激光導航智能機器人巡檢系統在特高壓變電站的應用

郭 楊， 陳 昊

(國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210010)

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激光導航智能機器人巡檢系統在特高壓變電站的應用

郭 楊， 陳 昊

(國網江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京 210010)

為適應特高壓變電站設備巡檢的新要求，在對比了機器人導航模式的基礎上，介紹了一種基于激光導航技術的變電站智能機器人巡檢系統。討論了該系統的結構組成、功能定義、任務執行等方面的內容。對機器人在可見光攝影、表計數據讀取、紅外熱像檢測方面的效果與傳統巡檢效果的進行了比較。現場實際應用情況表明，該巡檢系統能很好地適應特高壓變電站設備眾多、結構復雜的環境。巡檢系統長時間的續航能力和精準的檢測方法，保證了設備巡檢的可靠性，為特高壓變電站的日常運維管理工作提供了有力支持。最后對機器人系統使用中的問題提出了建議和改進措施。

激光導航；智能機器人；巡檢；特高壓

0 引言

變電站電力設備的巡視檢查是保證變電站安全運行，提高供電可靠性的一項基礎性工作[1]。變電站的傳統巡檢工作均由運行人員完成，主要通過視覺和聽覺對設備的缺陷進行判斷，通過紅外熱像儀對設備進行測溫。但是，通過人工模式難以對設備進行長時間高精度的檢查。同時，該種模式存在勞動強度大、工作效率低等缺點。隨著電力裝備技術和計算機網絡技術的革新，以及現代特高壓交直流電力工程的大力建設和蓬勃發展，傳統的變電站巡檢方式已經難以適應特高壓變電站占地面積大、設備數量多的特點。如何在大電網運行的新形勢下，采用新技術、新方法以減輕運維人員的巡檢工作強度，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，我國已建成投運的1000 kV特高壓交流變電站已達13座，根據國家“十三五”規劃，在未來5年內還將興建20多座特高壓交流變電站，以構成國家電網的特高壓主網架。特高壓變電站具有占地面積大、絕緣等級高、設備數量多、結構復雜等特點。站內1000 kV和500 kV等級均采用GIS設備，與GIS設備相關聯的SF6壓力表計數量眾多，人工抄錄壓力值費時費力。同時，GIS設備采用全封閉模式，斷路器、隔離開關、接地閘刀的位置指示不明顯，不便于運維人員觀察[9]。主變壓器、高壓電抗器等設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中的樞紐節點，除年度檢修以及臨時消缺工作外，其倒閘操作的次數很少。通過巡視檢查發現設備的隱患、缺陷，并及時消除，保證全站的安全運行成為了日常工作的重點。根據文獻[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，相比傳統低電壓等級變電站，特高壓變電站的運維管理對巡檢工作的全面性和準確度方面提出了更高的要求。2016年3月，江蘇省內首座特高壓變電站建成投運，該站的巡檢模式和質量對日后省內其他新建特高壓變電站運維管理工作中相關制度修訂、經驗推廣起著重要的指導意義。

2 機器人導航模式對比

目前，變電站室外智能巡檢機器人一般采用輪式移動機器人。因此，導航和定位是機器人完成巡檢任務的前提所在，導航系統的性能直接決定了巡檢任務的質量。在巡檢機器人出現之初，導航模式為磁導航，通過預埋在巡視路線上的磁條和機器人車身上的磁傳感器相匹配來完成導航定位功能[11，12]。但根據近幾年來的現場運行經驗，采用磁導航模式的機器人在變電站進行巡檢任務的案例，發現了如下問題：(1) 磁軌道鋪設時，地面施工復雜，工作量大，機器人運行路線不靈活，機器人越障高度受限于磁傳感器檢測距離；(2) 機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故障，就會偏離磁軌道或停滯不前，從而影響整個巡檢任務；(3) 當臨時終止巡檢任務再去執行另一個任務時，機器人因重新規劃路徑，調整行駛方向，可能會沖出磁軌道。以上問題在現有方式下較難解決。

為解決以上問題，激光導航系統被應用于巡檢機器人。激光導航技術是利用機器人自身安裝的激光雷達進行距離測量。激光雷達通過旋轉鏡面機構向外發射激光[13]，當掃描到由激光反射器構成的路標時，反射光被光電接收器件接收并處理作為檢測信號，然后通過站內局域網傳遞給上位機進行數據處理，上位機根據事先已采集的全站路標的位置信息和檢測信號，計算出機器人在當前路標坐標系下的位置和方向，以此完成導航工作。激光導航模式具有定位設備成本低、可全時段工作、不受電磁干擾、定位精度高、無累積誤差、地面附屬設施施工簡單等優點。該導航模式被運用于機器人巡檢系統，具有良好的效果[14]。

3 機器人巡檢系統的構架與功能

3.1 機器人巡檢系統的構架

該特高壓變電站機器人巡檢系統采用分層式控制結構，共分為2層：基站控制系統層和移動站系統層[15]。如圖1所示。

圖1 機器人巡檢系統構架Fig.1 Architecture of robot inspection system

基站控制系統層主要由站端監控計算機系統、交換機以及相應的無線網橋基站等設備組成。監控主站系統基于Windows系統，采用C++面向對象的編程語言開發設計，具有友好的操作交互界面，完成監測功能，為機器人巡視運動路線的規劃提供相應的命令及環境信息，并可以對機器人拍攝的圖像，采集的設備數據進行分析、存儲，并提供專家系統診斷，具有實時告警功能。

移動站系統主要由主控計算機、運動控制、導航定位、巡視檢測、電源系統、網絡通信系統以及機器人機械結構等模塊組成，實現機器人運動控制、導航定位、可見光及紅外數據檢測采集以及狀態信息上傳等功能，結合基站控制系統，完成機器人遙控巡視和自動規劃巡視等功能。

3.2 機器人巡檢系統的主要功能

智能機器人巡檢系統以人工設定巡視任務，全自動執行為主，結合本地或遠方遙控為輔助手段進行工作，巡檢內容包含設備可見光拍照、紅外測溫，儀表參數讀取等，具有巡檢方式客觀化、靈活性強，檢測方式多樣化、智能化等特點。同時，系統集巡檢任務、路徑規劃、報表生成、缺陷定級于一體，實現了巡檢過程全自動管理，并提供了數據分析和決策支持。其主要功能如表1所示。

表1 智能機器人巡檢系統主要功能Table 1 The main function of intelligent robot inspection system

3.3 巡檢任務規劃

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

圖2 機器人運行電子地圖Fig.2 Digital map of robot operation

3.4 巡檢任務基本信息

根據該站的設備分布情況和《變電站日常管理規定》中關于設備巡視的要求，特為機器人制定了6個例行巡視任務，以及隨時可以啟動的定制巡視任務和特殊巡視任務，并給出了詳細的巡檢設備數和巡檢時間，如表2所示。

表2 機器人巡檢任務

Table 2 Robot inspection tasks

序號任務類型巡檢任務檢測設備數/個巡檢時間/min檢測模式11000kV設備區測溫巡檢542195紅外檢測21000kV設備區日常巡檢831246可見光檢測3例行巡視主變及110kV設備區測溫巡檢623178紅外檢測4主變及110kV設備區日常巡檢867225可見光檢測5500kV設備區測溫巡檢432143紅外檢測6500kV設備區日常巡檢782208可見光檢測7定制巡視1000kV區域避雷器巡檢1535全面檢測8500kV區域SF6壓力表計數值讀取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 機器人巡檢結果分析對比

激光導航機器人巡檢系統將先進的檢測方法和技術運用于變電站設備巡檢和缺陷定級，為驗證其巡檢功能的可靠性和實用性，本文從清晰度、準確度、時效性3點出發，將機器人在可見光拍照、表計數據讀取、紅外測溫等方面的巡檢結果與人工巡檢結果相比較，以驗證其性能的優越性[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

結論分析：由于機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的情況下，其拍攝效果比人工觀測效果要好。特殊情況下，當被拍攝對象位置不佳時，拍攝結果略差于人工結果，但機器人機動性很強，可隨時進行拍攝，節省了人力。

(2) 表計數值讀取對比如圖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避雷器動作次數指示Fig.6 Action number indication of NO.2 transformer 500 kV arrester

結論分析：表計讀取數值清晰，效果與人工拍攝效果基本一致。站內GIS斷路器設備液壓機構表計，各電壓等級的避雷器數量眾多。采取機器人拍攝穩定性高，不會遺漏，機器人拍攝完畢后會自動讀取數據，生成表格，便于調閱和讀取，提高了工作的時效性，極大地減輕了運維人員的工作量。

(3) 紅外測溫結果對比如圖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

結論分析：從以上紅外圖譜對比可見，機器人紅外測溫結果與人工手持紅外測溫儀測量結果基本一致，誤差很小。當巡檢設備數量眾多時，機器人系統能發揮其長時間的續航能力，有效提高了工作效率。同時，機器人測溫采用模式識別技術，測溫結果精確度和可靠性更高。

4 結論

本文對特高壓變電站智能機器人巡檢系統做了全面的介紹，該系統以先進的激光導航定位技術為基礎，結合先進的控制策略和檢測手段，在設備巡檢和紅外測溫方面體現了明顯的優點。通過強大的數據采集和報表管理功能，提高了巡檢數據處理效率，切實減輕了運維人員的工作量。但是，鑒于站內各型設備的不同特點，以及巡視道路和現場天氣等具體情況，該系統還存在以下不足之處：

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

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

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

針對以上造成機器人無法巡視或者巡視質量降低的情況，都需要配合人工巡視來完善。因此，機器人廠家應加強巡檢系統應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，大多的機器人巡檢系統還是單機模式。為便于遠程調閱設備的巡檢數據及測溫圖片，該系統可以通過添加后臺數據模塊的方式，接入電力系統生產管理系統(PMS)，以增強上級部門對站端設備的總體把控能力。

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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，研究方向為電力系統自動化(E-mial：guoyang53436932@163.com)；

陳 昊(1980—)，男，江蘇南京人，研究員級高級工程師，研究方向為電力系統繼電保護(E-mial：pingfengma@126.com)。