變電站倒閘操作機(jī)器人的探索及應(yīng)用

戚中譯，郭建峰

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

倒閘操作是變電站的核心工作，是電力系統(tǒng)必不可少的作業(yè)環(huán)節(jié)，必須遵守操作票制度、監(jiān)護(hù)制度，嚴(yán)格按照操作流程執(zhí)行。傳統(tǒng)倒閘作業(yè)以及巡檢業(yè)務(wù)主要以人為運(yùn)維為主，按規(guī)定通常需兩人一組前往變電站進(jìn)行倒閘作業(yè)。隨著信息化水平提高，電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，運(yùn)檢業(yè)務(wù)量與日俱增，變電站倒閘操作機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

1 變電站倒閘操作的突出問題

1.1 人占比降低，缺員情況顯著

Q/GDW 1799.1—2013《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程（變電部分）》規(guī)定：倒閘操作需有監(jiān)護(hù)人和操作人同時(shí)在場(chǎng)[2]，每項(xiàng)操作須進(jìn)行嚴(yán)格審核、檢查、糾正、確認(rèn)，要求精神狀態(tài)、情緒正常不受影響。要求操作人員素質(zhì)高，責(zé)任心強(qiáng)，因此人員篩選十分嚴(yán)格。隨著操作頻次增加，人占比降低，缺員成為共性問題。

1.2 安全風(fēng)險(xiǎn)凸顯

為保證供電服務(wù)優(yōu)質(zhì)，停送電須按計(jì)劃進(jìn)行[3-4]。通常一組倒閘作業(yè)人員對(duì)應(yīng)多個(gè)變電站，根據(jù)電網(wǎng)的接線方式調(diào)整，導(dǎo)致出現(xiàn)一組人員對(duì)應(yīng)多個(gè)變電站的同時(shí)操作，人員疲勞操作，安全風(fēng)險(xiǎn)隨之增加。

1.3 操作效率低，操作成本高

據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)變電站通常建設(shè)在遠(yuǎn)離市區(qū)，人際相對(duì)較少的地區(qū)。多數(shù)倒閘作業(yè)操作時(shí)常通常在0.5 h左右，而驅(qū)車前往變電站往返多達(dá)2 h。導(dǎo)致操作效率低，用車成本增加。

2 變電站倒閘操作機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù)

深度相機(jī)標(biāo)定技術(shù)是本機(jī)器人核心技術(shù)。該技術(shù)關(guān)聯(lián)機(jī)械臂坐標(biāo)、相機(jī)坐標(biāo)2個(gè)坐標(biāo)系。

相機(jī)坐標(biāo)系以攝像機(jī)為自身中心，衡量測(cè)量目標(biāo)位置。該標(biāo)系以攝像機(jī)的光心作為原點(diǎn)O，通過成像平面確定X、Y軸，光軸方向?yàn)閆軸，垂直XOY平面。

機(jī)械臂坐標(biāo)系：X軸平行地面，Y軸與地面垂直，Z軸垂直于X軸與Y軸，俯仰角為繞X軸旋轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角為繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度。

通過計(jì)算出變換矩陣，使得所有通過深度相機(jī)獲得的目標(biāo)的三維坐標(biāo)可以轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂坐標(biāo)系當(dāng)中使用，從而聯(lián)立被操作目標(biāo)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

3 變電站倒閘操作機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，變電站倒閘操作機(jī)器人的整體架構(gòu)包含機(jī)器人本體和集控中心&工區(qū)服務(wù)器2部分。帶電操作機(jī)器人本體和集控中心&工區(qū)服務(wù)器通過無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)建立連接。用戶通過集控中心&工區(qū)提供的用戶界面遠(yuǎn)程查看站所環(huán)境和機(jī)器人狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及下發(fā)巡檢和操作指令等，而機(jī)器人本體接收到巡檢和操作指令后執(zhí)行相應(yīng)的柜體狀態(tài)識(shí)別或者倒閘目標(biāo)操作。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖2所示，變電站倒閘操作機(jī)機(jī)器人主要包括集控&工區(qū)服務(wù)、核心服務(wù)和ROS三部分。

圖2 系統(tǒng)模塊圖

集控&工區(qū)服務(wù)：提供用戶操作界面，對(duì)所有接入站所和機(jī)器人進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，并提供巡檢數(shù)據(jù)綜合處理與分析、實(shí)時(shí)告警、報(bào)表導(dǎo)出、權(quán)限配置等功能。

核心服務(wù)：提供機(jī)器人端的訪問和控制界面，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、任務(wù)管理、建站工具、告警分析等功能，也是機(jī)器人底層與集控中心&工區(qū)之間信令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

ROS：由業(yè)務(wù)應(yīng)用層、對(duì)外接口層、業(yè)務(wù)支撐層、系統(tǒng)管理層、驅(qū)動(dòng)層組成。對(duì)外接口層對(duì)外提供業(yè)務(wù)接口和運(yùn)維接口，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和運(yùn)維相關(guān)的遠(yuǎn)程訪問和控制功能。業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理及控制效果。系統(tǒng)管理層功能包括ROS節(jié)點(diǎn)管理（心跳、自動(dòng)喚起等）、機(jī)器人開機(jī)自檢以及機(jī)器人狀態(tài)切換等功能。業(yè)務(wù)支撐層是核心算法的實(shí)現(xiàn)層，包括建圖、定位導(dǎo)航、深度學(xué)習(xí)、視覺識(shí)別、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及避障、噪音分析等功能。驅(qū)動(dòng)層則對(duì)機(jī)器人本體搭載的硬件接口進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取和控制功能。

4 操作機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

如圖3所示，機(jī)器人整體由3部分構(gòu)成：六軸機(jī)械臂，手車地刀浮動(dòng)平臺(tái)、帶激光定位及避障功能的底盤。并涵蓋以下設(shè)備。

圖3 操作機(jī)器人實(shí)物圖

可見光相機(jī)：放置在機(jī)械臂末端平臺(tái)上，用于巡檢過程的表計(jì)讀數(shù)識(shí)別。

全景監(jiān)控球機(jī)：吊裝在天花板上，對(duì)機(jī)器人操作和運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)控和錄像。在測(cè)點(diǎn)操作過程中，全景監(jiān)控球機(jī)對(duì)關(guān)聯(lián)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行抓圖，并調(diào)用視覺節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)操作的視覺閉環(huán)。

深度相機(jī)：獲取深度信息，用于估計(jì)操作目標(biāo)位置，從而引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行特定操作。機(jī)器人上配置兩個(gè)深度相機(jī)，其中一個(gè)安裝在機(jī)械臂末端，另一個(gè)安裝在手車地刀浮動(dòng)平臺(tái)。深度相機(jī)抓取的可見光照片也用于操作測(cè)點(diǎn)的位置定位。

導(dǎo)航激光雷達(dá)：安裝在機(jī)器人前端，用于SLAM，對(duì)配電房環(huán)境進(jìn)行點(diǎn)云掃描，建立環(huán)境地圖，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位與導(dǎo)航。

避障激光雷達(dá)：安裝在機(jī)器人后端，用于行走時(shí)避障，避免超聲波避障存在的盲區(qū)和誤報(bào)問題。

IMU：用于支撐機(jī)器人繞障功能。

六軸機(jī)械臂：加裝末端執(zhí)行器，用于完成機(jī)器人目標(biāo)操作功能。

紅外相機(jī)：放置在機(jī)械臂末端平臺(tái)上，用于巡檢時(shí)對(duì)柜體目標(biāo)進(jìn)行測(cè)溫。

局放檢測(cè)儀：放置在機(jī)械臂末端平臺(tái)上，用于巡檢時(shí)檢測(cè)柜體內(nèi)部局部放電強(qiáng)度的傳感器。

5 應(yīng)用情況及效果

目前操作機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)7項(xiàng)操作任務(wù)，具體如表1所示。操作機(jī)器人從運(yùn)行改到線路檢修或者從線路檢修改到運(yùn)行的整個(gè)操作流程，總耗時(shí)約為20 min作為試運(yùn)行最早開始的一批變電站，至今已持續(xù)無(wú)故障運(yùn)行2萬(wàn)多h。

表1 操作機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)操作任務(wù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)變電站倒閘操作機(jī)器人的技術(shù)進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站開關(guān)室倒閘狀態(tài)的切換操作，以及變電站開關(guān)柜的各狀態(tài)展示、目標(biāo)識(shí)別、故障智能診斷及綜合分析，有效解決人工操作風(fēng)險(xiǎn)，降低操作成本，并完成了實(shí)際應(yīng)用，具有一定的借鑒意義。