郭 楊， 陳 昊

(國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210010)

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激光導(dǎo)航智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在特高壓變電站的應(yīng)用

郭 楊， 陳 昊

(國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210010)

為適應(yīng)特高壓變電站設(shè)備巡檢的新要求，在對比了機(jī)器人導(dǎo)航模式的基礎(chǔ)上，介紹了一種基于激光導(dǎo)航技術(shù)的變電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)。討論了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、功能定義、任務(wù)執(zhí)行等方面的內(nèi)容。對機(jī)器人在可見光攝影、表計數(shù)據(jù)讀取、紅外熱像檢測方面的效果與傳統(tǒng)巡檢效果的進(jìn)行了比較?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況表明，該巡檢系統(tǒng)能很好地適應(yīng)特高壓變電站設(shè)備眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的環(huán)境。巡檢系統(tǒng)長時間的續(xù)航能力和精準(zhǔn)的檢測方法，保證了設(shè)備巡檢的可靠性，為特高壓變電站的日常運(yùn)維管理工作提供了有力支持。最后對機(jī)器人系統(tǒng)使用中的問題提出了建議和改進(jìn)措施。

激光導(dǎo)航；智能機(jī)器人；巡檢；特高壓

0 引言

變電站電力設(shè)備的巡視檢查是保證變電站安全運(yùn)行，提高供電可靠性的一項基礎(chǔ)性工作[1]。變電站的傳統(tǒng)巡檢工作均由運(yùn)行人員完成，主要通過視覺和聽覺對設(shè)備的缺陷進(jìn)行判斷，通過紅外熱像儀對設(shè)備進(jìn)行測溫。但是，通過人工模式難以對設(shè)備進(jìn)行長時間高精度的檢查。同時，該種模式存在勞動強(qiáng)度大、工作效率低等缺點(diǎn)。隨著電力裝備技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革新，以及現(xiàn)代特高壓交直流電力工程的大力建設(shè)和蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站巡檢方式已經(jīng)難以適應(yīng)特高壓變電站占地面積大、設(shè)備數(shù)量多的特點(diǎn)。如何在大電網(wǎng)運(yùn)行的新形勢下，采用新技術(shù)、新方法以減輕運(yùn)維人員的巡檢工作強(qiáng)度，提高工作效率，是今后面臨的主要研究課題之一[2-8]。

1 特高壓變電站巡檢工作的要求

目前，我國已建成投運(yùn)的1000 kV特高壓交流變電站已達(dá)13座，根據(jù)國家“十三五”規(guī)劃，在未來5年內(nèi)還將興建20多座特高壓交流變電站，以構(gòu)成國家電網(wǎng)的特高壓主網(wǎng)架。特高壓變電站具有占地面積大、絕緣等級高、設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。站內(nèi)1000 kV和500 kV等級均采用GIS設(shè)備，與GIS設(shè)備相關(guān)聯(lián)的SF6壓力表計數(shù)量眾多，人工抄錄壓力值費(fèi)時費(fèi)力。同時，GIS設(shè)備采用全封閉模式，斷路器、隔離開關(guān)、接地閘刀的位置指示不明顯，不便于運(yùn)維人員觀察[9]。主變壓器、高壓電抗器等設(shè)備的套管線夾和樁頭的位置很高，人工觀察和測溫難度較大。特高壓變電站作為電網(wǎng)中的樞紐節(jié)點(diǎn)，除年度檢修以及臨時消缺工作外，其倒閘操作的次數(shù)很少。通過巡視檢查發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患、缺陷，并及時消除，保證全站的安全運(yùn)行成為了日常工作的重點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[10]要求，特高壓變電站例行巡視每天不少于2次，全面巡視每周不少于1次，專業(yè)巡視每周不少于1次，熄燈巡視每周不少于1次。因此，相比傳統(tǒng)低電壓等級變電站，特高壓變電站的運(yùn)維管理對巡檢工作的全面性和準(zhǔn)確度方面提出了更高的要求。2016年3月，江蘇省內(nèi)首座特高壓變電站建成投運(yùn)，該站的巡檢模式和質(zhì)量對日后省內(nèi)其他新建特高壓變電站運(yùn)維管理工作中相關(guān)制度修訂、經(jīng)驗(yàn)推廣起著重要的指導(dǎo)意義。

2 機(jī)器人導(dǎo)航模式對比

目前，變電站室外智能巡檢機(jī)器人一般采用輪式移動機(jī)器人。因此，導(dǎo)航和定位是機(jī)器人完成巡檢任務(wù)的前提所在，導(dǎo)航系統(tǒng)的性能直接決定了巡檢任務(wù)的質(zhì)量。在巡檢機(jī)器人出現(xiàn)之初，導(dǎo)航模式為磁導(dǎo)航，通過預(yù)埋在巡視路線上的磁條和機(jī)器人車身上的磁傳感器相匹配來完成導(dǎo)航定位功能[11，12]。但根據(jù)近幾年來的現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用磁導(dǎo)航模式的機(jī)器人在變電站進(jìn)行巡檢任務(wù)的案例，發(fā)現(xiàn)了如下問題：(1) 磁軌道鋪設(shè)時，地面施工復(fù)雜，工作量大，機(jī)器人運(yùn)行路線不靈活，機(jī)器人越障高度受限于磁傳感器檢測距離；(2) 機(jī)器人在行駛過程中只要檢測不到磁信號或檢測信號裝置出現(xiàn)故障，就會偏離磁軌道或停滯不前，從而影響整個巡檢任務(wù)；(3) 當(dāng)臨時終止巡檢任務(wù)再去執(zhí)行另一個任務(wù)時，機(jī)器人因重新規(guī)劃路徑，調(diào)整行駛方向，可能會沖出磁軌道。以上問題在現(xiàn)有方式下較難解決。

為解決以上問題，激光導(dǎo)航系統(tǒng)被應(yīng)用于巡檢機(jī)器人。激光導(dǎo)航技術(shù)是利用機(jī)器人自身安裝的激光雷達(dá)進(jìn)行距離測量。激光雷達(dá)通過旋轉(zhuǎn)鏡面機(jī)構(gòu)向外發(fā)射激光[13]，當(dāng)掃描到由激光反射器構(gòu)成的路標(biāo)時，反射光被光電接收器件接收并處理作為檢測信號，然后通過站內(nèi)局域網(wǎng)傳遞給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)根據(jù)事先已采集的全站路標(biāo)的位置信息和檢測信號，計算出機(jī)器人在當(dāng)前路標(biāo)坐標(biāo)系下的位置和方向，以此完成導(dǎo)航工作。激光導(dǎo)航模式具有定位設(shè)備成本低、可全時段工作、不受電磁干擾、定位精度高、無累積誤差、地面附屬設(shè)施施工簡單等優(yōu)點(diǎn)。該導(dǎo)航模式被運(yùn)用于機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，具有良好的效果[14]。

3 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的構(gòu)架與功能

3.1 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的構(gòu)架

該特高壓變電站機(jī)器人巡檢系統(tǒng)采用分層式控制結(jié)構(gòu)，共分為2層：基站控制系統(tǒng)層和移動站系統(tǒng)層[15]。如圖1所示。

圖1 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Architecture of robot inspection system

基站控制系統(tǒng)層主要由站端監(jiān)控計算機(jī)系統(tǒng)、交換機(jī)以及相應(yīng)的無線網(wǎng)橋基站等設(shè)備組成。監(jiān)控主站系統(tǒng)基于Windows系統(tǒng)，采用C++面向?qū)ο蟮木幊陶Z言開發(fā)設(shè)計，具有友好的操作交互界面，完成監(jiān)測功能，為機(jī)器人巡視運(yùn)動路線的規(guī)劃提供相應(yīng)的命令及環(huán)境信息，并可以對機(jī)器人拍攝的圖像，采集的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲，并提供專家系統(tǒng)診斷，具有實(shí)時告警功能。

移動站系統(tǒng)主要由主控計算機(jī)、運(yùn)動控制、導(dǎo)航定位、巡視檢測、電源系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)等模塊組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動控制、導(dǎo)航定位、可見光及紅外數(shù)據(jù)檢測采集以及狀態(tài)信息上傳等功能，結(jié)合基站控制系統(tǒng)，完成機(jī)器人遙控巡視和自動規(guī)劃巡視等功能。

3.2 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的主要功能

智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)以人工設(shè)定巡視任務(wù)，全自動執(zhí)行為主，結(jié)合本地或遠(yuǎn)方遙控為輔助手段進(jìn)行工作，巡檢內(nèi)容包含設(shè)備可見光拍照、紅外測溫，儀表參數(shù)讀取等，具有巡檢方式客觀化、靈活性強(qiáng)，檢測方式多樣化、智能化等特點(diǎn)。同時，系統(tǒng)集巡檢任務(wù)、路徑規(guī)劃、報表生成、缺陷定級于一體，實(shí)現(xiàn)了巡檢過程全自動管理，并提供了數(shù)據(jù)分析和決策支持。其主要功能如表1所示。

表1 智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)主要功能Table 1 The main function of intelligent robot inspection system

3.3 巡檢任務(wù)規(guī)劃

由于特高壓變電站場地面積大、設(shè)備多，單臺機(jī)器人無法在有效時間內(nèi)完成所有設(shè)備的巡檢工作。因此，該站的智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在移動站系統(tǒng)層特配置了2臺巡檢機(jī)器人，增加了巡檢系統(tǒng)的冗余性和可靠性。其中，1號機(jī)器人負(fù)責(zé)1000 kV設(shè)備區(qū)的巡檢工作，2號機(jī)器人負(fù)責(zé)主變及110 kV設(shè)備區(qū)、500 kV設(shè)備區(qū)的巡檢工作。巡檢任務(wù)包括主設(shè)備的可見光拍照、紅外測溫、儀表參數(shù)讀取。主要檢測設(shè)備有GIS套管、線夾、變壓器本體、隔離開關(guān)接頭以及SF6氣壓表和開關(guān)油壓表。根據(jù)站內(nèi)的設(shè)備分布情況，共設(shè)定了3條例行巡檢路線，即“1000 kV設(shè)備區(qū)巡檢路線圖”、“主變及110 kV設(shè)備區(qū)巡檢路線圖” 、“500 kV設(shè)備區(qū)巡檢路線圖”。機(jī)器人運(yùn)行電子圖如圖2所示。在例行巡檢任務(wù)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)還具有制定針對某一類設(shè)備或某幾類設(shè)備的巡檢任務(wù)的功能，例如對1000 kV設(shè)備區(qū)避雷器的全面巡檢，對500 kV區(qū)域GIS設(shè)備SF6壓力表計數(shù)據(jù)的讀取。除以上2種巡檢模式外，該系統(tǒng)還具有針對某單一設(shè)備的特殊巡檢功能，例如對主變油枕油位的觀察，對敞開式隔離開關(guān)觸頭的紅外測溫等。

圖2 機(jī)器人運(yùn)行電子地圖Fig.2 Digital map of robot operation

3.4 巡檢任務(wù)基本信息

根據(jù)該站的設(shè)備分布情況和《變電站日常管理規(guī)定》中關(guān)于設(shè)備巡視的要求，特為機(jī)器人制定了6個例行巡視任務(wù)，以及隨時可以啟動的定制巡視任務(wù)和特殊巡視任務(wù)，并給出了詳細(xì)的巡檢設(shè)備數(shù)和巡檢時間，如表2所示。

表2 機(jī)器人巡檢任務(wù)

Table 2 Robot inspection tasks

序號任務(wù)類型巡檢任務(wù)檢測設(shè)備數(shù)/個巡檢時間/min檢測模式11000kV設(shè)備區(qū)測溫巡檢542195紅外檢測21000kV設(shè)備區(qū)日常巡檢831246可見光檢測3例行巡視主變及110kV設(shè)備區(qū)測溫巡檢623178紅外檢測4主變及110kV設(shè)備區(qū)日常巡檢867225可見光檢測5500kV設(shè)備區(qū)測溫巡檢432143紅外檢測6500kV設(shè)備區(qū)日常巡檢782208可見光檢測7定制巡視1000kV區(qū)域避雷器巡檢1535全面檢測8500kV區(qū)域SF6壓力表計數(shù)值讀取12174可見光檢測9特殊巡視2號主變A相油枕油位讀取13可見光檢測

3.5 機(jī)器人巡檢結(jié)果分析對比

激光導(dǎo)航機(jī)器人巡檢系統(tǒng)將先進(jìn)的檢測方法和技術(shù)運(yùn)用于變電站設(shè)備巡檢和缺陷定級，為驗(yàn)證其巡檢功能的可靠性和實(shí)用性，本文從清晰度、準(zhǔn)確度、時效性3點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)器人在可見光拍照、表計數(shù)據(jù)讀取、紅外測溫等方面的巡檢結(jié)果與人工巡檢結(jié)果相比較，以驗(yàn)證其性能的優(yōu)越性[16,17]。

(1) 可見光檢測對比。如圖3、圖4所示。

圖3 盱泰Ⅱ線T022斷路器分合閘位置指示Fig.3 Switch position indication of XuTai II line T022 breaker

結(jié)論分析：由于機(jī)器人具有高清大倍率變焦鏡頭，在被拍攝對象位置選擇恰當(dāng)?shù)那闆r下，其拍攝效果比人工觀測效果要好。特殊情況下，當(dāng)被拍攝對象位置不佳時，拍攝結(jié)果略差于人工結(jié)果，但機(jī)器人機(jī)動性很強(qiáng)，可隨時進(jìn)行拍攝，節(jié)省了人力。

(2) 表計數(shù)值讀取對比如圖5、圖6所示。

圖4 2號主變33號低抗本體Fig.4 NO.33 low-voltage reactor noumenon of NO.2 transformer

圖5 盱泰Ⅱ線T022斷路器油壓表壓力值指示Fig.5 Oil pressure indication of XuTai II line T022 breaker

圖6 2號主變500 kV避雷器動作次數(shù)指示Fig.6 Action number indication of NO.2 transformer 500 kV arrester

結(jié)論分析：表計讀取數(shù)值清晰，效果與人工拍攝效果基本一致。站內(nèi)GIS斷路器設(shè)備液壓機(jī)構(gòu)表計，各電壓等級的避雷器數(shù)量眾多。采取機(jī)器人拍攝穩(wěn)定性高，不會遺漏，機(jī)器人拍攝完畢后會自動讀取數(shù)據(jù)，生成表格，便于調(diào)閱和讀取，提高了工作的時效性，極大地減輕了運(yùn)維人員的工作量。

(3) 紅外測溫結(jié)果對比如圖7、圖8所示。

圖7 盱泰Ⅰ線高抗1000 kV套管接頭紅外測溫圖譜Fig.7 Infraed tempreature image of XuTai I line high-voltage reactor 1000 kV bushing joint

圖8 盱泰Ⅰ線高抗本體紅外測溫圖譜Fig.8 Infraed tempreature image of XuTai I line high-voltage reactor noumenon

結(jié)論分析：從以上紅外圖譜對比可見，機(jī)器人紅外測溫結(jié)果與人工手持紅外測溫儀測量結(jié)果基本一致，誤差很小。當(dāng)巡檢設(shè)備數(shù)量眾多時，機(jī)器人系統(tǒng)能發(fā)揮其長時間的續(xù)航能力，有效提高了工作效率。同時，機(jī)器人測溫采用模式識別技術(shù)，測溫結(jié)果精確度和可靠性更高。

4 結(jié)論

本文對特高壓變電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)做了全面的介紹，該系統(tǒng)以先進(jìn)的激光導(dǎo)航定位技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的控制策略和檢測手段，在設(shè)備巡檢和紅外測溫方面體現(xiàn)了明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和報表管理功能，提高了巡檢數(shù)據(jù)處理效率，切實(shí)減輕了運(yùn)維人員的工作量。但是，鑒于站內(nèi)各型設(shè)備的不同特點(diǎn)，以及巡視道路和現(xiàn)場天氣等具體情況，該系統(tǒng)還存在以下不足之處：

(1) 站內(nèi)GIS設(shè)備若存在漏氣情況，較難發(fā)現(xiàn)；機(jī)器人不具備對設(shè)備外表缺陷的檢查功能，例如敞開式設(shè)備的瓷瓶有裂紋，設(shè)備滲漏油等情況；有些設(shè)備位置比較特殊，機(jī)器人無法進(jìn)行巡視；

(2) 巡檢路面需平坦，若路面上有凹陷、凸起、坑洞或者障礙物，機(jī)器人會因無法越障而停止工作，進(jìn)而影響整體進(jìn)程；

(3) 在雨霧冰雪等不良天氣條件下，設(shè)備的能見度將降低，機(jī)器人系統(tǒng)在對設(shè)備的可見光拍攝效果方面將受到一定的影響。

針對以上造成機(jī)器人無法巡視或者巡視質(zhì)量降低的情況，都需要配合人工巡視來完善。因此，機(jī)器人廠家應(yīng)加強(qiáng)巡檢系統(tǒng)應(yīng)對特殊氣象條件的檢測能力以及避開障礙物的智能性。目前，大多的機(jī)器人巡檢系統(tǒng)還是單機(jī)模式。為便于遠(yuǎn)程調(diào)閱設(shè)備的巡檢數(shù)據(jù)及測溫圖片，該系統(tǒng)可以通過添加后臺數(shù)據(jù)模塊的方式，接入電力系統(tǒng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)，以增強(qiáng)上級部門對站端設(shè)備的總體把控能力。

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(編輯 徐林菊)

Intelligent Robot Inspection System Based on Laser Navigation in UHV Substation

GUO Yang, CHEN Hao

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch Company, Nanjing 210010, China)

Compared with the robot navigation mode, an intelligent robot inspection system for substation based on laser navigation technology is introduced to meet the new requirements of UHV substation equipment inspection. The structure function definitions, task execution of the system are discussed. The result of taking visible light picture, reading instruments data, detecting infrared thermal image by robot are compared with traditional inspection result. The practical results indicated that the inspection system can adapt the UHV substation circumstances which have numerous equipments and complex structure. Owing to long time endurance and accurate detection method, this system guarantees the reliability of equipment inspection, and provides strong support for daily operation and maintenance management of UHV substation. Finally, suggestions and improvement measures on robot system operation are provided.

laser navigation; intelligentrobot; inspection; UHV

2017-02-08；

2017-03-27

TM769

A

2096-3203(2017)04-0125-06

郭 楊

郭 楊(1986—)，男，四川成都人，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化(E-mial：guoyang53436932@163.com)；

陳 昊(1980—)，男，江蘇南京人，研究員級高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)(E-mial：pingfengma@126.com)。