變電站智能巡檢機器人應(yīng)用分析

劉兵 趙威 夏晨灝 李佳鵬 楊洪 等

我國電網(wǎng)規(guī)模巨大，變電站數(shù)量眾多，且增速明顯。現(xiàn)階段，我國變電站的巡檢方式仍以人工為主，巡檢效率較低。變電站一般為相對封閉的系統(tǒng)空間，設(shè)備數(shù)量多、占地面積大，增加了巡檢人員實時監(jiān)控的難度。在有限的巡視時間內(nèi)，巡檢人員并不能實現(xiàn)全面巡檢，設(shè)備故障和運行隱患逐漸積累，不能及時發(fā)現(xiàn)并消缺將帶來巨大的安全隱患。隨著智慧巡檢方案的推出和智能電網(wǎng)建設(shè)的推進，智能巡檢設(shè)備替代人工巡檢逐步提上日程。應(yīng)用智能機器人替代人工完成巡檢任務(wù)，已成為業(yè)內(nèi)提升巡檢質(zhì)量和效率的普遍共識。

機器人在室外變電站巡檢中的應(yīng)用前景

2022年開始，北京市地方標準DB11/T527-2021《配電室安全管理規(guī)范》正式實施。指導變電站運維工作改革轉(zhuǎn)型，明確電力系統(tǒng)巡檢技術(shù)要求。倡導將大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信和云計算服務(wù)等信息技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)運維中心建設(shè)；以實時監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)并作為基礎(chǔ)逐步搭建并完善大數(shù)據(jù)庫，建立聯(lián)合智能運營維護中心；結(jié)合智能安全巡檢策略，對各部署智能巡檢機器人變電站開展智能化巡檢、運維工作，形成真正“無人值班，少人值守”的智慧化、自動化運維模式。

發(fā)輸電和變配電系統(tǒng)的智能化巡檢，應(yīng)用智能移動通信或局部互聯(lián)網(wǎng)通訊方法和實時傳感技術(shù)，將變電站的電氣設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)外部環(huán)境信息、實時安防系統(tǒng)信息、視頻監(jiān)控信息、機器人設(shè)備信息等數(shù)據(jù)通過自主搭建的本地網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳輸至服務(wù)器側(cè)監(jiān)控指揮調(diào)度中心，對變電站實施遠程自動監(jiān)控，實現(xiàn)變電站和設(shè)備區(qū)的無人值守。

智能巡檢機器人的應(yīng)用，可真正實現(xiàn)全生命周期內(nèi)的7×24小時機器人自動化值守，大大提高巡檢次數(shù)和巡視質(zhì)量，使變電站巡檢由出現(xiàn)故障后的被動巡檢逐漸向日常例行巡檢、特殊巡檢、專項巡檢等方向轉(zhuǎn)變，保障配電設(shè)備的安全運行。變電站正常運行情況下無需巡檢人員干預(yù)介入，降低巡檢工作人員的交通安全和運維安全風險。

電力巡檢機器人面臨的技術(shù)問題和應(yīng)對

從實際來看，現(xiàn)有巡檢機器人系統(tǒng)仍難以獨立完成巡檢工作，這主要是巡檢機器人自主導航能力不足所致?，F(xiàn)有巡檢機器人導航方式存在以下問題：（1）缺乏高精度的局部定位功能，影響檢查的靈活性和效率；（2）對復(fù)雜場地環(huán)境的適應(yīng)性差；（3）獨立處理突發(fā)事件的能力不足。

隨著科技的進步，網(wǎng)絡(luò)通信、信息處理、人工智能、大數(shù)據(jù)、導航技術(shù)等的快速發(fā)展，為開發(fā)自主導航能力更強的電力巡檢機器人提供了眾多可能，聚合了機器視覺、多傳感器融合、AI 技術(shù)的自主導航技術(shù)，為巡檢機器人的實用化和推廣提供了有力保障。

系統(tǒng)構(gòu)成和應(yīng)用分析

1.巡檢機器人硬件架構(gòu)

圖1：機器人整體圖

圖2：機器人核心控制器

圖3：機器人硬件系統(tǒng)圖

變電站智能巡檢機器人整體設(shè)計如圖1 所示，其中智能巡檢機器人核心控制器（如圖2）采用Intel的第十一代酷睿平臺，依托硬件高性能CPU和GPU與人工智能和深度學習功能相結(jié)合，能夠在單個平臺上運行多個工作負載。

機器人車載子系統(tǒng)主要包括：充電口、云臺、車體、可見光相機、紅外攝像頭、激光雷達、電機等，為保障導航的響應(yīng)速度，激光雷達和IMU 直接連接到控制器上，紅外和可見光相機通過交換機連接控制器，電機的控制通過VCU 向電機發(fā)送控制指令，懸崖傳感器考慮響應(yīng)級別直連VCU，BMS 電源管理模塊通過CAN總線向VCU上傳電池狀態(tài)，為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，安全網(wǎng)關(guān)連接到無線網(wǎng)橋。組成機器人各硬件設(shè)備接口連接關(guān)系如圖3所示。

2.基于ROS 2的機器人軟件框架

ROS（機器人操作系統(tǒng)）是開源的，適用于機器人的一種次級操作系統(tǒng)。提供了包含計算機硬件抽象表述、底層驅(qū)動程序管理、共用基本功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理等類似操作系統(tǒng)的功能，還提供一些方法和庫用在獲得、建立、編寫以及運行多機整合的程序。

ROS 2在ROS的基礎(chǔ)之上提供了更優(yōu)化的架構(gòu)以及新的基本功能以適應(yīng)機器人應(yīng)用的新需求：多機器人控制，可以同時駕馭多個機器人；多平臺應(yīng)用支持，不僅要能在性能強勁的計算機上運行，還要能在資源有限的嵌入式平臺上跑；實時應(yīng)用支持；增強網(wǎng)絡(luò)通信能力；更強的可靠性和量產(chǎn)化產(chǎn)品應(yīng)用；靈活構(gòu)建。

3.基于機器人技術(shù)的遠程巡檢架構(gòu)

基于機器人的遠程巡檢系統(tǒng)以智能巡檢機器人為核心，主要由巡視主機、智能巡檢機器人、攝像機等組成。巡視主機提供針對集中監(jiān)控的業(yè)務(wù)支持，上級系統(tǒng)可遠程下發(fā)控制、巡視任務(wù)等指令，由智能巡檢機器人接收到指令后開展巡視任務(wù)，在特殊情況下智能巡檢機器人可以和部署在變電站的安防攝像機開展聯(lián)合巡視作業(yè)。巡視主機會對機器人上傳的采集數(shù)據(jù)智能分析，自動生成巡視結(jié)果與報告。

智能巡檢機器人巡檢軟件系統(tǒng)包含了底層電機的控制、3D 地圖的創(chuàng)建、定位、路徑規(guī)劃、運動規(guī)劃和儀表識別模塊。它主要是依據(jù)事先構(gòu)建的巡檢地圖和標記的巡檢點位，將機器人快速準確地導航至目標位置，之后依據(jù)表計對準工具快速準確地捕捉到表計數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行識別，將識別結(jié)果上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器進行結(jié)果分析，使得檢修人員依據(jù)結(jié)果快速做出響應(yīng)，從而高效完成變電站巡和檢的日常任務(wù)。

4.基于Intel架構(gòu)的多路攝像頭與雷達數(shù)據(jù)的同步與融合

多傳感器的數(shù)據(jù)融合不僅包括多傳感器的空間融合，同時也要求時間上的同步，從而滿足巡檢機器人定位和導航中對可靠性和實時性的要求。

電力巡檢機器人采用英特爾設(shè)計研發(fā)的基于FPGA 專門硬件模塊在時間維度上實現(xiàn)更實時的多傳感器數(shù)據(jù)的同步和融合。該方案采用Cyclone V FPGA 芯 片，提 供 多 路MIPI/LVDS，Ethernet，CAN bus，GPIO，PWM，UART 的支持，能同時接入多路高速/低速機器人傳感器（單線/多線激光雷達，視覺攝像頭，IMU，里程計，紅外傳感器等）。FPGA 芯片負責實時采集多路傳感器上報的傳感器數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)幀進行打時間戳（time stamping）和同步處理。處理好的數(shù)據(jù)通過PCIe Gen2（支持PCIe Gen2x4 和Gen2x1）高速接口上傳至host CPU 進行算法處理。通過對操作系統(tǒng)底層驅(qū)動（PCIe驅(qū)動，V4L2驅(qū)動等）的修改及上層軟件的優(yōu)化，該方案能支持ROS2軟件框架，為開發(fā)更加復(fù)雜的變電站智能巡檢機器人應(yīng)用帶來更多的便利。

5.應(yīng)用分析

作為人工巡檢的替代，機器人應(yīng)當具備基礎(chǔ)的人工巡檢功能，即具備視、聽、聞、抄的功能，即具有視頻、溫濕度、噪聲、煙霧、水浸、氣體、防盜、紅外、聲光等信息的采集功能?？紤]到機器人的成本，這些傳感器可以安裝在配電室內(nèi)，機器人在巡檢過程中，與傳感器進行通信，讀取傳感器信息與狀態(tài)。而機器人本身應(yīng)具備升降、視頻、可見光、紅外裝置，通過升降裝置和紅外熱成像儀實現(xiàn)對人工觀察盲區(qū)進行全覆蓋巡視和高位儀表盤數(shù)據(jù)讀取。同時由于工作人員可在遠端操控，對必要區(qū)域，還可以進行人工遠控補盲處理。

對一些要求較高的配電站室，可以在機器人上搭載局放、溫升、電弧識別等裝置，提升巡檢質(zhì)量。尤其是低壓配電線路的電弧短路引發(fā)的火災(zāi)，占據(jù)了電氣火災(zāi)的一半左右，對有條件的單位，可在重點電路或有故障風險的電路中加裝電弧故障檢測器，同時在機器人身上搭載電弧識別通信與管理裝置，通過對本地電流、頻域信號進行檢測分析，并結(jié)合小波變更檢測等方式進行綜合邊緣計算，及時發(fā)現(xiàn)和上報電弧故障，甚至下發(fā)脫扣命令，執(zhí)行現(xiàn)場切斷操作，以保障電氣線路安全。

對于新一代高壓變電站，國網(wǎng)吉林白城供電公司正在研究數(shù)字絕緣材料在變電站高壓絕緣局放監(jiān)測中的應(yīng)用，例如數(shù)字式高壓變壓器套管、數(shù)字高壓電纜頭和數(shù)字避雷器等，不僅提高可靠性，也可以量化電力主設(shè)備的局放水平，準確地支撐狀態(tài)檢修管理，更為高壓變電站機器人巡檢提供了就近獲取高壓主設(shè)備局放水平的可能，為巡檢機器人擴展局放專項檢測功能提供了新思路。

此外，巡檢機器人還應(yīng)具備越限預(yù)警、路線設(shè)置、巡檢計劃管理、巡檢內(nèi)容設(shè)定、缺陷上報、手動控制響應(yīng)、自動充電等功能。其中越限預(yù)警設(shè)置機器人獲取設(shè)備及傳感器信息的測點數(shù)據(jù)時，根據(jù)設(shè)置的閾值判斷是否需要發(fā)送告警。路線采用Geojson地理數(shù)據(jù)格式編輯巡檢地圖，規(guī)劃出若干條巡檢路線、充電路線，實現(xiàn)機器人的無軌移動。巡檢計劃是根據(jù)業(yè)務(wù)需求，設(shè)定巡檢時間與巡檢路線，讓機器人可以根據(jù)巡檢計劃自動進行巡檢，并設(shè)定機器人需要的檢測點。缺陷上報是當機器人發(fā)現(xiàn)缺陷時，實時上報到管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)根據(jù)缺陷內(nèi)容，發(fā)出告警或故障提示。手動控制即監(jiān)控指揮人員可在后臺界面中終止機器人的操作，對機器人進行手動控制。自動充電即當機器人監(jiān)測到自身電量低于設(shè)定閾值時，按照規(guī)劃路線自動巡航至充電區(qū)域，完成充電?！?/p>