智能載體入場后三維重構(gòu)，獲取空間場景信息，分析相鄰母線位置，保證機(jī)械臂工作時(shí)不會(huì)影響相間安全距離。若智能載體定位準(zhǔn)確，空間場景信息判斷作業(yè)安全，則啟動(dòng)作業(yè)程序，機(jī)械臂作業(yè)全程實(shí)時(shí)監(jiān)測空間信息，確保不進(jìn)入相臨母線安全距離。若判斷結(jié)果為不安全，則移動(dòng)載體重新定位。所有空間信息實(shí)時(shí)傳輸回遠(yuǎn)程控制臺(tái)，反饋給操作人員。操作人員可根據(jù)該信息啟動(dòng)、急停、中斷作業(yè)。

圖16 變電設(shè)備多功能帶電自動(dòng)化檢修平臺(tái)操作空間示意圖

4 結(jié)論

本文針對自動(dòng)化檢修平臺(tái)走向?qū)嶋H應(yīng)用現(xiàn)場的具體矛盾需求，基于模塊化、輕量化、大剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主從機(jī)械手遠(yuǎn)程操作與視覺伺服自主控制技術(shù)，基于六維力耦合特征自主定位與補(bǔ)償技術(shù)，單目立體視覺定位技術(shù)，雙目現(xiàn)場重構(gòu)等核心關(guān)鍵技術(shù)展開研究，豐富變電設(shè)備帶電檢修手段，整體提高帶電檢修工作的技術(shù)水平。

整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，由3個(gè)主要部分組成：遠(yuǎn)程主動(dòng)機(jī)械手操控平臺(tái)、運(yùn)輸及大剛度作業(yè)平臺(tái)、輕便型多功能帶電檢修工作機(jī)。3部分組裝、分離過程簡單，輕便型多功能帶電檢修平臺(tái)可自主駛上大剛度升降平臺(tái)。當(dāng)對220 kV及以上電壓等級較高變電站內(nèi)設(shè)備操作時(shí)，由于變電設(shè)備距地高度大，下方空間開闊，故可使用全套設(shè)備，由運(yùn)輸車攜帶工作機(jī)進(jìn)入作業(yè)位置，大剛度升降平臺(tái)和工作機(jī)自帶升降系統(tǒng)協(xié)同操作，舉升作業(yè)平臺(tái)至工作位置進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)對110 kV及以下電壓等級較高變電站內(nèi)設(shè)備操作時(shí)，由于變電設(shè)備下方空間狹小，不易轉(zhuǎn)向，且變電設(shè)備距地高度在工作機(jī)自身升降系統(tǒng)可達(dá)范圍內(nèi)，故工作機(jī)可與運(yùn)輸平臺(tái)分離，單獨(dú)進(jìn)入作業(yè)位置。