高壓開關(guān)柜智能檢修機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究*

王 釗，王洪信，溫彥文，劉曉勇，張嘯林，鄧 飛

（1.河北拓普電氣有限公司，河北 石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

電力是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防科技及日常生活不可或缺的能源，電網(wǎng)變電站是電力系統(tǒng)中承擔(dān)電能轉(zhuǎn)換和再次分配任務(wù)的核心節(jié)點，對電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要作用，高壓開關(guān)柜是變電站中的關(guān)鍵性一次變電設(shè)備，在電力系統(tǒng)的輸電、變電、配電中起控制、監(jiān)視和保護(hù)作用，其工作狀態(tài)對電網(wǎng)可靠性有重要影響，因此對高壓開關(guān)柜進(jìn)行例行檢修是保障變電站各設(shè)備模組維持安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要作業(yè)項目[1]。高壓開關(guān)柜的檢測項目繁多，傳統(tǒng)采用人工檢修方式，經(jīng)常無法做到快速響應(yīng)處置，還存在漏裝、漏試的風(fēng)險，嚴(yán)重影響恢復(fù)送電的效率，而且人力、物力消耗很大。基于高壓開關(guān)柜檢修的工程需求，急需研制一套集運(yùn)維、試驗、應(yīng)急于一體的智能檢修機(jī)器人，提高高壓開關(guān)柜常規(guī)檢修作業(yè)效率及精準(zhǔn)管控效能，降低運(yùn)行成本和安全事故發(fā)生率，為電力裝備智能化提供新技術(shù)產(chǎn)品支持。

1 國內(nèi)外電力機(jī)器人研究現(xiàn)狀

電力機(jī)器人隨著應(yīng)用工程、知識工程及制造工程等社會科技發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，近年來逐漸在電網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等方面發(fā)揮越來越重要的作用，尤其隨著人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)與機(jī)器人技術(shù)愈發(fā)深度結(jié)合并持續(xù)創(chuàng)新，國內(nèi)外愈加重視專業(yè)化的監(jiān)測管理系統(tǒng)和機(jī)器人應(yīng)用平臺的開發(fā)，實現(xiàn)在多場景電網(wǎng)工況下代替人工操作，達(dá)到電網(wǎng)多系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作的智能化、高效化、安全化。電力機(jī)器人主要應(yīng)用于電力輸變電設(shè)備的維護(hù)、巡檢和安全檢測等例行任務(wù)操作，通常以智能機(jī)器人為平臺，綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)、視覺技術(shù)以及傳感器技術(shù)來綜合完成規(guī)定的作業(yè)要求，為智慧電網(wǎng)建設(shè)和管理提供了有力的保障和支持[2]。目前最常見的功能發(fā)展趨勢是電力巡檢機(jī)器人，重點用于輸電線路巡檢、變電站巡檢、發(fā)電廠設(shè)備故障診斷等場景需求，通過實時、精確、全面地對輸電線路及電網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行巡查和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障及安全隱患，保障電網(wǎng)長期穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

電力機(jī)器人的研究開始于20 世紀(jì)80 年代，主要集中于日本、歐美等發(fā)達(dá)國家，近年來獲得了快速發(fā)展，如日本三菱公司和東京電力公司聯(lián)合開發(fā)的500 kV 變電站巡檢機(jī)器人，基于路面軌道行駛，采用磁導(dǎo)航方式，利用紅外熱像儀和圖像采集設(shè)備，自動獲取變電站內(nèi)實時圖像信息。巴西學(xué)者設(shè)計了一種配備Wi-Fi 和紅外熱像儀的高空滑行變電站巡檢機(jī)器人，能夠?qū)ψ冸娬倦娏υO(shè)備的致熱點進(jìn)行檢測和預(yù)警。美國電力研究院開發(fā)的TOMCAT 帶電作業(yè)機(jī)器人，基于主從同構(gòu)型單臂結(jié)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動，操作者站在地面遠(yuǎn)程遙控操作，實現(xiàn)與機(jī)器人本體分離，具有非常高的作業(yè)安全性。加拿大公開了一種檢測及操作機(jī)器人，采用GPS 定位方式，在735 kV 變電站實現(xiàn)視覺和紅外檢測，并能遠(yuǎn)程執(zhí)行開關(guān)分合操作。

我國巡檢機(jī)器人的研發(fā)始于1999 年，在國家“863”計劃項目支持下，國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院和山東魯能智能技術(shù)有限公司聯(lián)合研制出系列化變電站巡檢機(jī)器人，主要進(jìn)行變電站內(nèi)部環(huán)境信息和特征采集。2012 年成都慧拓開發(fā)的變電站巡檢機(jī)器人在鄭州110 kV 牛砦變電站投入運(yùn)行，能夠?qū)﹂_關(guān)和儀表等進(jìn)行視頻采集和數(shù)據(jù)分析，自動判斷運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)警。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的軌道型變電站智能巡檢機(jī)器人，能夠在嚴(yán)寒、冰霜和狂風(fēng)等極端惡劣天氣環(huán)境下進(jìn)行室外巡檢工作。上海電力研發(fā)了一種小型電纜隧道機(jī)械車，車身上設(shè)置了紅外攝像頭、氣體傳感器、超聲波傳感器等采集元件，通過履帶機(jī)構(gòu)實現(xiàn)在電纜隧道中開展電纜巡視工作。2021 年億嘉和發(fā)布“羚羊D200”智能操作機(jī)器人，可在無人化變電站對各種儀器儀表精準(zhǔn)識別，敏感采集漏放電的浮動趨勢，對潛在隱患提前預(yù)警。

但通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，目前市場上的巡檢機(jī)器人主要基于傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)集成和適配完成規(guī)定的檢測作業(yè)要求，帶有機(jī)械臂的巡檢機(jī)器人也只是按照人工預(yù)設(shè)的指令來完成單一重復(fù)工作，而專用于變電站高壓開關(guān)柜的運(yùn)維、試驗、應(yīng)急于一體的智能化綜合作業(yè)機(jī)器人未見文獻(xiàn)報道。

2 智能檢修機(jī)器人的功能特征

2.1 高壓開關(guān)柜檢修作業(yè)特征

高壓開關(guān)柜是由斷路器、互感器、變壓器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等電氣元件以及控制、保護(hù)、測量、調(diào)節(jié)裝置、內(nèi)部連接件等支持附件組成的成套配電裝置，通過分類集成安裝在以空氣或復(fù)合絕緣材料作為滅弧絕緣介質(zhì)的系列箱體柜內(nèi)，全面負(fù)責(zé)接收和分配電網(wǎng)的電能。為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，高壓開關(guān)柜需要進(jìn)行例行現(xiàn)場檢修，從而及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，處置突發(fā)故障，提高工作壽命。高壓開關(guān)柜的檢修項目主要包括斷路器、柜體開關(guān)、聯(lián)鎖裝置、繼電保護(hù)裝置、互感器、過壓保護(hù)器、柜面儀器儀表裝置等部件或模塊的例行巡檢或維修更換，其中斷路器是高壓開關(guān)柜的核心功能部件，用于連接、斷開或切換電路，起到保護(hù)電路或使設(shè)備免受短路、過載和地漏電流等現(xiàn)象的影響，在保障變電站穩(wěn)定安全運(yùn)行中起關(guān)鍵[4]。斷路器主要有手車式和固定式兩種，檢修維護(hù)有嚴(yán)格的操作規(guī)程。

2.2 機(jī)器人功能目標(biāo)

開發(fā)高壓開關(guān)柜智能檢修機(jī)器人涉及的技術(shù)領(lǐng)域包括通用領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)、精確測試技術(shù)、高速網(wǎng)通技術(shù)和人工智能技術(shù)，還包括專用領(lǐng)域的電力檢修作業(yè)流程及環(huán)境約束下的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的開關(guān)目標(biāo)識別定位技術(shù)、高壓環(huán)境下機(jī)電結(jié)構(gòu)總成設(shè)計及抗干擾技術(shù)，通過一體化功能集成代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工實現(xiàn)精準(zhǔn)移位動作、特定適配操作、無人自動試驗等專業(yè)規(guī)范的作業(yè)操作[5]。高壓開關(guān)柜智能檢修機(jī)器人總體功能目標(biāo)是基于電力變電站智能無人化運(yùn)維的大背景需求，圍繞高壓開關(guān)柜的例行巡檢操作和應(yīng)急處置的實際需求，研制以自主動作檢修機(jī)器人為操作單元，以無人化檢修站為試驗單元的綜合性智能檢修系統(tǒng)，實現(xiàn)多參數(shù)控制下的模擬環(huán)境測試。系統(tǒng)應(yīng)用后將大幅降低變電站例行作業(yè)的運(yùn)維成本，顯著提高作業(yè)效率和精準(zhǔn)管控程度，極大減少人工操作的安全隱患。

3 檢修機(jī)器人開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)的變電站巡檢過程需要人員進(jìn)入到變電站內(nèi)進(jìn)行檢查，手工完成大型高壓開關(guān)柜的多型號開關(guān)控制或更換斷路器操作，人工操作安全隱患多，工作強(qiáng)度大，效率低下。而開發(fā)專用的智能檢修機(jī)器人能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)部的各類設(shè)備進(jìn)行無人化精準(zhǔn)巡檢和特定操作控制，同時提高檢查的準(zhǔn)確度和工效，因此高壓開關(guān)柜智能檢修機(jī)器人是電力巡檢機(jī)器人的重點研發(fā)方向，通過機(jī)器人實現(xiàn)對電網(wǎng)變電站變電設(shè)備進(jìn)行工況數(shù)據(jù)采集、運(yùn)維管理和現(xiàn)場檢修輔助的無人化作業(yè)[6]。智能檢修機(jī)器人開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1）設(shè)計復(fù)雜場景智能檢修機(jī)器人的功能方案。檢修機(jī)器人是以多傳感器融合導(dǎo)航式移動載體搭載剛?cè)狁詈喜僮鳈C(jī)構(gòu)，在工業(yè)相機(jī)、壓力傳感器以及激光傳感器的多傳感技術(shù)融合的方式下，深入分析不同任務(wù)需求下的剛?cè)狁詈暇珳?zhǔn)作業(yè)控制方法和多源信息輸入的目標(biāo)識別、定位與協(xié)調(diào)控制方法，系統(tǒng)的整體技術(shù)方案決定著其對開關(guān)柜排列組合環(huán)境的適配性、多目標(biāo)檢修效果的精準(zhǔn)性、變電站場景的通用性、工作模式的智能化程度等。

2）搭建智能檢修機(jī)器人的軟硬件作業(yè)平臺構(gòu)架。剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)作業(yè)平臺是一種自控移動載體，機(jī)構(gòu)總成和自由度設(shè)計決定著機(jī)器人的運(yùn)動控制特征和巡檢功能拓展程度，因此需要根據(jù)技術(shù)功能方案的要求分別搭建平臺各模塊的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)模型，研究操作工藝流程及環(huán)境約束下的剛度矩陣參數(shù)映射方式，開發(fā)模塊化作業(yè)工裝機(jī)電一體化集成接口以及控制方法，適配不同任務(wù)需求下的機(jī)構(gòu)與載體運(yùn)動控制與避障方法，試驗獲得多相機(jī)與激光傳感器融合的最佳目標(biāo)識別與定位方法。

3）完善綜合智能檢修站及工程系統(tǒng)。基于智能檢修系統(tǒng)的作業(yè)流程要求，綜合考慮真空斷路器的機(jī)械性能和電氣性能，結(jié)合機(jī)械特性、回路電阻、絕緣電阻、交流耐壓等試驗原理，試驗總結(jié)任務(wù)的執(zhí)行動作邏輯關(guān)系及任務(wù)流程完整性分析方法，完善高壓環(huán)境下一體化結(jié)構(gòu)、電氣、軟硬件總成及抗干擾技術(shù)，獲得智能檢修站的動態(tài)裝載機(jī)構(gòu)與試驗準(zhǔn)確性的判別方法。

4）優(yōu)化智能檢修系統(tǒng)的電力作業(yè)流程和模擬環(huán)境。通過對目前開關(guān)柜類設(shè)備的檢修試驗技術(shù)、運(yùn)維作業(yè)方式與現(xiàn)場管理模式的分析，考慮各試驗項目的高效性、安全性、便宜性，深入研究高壓開關(guān)柜的人機(jī)協(xié)同模式與無人化模式的運(yùn)維作業(yè)流程與高壓開關(guān)柜智能檢修系統(tǒng)的設(shè)計要求，從而達(dá)到人機(jī)協(xié)同與無人化的作業(yè)目標(biāo)要求，進(jìn)一步開展適用于智能檢修系統(tǒng)的模擬變電站開關(guān)室環(huán)境的設(shè)計與優(yōu)化。

4 檢修機(jī)器人的工作模型

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

檢修機(jī)器人外觀結(jié)構(gòu)見圖1，主要機(jī)械結(jié)構(gòu)部件包括：導(dǎo)航底盤、車架、視頻采集器、機(jī)械手臂、作業(yè)器具和驅(qū)動附件等，導(dǎo)航底盤下安裝帶有抱緊鎖定功能的萬向驅(qū)動輪，車架固定在導(dǎo)航底盤上，設(shè)置三維微調(diào)功能，具有X 向、Y 向及Z 向移動的自由度。機(jī)械手臂具有六個方向的程控自由度，作業(yè)器具可自主更換的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化抓手機(jī)構(gòu)組合，按型號標(biāo)準(zhǔn)整齊配備在車架的工具平臺上，由機(jī)械手臂按需調(diào)配。根據(jù)高壓配電柜的開關(guān)類型和緊固鎖型號，機(jī)械手臂能夠根據(jù)操作動作規(guī)范自動更換不同的作業(yè)器具，實現(xiàn)抓取拖拽的精準(zhǔn)定位和動作驅(qū)動，完成多種型號柜門的開閉、電氣開關(guān)的通斷、手車斷路器的拉出和推入等維護(hù)檢修動作。為實現(xiàn)機(jī)器人檢修全過程的智能控制管理，配套開發(fā)智能云管理系統(tǒng)及管控客戶端，對視頻采集器獲取的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和動作判斷，當(dāng)高壓配電柜出現(xiàn)異?；蛲话l(fā)故障隱患時，人員無需到場即可遠(yuǎn)程操作，或由機(jī)器人根據(jù)控制預(yù)案及時響應(yīng)，第一時間自動完成檢修試驗工作，避免人員現(xiàn)場作業(yè)中的突發(fā)風(fēng)險。

圖1 檢修機(jī)器人外觀圖

4.2 機(jī)器人的主要功能參數(shù)

1）機(jī)器人配備：運(yùn)動導(dǎo)航模塊、多傳感器融合模塊，拖拽模塊，單目視覺定位模塊，氣、電動結(jié)合驅(qū)動模塊、安全防護(hù)模塊等。

2）激光SLAM 融合導(dǎo)航精度：位置精度±5 mm，角度精度±0.2°。

3）定位及動作精度（包括解鎖、開關(guān)門、拔航插、拖拽路由器）：視覺精度±0.2 mm，控制精度0.05 mm。

4.3 斷路器檢修工作模型

下面以檢修手車式斷路器為工作實例描述機(jī)器人智能工作模型，綜合管理系統(tǒng)實時獲取斷路器的工作狀態(tài)參數(shù)，確定斷路器是否需要檢修，若檢修則向機(jī)器人發(fā)送控制指令，指示機(jī)器人自動執(zhí)行如下步驟：

1）機(jī)器人的拖拽模塊（機(jī)械手臂驅(qū)動作業(yè)器具）接受指令（見圖2），精準(zhǔn)定位移動到故障開關(guān)柜前面，機(jī)械手臂控制的作業(yè)器具抓取柜門開鎖模塊，并帶動柜門開鎖模塊的鎖桿插入柜門上的鑰匙孔內(nèi)，擰開鑰匙孔，解鎖柜門后，將所述柜門開鎖模塊歸位。

圖2 機(jī)器人自動解鎖開柜

2）車架上下左右移動微調(diào)位置，使驅(qū)動附件的抓手與手車式斷路器的拉手正對后，拖拽模塊向前移動，直至驅(qū)動附件的定位銷插入開關(guān)柜的定位孔內(nèi)，鎖鉤鉤住開關(guān)柜的鎖孔內(nèi)，鎖定斷路器。

3）驅(qū)動附件的抓手沿滑板向前移動，抓取氣缸獲取指令，帶動抓手旋轉(zhuǎn)抓住拉手后，抓手帶動手車式斷路器向后移動至滑板上（見圖3），控制指令指示拖拽模塊帶動斷路器移動至檢修工位，進(jìn)行檢修。

圖3 機(jī)器人拉出斷路器

4）檢修后的斷路器在驅(qū)動附件的驅(qū)動下推入開關(guān)柜內(nèi)，斷路器處于試驗位置，多自由度機(jī)械臂抓取所述航插插拔模塊，將插頭插到柜體內(nèi)的插座上，觀察試驗位置指示燈亮，關(guān)閉柜門。

5 結(jié)束語

以電網(wǎng)變電站例行管理和高壓配電柜例行檢修為規(guī)范操作模式，智能檢修機(jī)器人集成了機(jī)械、電氣、導(dǎo)航、傳感器及人工智能等前沿技術(shù)，成功仿真了人工操作過程，實現(xiàn)了常態(tài)工況下機(jī)器人對人工動作的全流程替代，達(dá)到了高壓配電柜的各項檢修、維護(hù)、試驗等任務(wù)指標(biāo)。尤其智能檢修機(jī)器人能夠完全自主驅(qū)動和精準(zhǔn)動作定位，實現(xiàn)了對斷路器的自動更換檢修，顯著提高了高壓開關(guān)柜常規(guī)檢修作業(yè)效率，對避免現(xiàn)場人身事故發(fā)生和降低了變電站運(yùn)行成本效果突出，該成果功能在國內(nèi)外尚未見報道。