變電站多功能帶電智能檢修平臺的設計與研究

任江波，趙子根，劉景立，黎強，王波，高巖

1.國網河北省電力有限公司，河北 石家莊 050021

2.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳 518057

3.國網河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000

帶電作業是電力設備測試、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安全具有極其重要的意義[1?3]。自20世紀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機器人及其應用展開深入研究及推廣[4?6]。中國相關科研院校也針對帶電作業機器人展開研究，并取得積極的成果。如：山西公司及山東魯能智能技術有限公司研制開發的高壓帶電作業機器人系統，系統通過主從操作機械臂、機器人專用升降系統和絕緣工具系統，完成10 kV配電線路的智能維護等；上海交通大學針對220 kV高壓絕緣子帶電探傷，建立基于遠程通訊及遙控控制的超聲探傷機器人系統，完成對絕緣子的帶電探傷；湖北公司和上海交通大學目前正針對新一代智能變電站隔離斷路器聯合研發具有自主導航、自動識別和全自主作業的遠程控制自動化帶電檢修作業平臺等[7?9]。

盡管變電設備機器人帶電作業相關研究已在全世界大規模開展，但目前大部分變電設備的帶電檢修設備存在剛度差、不易于操作、功能單一和無法平臺化、模塊化等不足，業內主要研究方向局限于“巡檢”機器人技術，對于機器人“帶電檢修”技術研究不足[10?12]。已研制的變電設備帶電檢修機器人樣機存在功能單一、適應能力差、仍需人工近距離輔助和無法平臺化等不足，且對變電設備帶電維護多功能智能化作業平臺技術國內外尚無相關研究，大部分變電設備檢修任務仍需停電后人工作業完成[13?15]。針對現有研究成果的不足，變電設備自動化帶電檢修平臺需從智能維護工藝及流程設計、面向維護的結構設計、智能傳感技術及安全與可靠性等方面，對變電設備帶電維護相關核心技術展開研究，并進行應用論證與推廣。

1 帶電智能檢修相關技術分析

近年來電子信息、機械設計、人工智能及控制理論的迅速發展為帶電檢修機器人關鍵技術項目的研究工作提供了有力的理論支撐。對于已知的作業環境與特定的設備結構為機器人作業末端設計及作業臂作業流程與規劃提供了詳實的參考依據，模式識別與圖像處理、機器視覺技術及3G/4G/GPRS等無線通信技術的日趨成熟讓機器人的人機交互與遠程控制成為可能，采用特定頻率無線通訊方式，可以避免變電設備強電磁場干擾對機器人人機交互信號的影響，使得帶電檢修機器人具備較強的抗電磁干擾能力，為實現機器人的遠程控制與各種帶電檢修作業功能提供有力保障[16?18]。

1）機械結構方面。帶電檢修機器人結構設計有以下3個原則：①安全性是機器人設計的第一要務，須保證帶電檢修機器人作業臂有充足的作業空間，在越障及作業過程中機體不得發生大幅側傾、搖擺和振動，各機械臂作業時不出現相互干涉現象。②保證安全性及功能性的前提下，機械臂的設計盡量簡單并減小自由度，以減小機器人的體積與質量。③末端工具的重組與更換需要簡單、方便、易行。

2）硬件測控平臺方面。帶電檢修機器人硬件測控平臺包括運動控制系統(工控機)、視頻圖像采集與處理系統、無線通訊系統和電源管理系統4個主要部分，各系統之間通過特殊設計的接口連接，實現機器人本體及作業機械手臂的運動控制。

3）軟件平臺方面。機器人人機交互界面設計簡單明了，能夠適應非專業人員的獨立操作。

2 變電設備帶電檢修平臺整體方案分析

變電設備帶電作業對安全防護、遮蔽要求非常嚴苛。隨著變電設備向集成化、小型化方向的發展，進一步制約了傳統變電帶電檢修模式的實施。運維檢修工作中，變電設備部分例行檢修項目及運行過程中出現接頭過熱、螺栓松動等各類缺陷的處理，均需停電進行。母線側隔離開關和隔離斷路器的檢修更是需要母線陪停。傳統的檢修模式和人工帶電作業方式已難以滿足電網的高可靠性運維需求[19?21]。圍繞變電帶電作業方式變革和安全帶電作業裝備發展的迫切需求，研制多功能帶電自動化檢修裝置，在滿足絕緣安全防護的基礎上，具備靈活的帶電檢修操作特點，可在狹小空間、復雜工況下高精度自主實施多類型變電設備的典型帶電檢修與檢測項目，實現變電帶電作業技術與功能的平臺化、系列化和智能化。本文結合變電站內各項作業需求研制了一套模塊化、輕便型、自主性強的變電設備智能帶電檢修作業平臺，具體設計方案如圖1所示。

圖1 變電設備多功能帶電自動化檢修平臺設計方案圖

整機采用模塊化設計，由3個主要部分組成。遠程主動機械手操控平臺、運輸及大剛度作業平臺、輕便型多功能帶電檢修工作機。3部分組裝、分離過程簡單，輕便型多功能帶電檢修平臺可自主駛上大剛度升降平臺。當對220 kV及以上電壓等級較高變電站內設備操作時，由于變電設備距離地面高度大，下方空間開闊，故可使用全套設備，由運輸車攜帶工作機進入作業位置，大剛度升降平臺和工作機自帶升降系統協同操作，舉升作業平臺至工作位置進行作業。當對110 kV及以下電壓等級較高變電站內設備操作時，由于變電設備下方空間狹小，不易轉向，并且變電設備距離地面高度在工作機自身升降系統可達范圍內，故工作機可與運輸平臺分離，單獨進入作業位置。

工作機為輕便型多功能帶電檢修平臺，外形尺寸較小，可滿足變電設備較小間隔處及變電站內空間狹小處的作業空間要求。工作機作為整機的核心部件，主要由3部分構成：上平臺智能作業系統、絕緣升降平臺系統、小空間智能移動載體。3部分之間采用無線加光纖的方式進行互相通訊，同時通過無線通訊受遠程主動機械手操控平臺統一控制。機械手末端可根據不同作業目標，通過標準化接口連接各類專用帶電檢修工具。采用主從同構機械手作業加基于立體視覺的全自動作業方式，從而提高整機自主性。具體控制及通訊方式如圖2所示。

圖2 變電設備多功能帶電自動化檢修平臺控制及通訊方案圖

3 變電設備帶電檢修平臺具體實施方案

3.1 變電設備帶電檢修作業平臺功能分析與實現

母線側刀閘/隔離斷路器與母線連接引線帶電拆卸與安裝。該功能可實現無載荷狀態下，對母線側隔離開關、隔離斷路器與母線連接引線的帶電自動化拆卸、安裝，實現可見斷口下的安全檢修，整個過程中母線及相應間隔無需陪停，如圖3所示。母線側隔離開關及隔離斷路器新型設備在需停電檢修時，檢修平臺自主駛入待修刀閘或隔離斷路器下方，自調平后三維重構現場，判斷安全工作空間后，結合立體視覺系統使用主從機械臂拆卸分離母線側隔離開關、隔離斷路器與母線的連接引線金具，并傳遞至現場作業人員完成驗電、接地，母線側隔離開關或隔離斷路器維修完成后，現場作業人員檢修平臺自動將連接金具安裝歸位。

圖3 帶電拆卸、安裝母線側刀閘/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、憎水性評價及全角度清掃。該功能可實現針對各類型絕緣子、套管的帶電立體化探傷、憎水性評價及全角度清掃。需對絕緣子檢測或清掃時，檢修平臺自主駛入該絕緣子下方，自調平后三維重構現場，判斷安全工作空間后結合立體視覺系統使用主從機械臂對絕緣子進行作業。當需檢測憎水性時，由機械手末端攜噴槍，后由視覺系統對水滴進行邊緣提取，根據邊緣形狀判斷絕緣子表面狀況；當需對絕緣子探傷或清掃時，可更換對應探傷頭或清掃機，作業效果如圖4所示。

圖4 外絕緣帶電立體化探傷、憎水性評價及全角度清掃效果圖

3.2 主從同構機械臂研制

對作業雙臂進行運動學建模，建立空間坐標系，在相關約束條件下求解，完成機械臂的正逆解運算。通過對整個作業空間進行網格化劃分，完整地描述出自由空間與障礙物空間，并根據相間、相地安全距離規劃最優無碰撞路徑。如圖5所示。通過對機器人前三軸進行計算得出機器人的空間工作范圍。用運動副連接各個桿件組成的空間運動鏈模擬串聯機器人。采用D-H參數法通過描述各桿件之間的相對位置關系求解出機器人正向運動學。

3.合同管理人才匱乏。合同管理涉及全局，又是專業性、技術性、綜合性很強的工作，對合同管理人員的綜合素質要求很高。目前，油田合同管理人員的業務素質參差不齊，專業合同管理人才匱乏，極大地制約了合同管理水平的提高。

圖5 多自由度機械手運動空間示意圖

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，機械手末端執行器運動空間為綠色矩形區域。研究絕緣性能好、剛度大的絕緣材料，用于制作機械臂主體及絕緣液壓組件。搭建主從動手系統，建立高自由度、結構設計緊湊、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。引入六維力傳感器，根據六維力傳感器采集的信息進行主從動手系統柔性適應，擬采用力、位結合控制策略完成主從動手系統柔順控制，如圖7所示。

圖6 受約束條件限制后機械手運動空間示意圖

圖7 基于六維力傳感器主動柔性控制流程圖

變電設備檢修過程中會出現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為典型軸孔裝配時通過六維力傳感器采集到的3個方向力和力矩信息，機械手末端執行器攜帶軸尋孔的過程。

圖8 軸孔裝配時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，可適應金具復雜表面情況，合理利用金具外表面幾何尺寸，完成軸與孔的定心和姿態矯正，從而順利裝配。

圖9 軸孔式金具裝配虛擬力學模型

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

圖10 標記點閾值分割和邊緣檢測效果圖

3.3 適合于變電設備狹小空間的智能載體及傳感器技術研究

對變電站進行技術調研，按照變電站內地面承載能力、轉彎半徑、相間、相地和相地/相間安全距離等因素設計行走方式、調平措施、載具結構。同時滿足承載能力、遠程控制、自主導航和自主調平等功能。圖11為智能載體結構及智能載體與作業機械手臂關系示意圖，該智能載體由履帶式行走底盤、自調平支腿、升降機、電控柜和圍欄等組成，其上安裝作業機械手臂，可攜帶作業機械手臂智能移動、升降。

圖11 變電設備多功能帶電自動化檢修智能載體方案側視圖

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、報錯和糾偏等，并在到達指定工作地點后進行作業可行性分析。圖12為一種智能載體導航策略，通過傳感器陣列識別導航條與定位點，完成智能載體的定位及糾偏。

圖12 智能載體導航策略

3.4 強電磁場環境下遠程傳輸及人機操作交互控制系統研究

高壓實驗室模擬變電站現場強磁場環境，測試遠程無線信號傳輸效果，針對放電時電磁脈沖等級選取最佳屏蔽材料，測試強電磁場環境中及放電過程中通訊信號受干擾情況及監控畫面圖像質量，測試單層、雙層、不同開孔位置等各種形式屏蔽罩在該環境中屏蔽效果；測試不同頻段通訊信號在該環境中的受干擾情況；測試不同環境濕度下受干擾情況。圖13為金屬屏蔽盒屏蔽特性試驗，設置實驗室EMP模擬器產生的電磁波方向固定，在同一種條件下分別測量屏蔽盒內各點電場強度。為了進一步研究屏蔽特性，實驗中將長方形孔的長邊分別處于不同方向，測量屏蔽盒內電場強度。

圖13 屏蔽效果測試模擬圖

圖14 屏蔽材料測試方案

建立遠程控制臺與工作機之間、工作機內部各組件之間通訊及控制系統，如圖15所示。

圖15 變電設備多功能帶電自動化檢修平臺通訊及控制系統

3.5 基于三維場景的空間定位及傳輸技術研究

研制基于雙目立體視覺的旋轉平臺系統，結合立體視覺，通過向物體表面投射條紋實現表面無紋理區域的精確重建，并通過多視角三維數據配準、融合構建完整三維模型，將數據傳輸至遠程控制臺，并進行反饋修偏。如圖16所示，以拆裝母線側隔離開關連接金具為例，智能載體入場后三維重構，獲取空間場景信息，分析相鄰母線位置，保證機械臂工作時不會影響相間安全距離。若智能載體定位準確，空間場景信息判斷作業安全，則啟動作業程序，機械臂作業全程實時監測空間信息，確保不進入相臨母線安全距離。若判斷結果為不安全，則移動載體重新定位。所有空間信息實時傳輸回遠程控制臺，反饋給操作人員。操作人員可根據該信息啟動、急停、中斷作業。

圖16 變電設備多功能帶電自動化檢修平臺操作空間示意圖

4 結論

本文針對自動化檢修平臺走向實際應用現場的具體矛盾需求，基于模塊化、輕量化、大剛度結構設計，主從機械手遠程操作與視覺伺服自主控制技術，基于六維力耦合特征自主定位與補償技術，單目立體視覺定位技術，雙目現場重構等核心關鍵技術展開研究，豐富變電設備帶電檢修手段，整體提高帶電檢修工作的技術水平。

整機采用模塊化設計，由3個主要部分組成：遠程主動機械手操控平臺、運輸及大剛度作業平臺、輕便型多功能帶電檢修工作機。3部分組裝、分離過程簡單，輕便型多功能帶電檢修平臺可自主駛上大剛度升降平臺。當對220 kV及以上電壓等級較高變電站內設備操作時，由于變電設備距地高度大，下方空間開闊，故可使用全套設備，由運輸車攜帶工作機進入作業位置，大剛度升降平臺和工作機自帶升降系統協同操作，舉升作業平臺至工作位置進行作業。當對110 kV及以下電壓等級較高變電站內設備操作時，由于變電設備下方空間狹小，不易轉向，且變電設備距地高度在工作機自身升降系統可達范圍內，故工作機可與運輸平臺分離，單獨進入作業位置。