高壓開關柜智能檢修機器人關鍵技術研究*

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.河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

電力是工農業生產、交通運輸、國防科技及日常生活不可或缺的能源，電網變電站是電力系統中承擔電能轉換和再次分配任務的核心節點，對電力系統的安全和經濟運行起著重要作用，高壓開關柜是變電站中的關鍵性一次變電設備，在電力系統的輸電、變電、配電中起控制、監視和保護作用，其工作狀態對電網可靠性有重要影響，因此對高壓開關柜進行例行檢修是保障變電站各設備模組維持安全穩定運行的必要作業項目[1]。高壓開關柜的檢測項目繁多，傳統采用人工檢修方式，經常無法做到快速響應處置，還存在漏裝、漏試的風險，嚴重影響恢復送電的效率，而且人力、物力消耗很大。基于高壓開關柜檢修的工程需求，急需研制一套集運維、試驗、應急于一體的智能檢修機器人，提高高壓開關柜常規檢修作業效率及精準管控效能，降低運行成本和安全事故發生率，為電力裝備智能化提供新技術產品支持。

1 國內外電力機器人研究現狀

電力機器人隨著應用工程、知識工程及制造工程等社會科技發展應運而生，近年來逐漸在電網的建設、運行、維護等方面發揮越來越重要的作用，尤其隨著人工智能技術的高速發展，智能電網建設與機器人技術愈發深度結合并持續創新，國內外愈加重視專業化的監測管理系統和機器人應用平臺的開發，實現在多場景電網工況下代替人工操作，達到電網多系統協同運作的智能化、高效化、安全化。電力機器人主要應用于電力輸變電設備的維護、巡檢和安全檢測等例行任務操作，通常以智能機器人為平臺，綜合應用計算機技術、視覺技術以及傳感器技術來綜合完成規定的作業要求，為智慧電網建設和管理提供了有力的保障和支持[2]。目前最常見的功能發展趨勢是電力巡檢機器人，重點用于輸電線路巡檢、變電站巡檢、發電廠設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設備執行巡查和監測，及時發現故障及安全隱患，保障電網長期穩定運行[3]。

電力機器人的研究開始于20 世紀80 年代，主要集中于日本、歐美等發達國家，近年來獲得了快速發展，如日本三菱公司和東京電力公司聯合開發的500 kV 變電站巡檢機器人，基于路面軌道行駛，采用磁導航方式，利用紅外熱像儀和圖像采集設備，自動獲取變電站內實時圖像信息。巴西學者設計了一種配備Wi-Fi 和紅外熱像儀的高空滑行變電站巡檢機器人，能夠對變電站電力設備的致熱點進行檢測和預警。美國電力研究院開發的TOMCAT 帶電作業機器人，基于主從同構型單臂結構并聯驅動，操作者站在地面遠程遙控操作，實現與機器人本體分離，具有非常高的作業安全性。加拿大公開了一種檢測及操作機器人，采用GPS 定位方式，在735 kV 變電站實現視覺和紅外檢測，并能遠程執行開關分合操作。

我國巡檢機器人的研發始于1999 年，在國家“863”計劃項目支持下，國網山東省電力公司電力科學研究院和山東魯能智能技術有限公司聯合研制出系列化變電站巡檢機器人，主要進行變電站內部環境信息和特征采集。2012 年成都慧拓開發的變電站巡檢機器人在鄭州110 kV 牛砦變電站投入運行，能夠對開關和儀表等進行視頻采集和數據分析，自動判斷運行狀態并預警。中國科學院沈陽自動化研究所研制的軌道型變電站智能巡檢機器人，能夠在嚴寒、冰霜和狂風等極端惡劣天氣環境下進行室外巡檢工作。上海電力研發了一種小型電纜隧道機械車，車身上設置了紅外攝像頭、氣體傳感器、超聲波傳感器等采集元件，通過履帶機構實現在電纜隧道中開展電纜巡視工作。2021 年億嘉和發布“羚羊D200”智能操作機器人，可在無人化變電站對各種儀器儀表精準識別，敏感采集漏放電的浮動趨勢，對潛在隱患提前預警。

但通過對國內外相關文獻的詳細分析發現，目前市場上的巡檢機器人主要基于傳感器技術的基礎集成和適配完成規定的檢測作業要求，帶有機械臂的巡檢機器人也只是按照人工預設的指令來完成單一重復工作，而專用于變電站高壓開關柜的運維、試驗、應急于一體的智能化綜合作業機器人未見文獻報道。

2 智能檢修機器人的功能特征

2.1 高壓開關柜檢修作業特征

高壓開關柜是由斷路器、互感器、變壓器、隔離開關、接地開關、負荷開關等電氣元件以及控制、保護、測量、調節裝置、內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合絕緣材料作為滅弧絕緣介質的系列箱體柜內，全面負責接收和分配電網的電能。為保證電網安全穩定運行，高壓開關柜需要進行例行現場檢修，從而及時發現安全隱患，處置突發故障，提高工作壽命。高壓開關柜的檢修項目主要包括斷路器、柜體開關、聯鎖裝置、繼電保護裝置、互感器、過壓保護器、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柜的核心功能部件，用于連接、斷開或切換電路，起到保護電路或使設備免受短路、過載和地漏電流等現象的影響，在保障變電站穩定安全運行中起關鍵[4]。斷路器主要有手車式和固定式兩種，檢修維護有嚴格的操作規程。

2.2 機器人功能目標

開發高壓開關柜智能檢修機器人涉及的技術領域包括通用領域的機器人技術、精確測試技術、高速網通技術和人工智能技術，還包括專用領域的電力檢修作業流程及環境約束下的剛柔耦合機器人運動控制技術、基于機器學習的開關目標識別定位技術、高壓環境下機電結構總成設計及抗干擾技術，通過一體化功能集成代替傳統人工實現精準移位動作、特定適配操作、無人自動試驗等專業規范的作業操作[5]。高壓開關柜智能檢修機器人總體功能目標是基于電力變電站智能無人化運維的大背景需求，圍繞高壓開關柜的例行巡檢操作和應急處置的實際需求，研制以自主動作檢修機器人為操作單元，以無人化檢修站為試驗單元的綜合性智能檢修系統，實現多參數控制下的模擬環境測試。系統應用后將大幅降低變電站例行作業的運維成本，顯著提高作業效率和精準管控程度，極大減少人工操作的安全隱患。

3 檢修機器人開發的關鍵技術

傳統的變電站巡檢過程需要人員進入到變電站內進行檢查，手工完成大型高壓開關柜的多型號開關控制或更換斷路器操作，人工操作安全隱患多，工作強度大，效率低下。而開發專用的智能檢修機器人能夠對變電站內部的各類設備進行無人化精準巡檢和特定操作控制，同時提高檢查的準確度和工效，因此高壓開關柜智能檢修機器人是電力巡檢機器人的重點研發方向，通過機器人實現對電網變電站變電設備進行工況數據采集、運維管理和現場檢修輔助的無人化作業[6]。智能檢修機器人開發的關鍵技術包括：

1）設計復雜場景智能檢修機器人的功能方案。檢修機器人是以多傳感器融合導航式移動載體搭載剛柔耦合操作機構，在工業相機、壓力傳感器以及激光傳感器的多傳感技術融合的方式下，深入分析不同任務需求下的剛柔耦合精準作業控制方法和多源信息輸入的目標識別、定位與協調控制方法，系統的整體技術方案決定著其對開關柜排列組合環境的適配性、多目標檢修效果的精準性、變電站場景的通用性、工作模式的智能化程度等。

2）搭建智能檢修機器人的軟硬件作業平臺構架。剛柔耦合機構作業平臺是一種自控移動載體，機構總成和自由度設計決定著機器人的運動控制特征和巡檢功能拓展程度，因此需要根據技術功能方案的要求分別搭建平臺各模塊的運動學、動力學模型，研究操作工藝流程及環境約束下的剛度矩陣參數映射方式，開發模塊化作業工裝機電一體化集成接口以及控制方法，適配不同任務需求下的機構與載體運動控制與避障方法，試驗獲得多相機與激光傳感器融合的最佳目標識別與定位方法。

3）完善綜合智能檢修站及工程系統。基于智能檢修系統的作業流程要求，綜合考慮真空斷路器的機械性能和電氣性能，結合機械特性、回路電阻、絕緣電阻、交流耐壓等試驗原理，試驗總結任務的執行動作邏輯關系及任務流程完整性分析方法，完善高壓環境下一體化結構、電氣、軟硬件總成及抗干擾技術，獲得智能檢修站的動態裝載機構與試驗準確性的判別方法。

4）優化智能檢修系統的電力作業流程和模擬環境。通過對目前開關柜類設備的檢修試驗技術、運維作業方式與現場管理模式的分析，考慮各試驗項目的高效性、安全性、便宜性，深入研究高壓開關柜的人機協同模式與無人化模式的運維作業流程與高壓開關柜智能檢修系統的設計要求，從而達到人機協同與無人化的作業目標要求，進一步開展適用于智能檢修系統的模擬變電站開關室環境的設計與優化。

4 檢修機器人的工作模型

4.1 機械結構總體設計

檢修機器人外觀結構見圖1，主要機械結構部件包括：導航底盤、車架、視頻采集器、機械手臂、作業器具和驅動附件等，導航底盤下安裝帶有抱緊鎖定功能的萬向驅動輪，車架固定在導航底盤上，設置三維微調功能，具有X 向、Y 向及Z 向移動的自由度。機械手臂具有六個方向的程控自由度，作業器具可自主更換的標準化、系列化抓手機構組合，按型號標準整齊配備在車架的工具平臺上，由機械手臂按需調配。根據高壓配電柜的開關類型和緊固鎖型號，機械手臂能夠根據操作動作規范自動更換不同的作業器具，實現抓取拖拽的精準定位和動作驅動，完成多種型號柜門的開閉、電氣開關的通斷、手車斷路器的拉出和推入等維護檢修動作。為實現機器人檢修全過程的智能控制管理，配套開發智能云管理系統及管控客戶端，對視頻采集器獲取的實時數據進行智能分析和動作判斷，當高壓配電柜出現異常或突發故障隱患時，人員無需到場即可遠程操作，或由機器人根據控制預案及時響應，第一時間自動完成檢修試驗工作，避免人員現場作業中的突發風險。

圖1 檢修機器人外觀圖

4.2 機器人的主要功能參數

1）機器人配備：運動導航模塊、多傳感器融合模塊，拖拽模塊，單目視覺定位模塊，氣、電動結合驅動模塊、安全防護模塊等。

2）激光SLAM 融合導航精度：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器人智能工作模型，綜合管理系統實時獲取斷路器的工作狀態參數，確定斷路器是否需要檢修，若檢修則向機器人發送控制指令，指示機器人自動執行如下步驟：

1）機器人的拖拽模塊（機械手臂驅動作業器具）接受指令（見圖2），精準定位移動到故障開關柜前面，機械手臂控制的作業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，擰開鑰匙孔，解鎖柜門后，將所述柜門開鎖模塊歸位。

圖2 機器人自動解鎖開柜

2）車架上下左右移動微調位置，使驅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，直至驅動附件的定位銷插入開關柜的定位孔內，鎖鉤鉤住開關柜的鎖孔內，鎖定斷路器。

3）驅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，進行檢修。

圖3 機器人拉出斷路器

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

5 結束語

以電網變電站例行管理和高壓配電柜例行檢修為規范操作模式，智能檢修機器人集成了機械、電氣、導航、傳感器及人工智能等前沿技術，成功仿真了人工操作過程，實現了常態工況下機器人對人工動作的全流程替代，達到了高壓配電柜的各項檢修、維護、試驗等任務指標。尤其智能檢修機器人能夠完全自主驅動和精準動作定位，實現了對斷路器的自動更換檢修，顯著提高了高壓開關柜常規檢修作業效率，對避免現場人身事故發生和降低了變電站運行成本效果突出，該成果功能在國內外尚未見報道。