蔡煥青，邵瑰瑋，胡霧，文志科，王興照，呂俊濤

（1.中國電力科學研究院，武漢430074；2.國網(wǎng)山東省電力公司 濟南250002）

0 引 言

變電站傳統(tǒng)的單一巡檢方式為人工巡檢，存在勞動強度大、巡檢效率低、巡檢不到位、巡檢標準不統(tǒng)一、雨雪惡劣環(huán)境下巡視困難等問題［1-3］，并且簡單依靠巡檢人員的感官和經(jīng)驗，很難做到客觀、全面、準確的評判，給設備的安全運行埋下安全隱患。

近年來，隨著科技進步，以“信息化、數(shù)字化、自動化、互動化”為特征的智能電網(wǎng)和特高壓建設的逐漸深入，傳統(tǒng)的運檢模式已不滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展需求，如何采用新形勢下的新技術、新手段實現(xiàn)運維模式的轉(zhuǎn)變，減輕變電站運維人員的運維負擔，有效保障設備安全可靠運行，是今后所面臨的主要問題之一。

變電站智能巡檢機器人主要應用于室外變電站（也可應用于換流站，以下統(tǒng)稱變電站），可對站內(nèi)變電設備開展紅外測溫、表計讀數(shù)、分合執(zhí)行機構識別及異常狀態(tài)報警等功能［4］，并提供巡檢數(shù)據(jù)的實時上傳和數(shù)據(jù)分析、信息顯示和報表自動生成等后臺功能，具有巡檢效率高、雨雪等惡劣環(huán)境下可開展巡檢等優(yōu)點［5-7］，有效提高了變電站設備運行可靠性，是今后智能變電站運維技術發(fā)展的重點方向之一。

1 國內(nèi)外變電站巡檢機器人應用現(xiàn)狀

1.1 國外應用現(xiàn)狀

國外，目前在變電站巡檢機器人應用方面，日本、新西蘭等國有過相關報道，但僅是樣機的開發(fā)和應用，并未規(guī)?；茝V應用。

2003年，日本研究者率先提出了變電站巡檢機器人的研究方案，完成了實驗室模擬實驗；隨后，研制出適用于500 kV變電站巡檢機器人，如圖1所示，但是由于技術等問題，僅在2～3所變電站試用，并停止了后續(xù)的研發(fā)［7］。

圖1 日本研制的變電站巡檢機器人Fig.1 Substation inspection robot developed by Japan

2008年，圣西保羅大學研制了一種懸掛式移動機器人，主要應用于變電站內(nèi)發(fā)熱點溫度監(jiān)測，如圖2所示，該機器人懸掛在站內(nèi)高空鋼索軌道上，采用搭載紅外熱像儀進行站內(nèi)設備測溫［8］。

圖2 圣西保羅大學研制懸掛式移動機器人Fig.2 Suspension type mobile robot developed by St.Paul university west｀

2012年，新西蘭電網(wǎng)公司與梅西大學合作研發(fā)了全地形變電站巡檢機器人，如圖3所示。該機器人配置有防碰撞的可見光攝像機和超聲波傳感器，并配置有用于現(xiàn)場設備圖像和視頻回傳的一個高清可見光攝像機。目前該機器人僅能采用遠程遙控方式工作。

1.2 我國應用現(xiàn)狀

中國，最早于1999年在山東開始變電站巡檢機器人研究，在2001年首次提出了在變電站應用移動機器人技術進行設備巡檢的想法［9］；2005年10月，研制出國內(nèi)首臺產(chǎn)品樣機，并在山東500 kV長清變電站投運，后續(xù)研制出了系列化的變電站巡檢機器人［10-11］。

圖3 新西蘭電網(wǎng)公司研制的巡檢機器人Fig.3 Substation inspection robot developed by New Zealand State Grid

2014年1月，研制成功激光導航式變電站巡檢機器人，并在浙江瑞安變電站投運［12］。2014年5月，研制的變電站巡檢機器人在湖南省衡陽電業(yè)局麻塘變電站成功試運行。

近年來，隨著市場應用前景越來越樂觀，越來越多的機器人制造廠商投入到變電站巡檢機器人的設計、研發(fā)和銷售，據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)已有25家具有一定規(guī)模的變電站巡檢機器人制造廠商，并已研制出適應于不同環(huán)境條件的變電站巡檢機器人（如圖4所示），極大促進了變電站智能巡檢機器人的應用。

目前，國網(wǎng)公司正在進行變電站智能巡檢機器人的推廣應用，推廣應用范圍已遍布山東、北京、天津、廣東、廣西、浙江、江西、陜西、山西等全國十幾個省、自治區(qū)和直轄市，電壓等級從220 kV到1 000 kV特高壓各電壓等級交、直流變電站，積累了一定的應用經(jīng)驗。變電站巡檢機器人在仿真設計、機器人操控、模式識別等多項關鍵性創(chuàng)新技術方面取得突破性進展，整體水平達到了國際領先水平。變電站巡檢機器人自投運至今，已累計為客戶發(fā)現(xiàn)1 000余項安全隱患，通過機器人的提前預警，及時進行處理，避免了重大電力事故，得到用戶的好評，進一步提高電力生產(chǎn)運行的自動化水平，保障了電網(wǎng)安全可靠運行。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司2015～2020年電網(wǎng)智能化規(guī)劃指南，2018年，開展小型化、工具化機器人應用試點，建成變電站智能機器人巡檢信息管理平臺；2020年，全面推廣小型化、工具化機器人，公司系統(tǒng)變電運維班組全部配置。

圖4 中國多家公司研制的變電站機器人Fig.4 Substation inspection robot developed by many companies of China

但是，變電站智能巡檢機器人在實際應用中也暴露出一些問題，變電站智能巡檢機器人性能與電網(wǎng)實際應用需求存在一定差異，各機型性能良莠不齊，實用化巡檢技術尚不夠成熟，智能化程度不高，技術標準體系存在較多空白等問題，嚴重影響了變電站巡檢機器人的規(guī)范化應用。

因此，有必要對變電站巡檢機器人現(xiàn)狀進行分析總結(jié)，針對變電站智能巡檢機器人的功能定位和應用需求，提出關鍵性能指標需要改進的方向。

2 變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)構成及功能需求

2.1 巡檢系統(tǒng)構成

變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)通常包括機器人分系統(tǒng)、任務荷載分系統(tǒng)和綜合保障分系統(tǒng)三個部分。

機器人分系統(tǒng)包括機器人平臺、通訊系統(tǒng)和監(jiān)控后臺系統(tǒng)。其中機器人平臺包括機器人設備本體和導航控制系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸系統(tǒng)，監(jiān)控后臺系統(tǒng)包括實時狀態(tài)控制系統(tǒng)、巡檢任務管理和各項功能檢測等軟硬件。

任務載荷分系統(tǒng)包括任務設備和地面顯控單元。其中，任務設備可多樣化，標配可見光攝像機、紅外熱成像儀和聲音采集，可靈活選配超聲、局放、紫外等檢測設備。

綜合保障分系統(tǒng)一般包括供電設備、動力供給、專用工具、備品備件等。一般在巡檢的變電站配置專用的自主充電室，機器人具備自主充電功能，電池電量不足時能夠自動返回充電室，能夠與充電室內(nèi)充電設備配合完成自主充電。

2.2 功能需求

變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)具備自主行走和懸停等運動功能，搭載有可見光、紅外等檢測設備，主要用于對站內(nèi)的變壓器、互感器、斷路器、隔離開關等本體設備的外觀、各個部件和接頭、各種表計、分合執(zhí)行機構等進行巡視檢測；亦可根據(jù)故障信息，開展故障點及其他異常情況查找等工作。

針對變電站巡檢機器人的應用需求和應用場景，根據(jù)是否配備有遠程集控后臺，變電站機器人巡檢系統(tǒng)又可分為單站型和多站型。其中，單站型機器人巡檢系統(tǒng)因不具有遠程集控系統(tǒng)，主要在站內(nèi)單臺使用，一般一臺機器人只在一個站工作，不便于移動，不能覆蓋多個站，無法集中使用和控制，使用效率不高，不能充分發(fā)揮機器人的巡檢作用。多站型機器人巡檢系統(tǒng)配置有遠程集控后臺系統(tǒng)，一臺遠程集控后臺可控制多臺本地監(jiān)控后臺，相應地可控制一臺巡檢機器人在多個站內(nèi)使用，主要用于從運維人員駐地對無人值守變電站智能機器人運行狀態(tài)和巡視結(jié)果的遠程瀏覽、遠程控制。

3 變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)主要性能指標分析

目前，國內(nèi)變電站巡檢機器人技術尚不夠成熟、可靠性低、穩(wěn)定性不高。在實際應用中發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)巡檢機器人只配置有可見光攝像機與紅外測溫儀，而紫外探測儀、SF6氣體檢漏儀等檢測設備還無法在機器人巡檢中應用，固化的檢測設備拆卸復雜和后期維護保養(yǎng)不方便，變電站智能巡檢機器人的巡檢能力受到限制；巡檢機器人在巡檢中，若遇到雨雪或結(jié)冰的環(huán)境時，易防碰撞超聲誤報、通訊性能降低、運動功能明顯降低或喪失等現(xiàn)象；部分巡檢機器人的自主導航定位不穩(wěn)定，巡檢作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)機器人“走偏”，甚至出現(xiàn)翻車到變電站下水溝的現(xiàn)場。因此，為了促進變電站智能巡檢機器人推廣應用，需要進一步優(yōu)化完善任務設備的配置、安全控制策略、環(huán)境適應性、通訊和無線電抗干擾等技術。

近年來，由于電站巡檢機器人較好的市場應用前景，引起國內(nèi)外有較多供應商不斷投入到巡檢機器人的設計、研發(fā)、生產(chǎn)制造和營銷工作中，已研制出適應于不同作業(yè)條件不同機型的變電站巡檢機器人，市面上有較多機型可供選擇。但不同機型之間性能特點和技術指標存在較大不同，導致實際應用效果差異較大。因此，有必要針對變電站巡檢作業(yè)的要求，對其技術指標和試驗標準進行統(tǒng)一，以保證巡檢安全和質(zhì)量。

目前，由于國內(nèi)外均沒有針對變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)的技術指標和性能參數(shù)等方面的試驗標準，為了掌握目前變電站巡檢機器人的主要性能情況，國網(wǎng)公司在對現(xiàn)狀進行總結(jié)分析的基礎上，從巡檢實際需求出發(fā)，初步建設了國內(nèi)外首個變電站巡檢機器人性能模擬試驗場和特高壓變電考核試驗場，可開展機器人巡檢系統(tǒng)的運動功能、巡檢能力、監(jiān)控后臺功能、抗電磁干擾性能、一般環(huán)境適應性、動力電池性能等類型共計47項試驗項目。截止2015年12月，已完成約13個機型的集中試驗檢測工作。

3.1 巡檢能力

巡檢能力是考核變電站巡檢機器人實際應用能力的關鍵技術指標，應滿足的技術要求為：

（1）具備巡檢任務模式設置；

（2）機器人可巡視全部戶外一次設備（人工無法直接巡視的除外），滿足巡檢全覆蓋的要求，覆蓋率達到100%；

（3）機器人能夠?qū)τ凶x數(shù)的表盤及油位標記、分合執(zhí)行機構等進行自動讀取和識別，并異常狀態(tài)報警，讀數(shù)誤差小于±5%，識別準確率應不小于60%；

（4）具備紅外測溫功能，讀數(shù)與實際值（手持式高精度紅外測溫儀讀數(shù)）誤差小于±5%；

（5）具備拾音功能。能對設備運行噪聲進行采集、遠傳、分析。

測試內(nèi)容主要包括：指針、數(shù)顯、油位等各種表計的識別、分合執(zhí)行機構狀態(tài)識別、變壓器噪聲識別，及1 000 kV變壓器、互感器、隔離開關、避雷器等本體設備外觀檢查、關鍵部件紅外測溫等，試驗現(xiàn)場如圖5所示。

表計和分合機構巡檢覆蓋率、識別準確率試驗結(jié)果見表1。已測試機型中，61.5%機型的巡檢覆蓋率為100%，但23.1%機型的巡檢覆蓋率小于60%，與實現(xiàn)巡檢全覆蓋的要求相差較遠；53.8%機型的識別準確率大于60%（滿足識別準確率不小于60%的要求），23.1%機型的識別準確率在70%和80%之間，15.4%機型的識別準確率在80%和90%之間。

圖5 變電站機器人巡檢能力試驗現(xiàn)場Fig.5 Testing site of inspection ability test of substation inspection robot

表1 別準確率試驗結(jié)果Tab.1 Test results of recognition accuracy

紅外測溫準確率試驗結(jié)果見表2。已測機型均具備紅外測溫功能，且還具備三相溫差對比分析和異常報警功能；但部分機型的紅外測溫誤差較大，測溫誤差范圍最大的為1.29%～23.68%，23.1%機型測溫準確率為100%，38.5%機型的測溫準確率在80%～90%間，38.5%機型的測溫準確率小于80%。

此外，已測試機型均具備對變電站設備噪聲的采集、上傳功能，但70%機型都不具備噪聲波形分析功能。

因此，對于變電站巡檢機器人的巡檢能力，建議在以下方面進行改進：（1）加強變電站巡檢機器人應用的現(xiàn)場施工、安裝、調(diào)試和現(xiàn)場測試，及機器人云臺的模塊化設計研究，提高巡檢覆蓋率，拓展機器人的應用范圍；（2）進一步加強機器人巡檢圖像處理和識別技術研究，提高巡檢識別準確度（包括準確性和和穩(wěn)定性）；（3）加強機器人紅外測溫設備的校準工作；（4）建議通過建立變電站設備噪聲庫，將機器人錄制噪聲波形與噪聲庫中波形進行比對分析，以準確、實時判斷設備是否出現(xiàn)故障。

表2 紅外測溫準確率試驗結(jié)果Tab.2 Test results of accuracy rate of infrared detection

3.2 運動功能

運動功能試驗項目包括自主導航及定位準確度、防碰撞功能、越障能力、涉水能力、爬坡能力、轉(zhuǎn)彎半徑、巡航時間和云臺性能。其中，在導航定位方面，目前，大多數(shù)機器人采用磁導航定位方式，機器人可按照預先規(guī)劃路徑自主移動及指定位置停靠，實現(xiàn)了在變電站設備區(qū)道路的全天候精確定位導航［13］；隨著傳感器技術的不斷突破，研制的機器人采用激光定位導航，實現(xiàn)了站內(nèi)的無軌導航定位［14］。

自主導航定位精度試驗結(jié)果見表3。76.9%機型滿足“重復導航定位誤差不大于±10 mm”要求；除一個機型因在1 m/s速度下啟動不穩(wěn)定未完成測試外，其余機型均滿足“在1 m/s的運動速度下，最小制動距離不大于0.5 m”要求。

越障高度、涉水深度和爬坡坡度試驗結(jié)果見表4。已測試機型中，除了一個機型不具備越障能力外，其余機型的越障高度均滿足“最小越障高度為5 cm”技術要求，其中，越障高度最高的可達到10 cm；

已測試機型中，除了一個機型不具備爬坡功能外，其余機型的涉水深度均滿足“最小涉水深度為100 mm”技術要求，其中，涉水深度最高的為18 cm。

表3 自主導航定位精度試驗結(jié)果Tab.3 Test results of autonomous navigation and positioning accuracy

表4 越障、涉水和爬坡試驗結(jié)果Tab.4 Test results of obstacle clearing，fording and climbing slope

3.3 抗電磁干擾性能

變電站巡檢機器人巡檢時受變電站運行電壓、附近通訊基站、及周邊的電磁騷擾等電磁干擾的影響，試驗項目包括射頻電磁場輻射抗擾度、靜電放電抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗三項。

關于輻射抗擾度試驗，已測樣品中，射頻電磁場輻射抗擾度試驗的試驗結(jié)果均為A級。但是各機型實際開展的試驗等級不統(tǒng)一。其中，38.5%機型開展的試驗等級為2級，低于實際應用中巡檢機器人應能承受的嚴酷等級為3級的試驗要求。

關于靜電放電抗擾度試驗，已測樣品中，3個機型的試驗結(jié)果為B級，其余均為A級。但各機型開展的試驗等級不統(tǒng)一。

關于工頻磁場抗擾度試驗的試驗，已測樣品的試驗結(jié)果均為A級別，但69.2%機型開展的試驗等級過低，低于實際應用中機器人應能承受GB/T 17626.8規(guī)定的嚴酷等級為5級的試驗要求。

由于目前GB/T 17626電磁抗擾度系列試驗標準是電工電子產(chǎn)品的通用標準，變電站巡檢機器人開展電磁抗擾度試驗可參照執(zhí)行，但具體應開展的試驗等級尚未明確規(guī)定，建議進一步完善變電站巡檢機器人的試驗標準體系建設，明確具體的試驗等級要求。

3.4 環(huán)境適應性

一般要求變電站巡檢機器人的工作環(huán)境溫度為-25℃～+50℃（東北地區(qū)-30℃～+50℃），但實際應用表明，冬季雨雪結(jié)冰戶外環(huán)境對機器人性能有明顯影響，甚至導致機器人不能正常工作。因此，在變電站機器人投入應用前，需對機器人的環(huán)境適應性能進行測試。

目前，各機型的環(huán)境適應性能試驗依據(jù)的試驗標準不統(tǒng)一，如：有的機型依據(jù)GB 2423系列電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗標準，該系列標準主要是針對電工電子產(chǎn)品的環(huán)境適應性能方面的專用標準，且試驗項目和試驗方法具有一定的普適性；有的機型依據(jù)GJB 150系列軍工產(chǎn)品標準，其適用范圍較窄、普適性較差；有的機型依據(jù)GB/T 7261電力系統(tǒng)二次電路所用保護裝置、安全自動裝置及其接口設備等產(chǎn)品的試驗標準，該標準關于環(huán)境適應性能方面的試驗項目和試驗方法要求較低。因此，建議統(tǒng)一試驗標準，各機型依據(jù)GB 2423系列電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗標準開展環(huán)境適應性試驗。

3.5 IP防護等級

已測機型中，57.1%機型滿足IP34防護等級要求，其余機型滿足IP54防護等級要求。建議統(tǒng)一各機型的IP防護等級要求為IP54。

4 結(jié)束語

對目前國內(nèi)變電站巡檢機器人巡檢系統(tǒng)主要性能指標進行了分析，從變電站巡檢巡檢作業(yè)特點出發(fā)，提出了今后設備性能改進方向。

（1）受成本以及生產(chǎn)自動化水平等方面的限制，不同型號的機器人性能指標差異較大，但變電站巡檢機器人不存在難以克服的技術難點，技術指標基本滿足變電站智能巡檢的應用需要；

（2）圖像智能識別技術是人工智能的關鍵點和難點，目前變電站巡檢機器人巡檢識別率較低（已測機型中，識別準確率大于60%的機型占比為53.8%），建議加強巡檢圖像智能處理和識別技術研究，提高巡檢識別準確度（包括準確性和和穩(wěn)定性），以促進變電站巡檢機器人的實用化程度；

（3）變電站巡檢機器人巡檢時，對巡檢控制精度要求，還需加強機器人導航定位和最小制動距離控制精度。如，在導航定位方面，可考慮改進導航定位方式、采用高精度定位模塊、增加導航定位數(shù)據(jù)更新頻率等以提高定位精度；

（4）變電站巡檢機器人巡檢易受強電磁干擾及外界環(huán)境溫度、濕度、雨雪等環(huán)境因素的影響。目前，由于現(xiàn)有招標技術規(guī)范中沒有明確規(guī)定應遵循的技術標準，部分廠家在委托第三方檢測機構開展試驗時，遵循的試驗標準過低或開展試驗等級過低。建議加快試驗標準制定，進一步完善相關試驗能力建設，使技術指標與試驗方法標準化；

（5）深入了解電網(wǎng)實際應用需求，開發(fā)無導軌導航、小型化、工具化和集中使用變電站智能機器人，建立變電站能巡檢機器人巡檢信息集中管理平臺，是變電站巡檢機器人今后的發(fā)展方向。