变电站巡检机器人关键技术及其适用性研究

杨 俊，黄礼华，张立平

0 引言

变电站是电力系统中电能传输与转换的枢纽，其变电设备的安全可靠是整个电力系统安全稳定运行的基础，长期以来国内外电网公司均投入大量的人力、物力资源开展站内设备的运维巡检作业。

早期的站内设备运维巡检作业主要采用人工定期巡检方式，随着电网规模的不断扩大及用户对电网运行稳定性要求的不断提高，现有人工定检方式由于劳动强度大，巡检质量分散，巡检效率低及容易受恶劣天气条件干扰等[1]，难以满足当前电网安全稳定运行的需求。

近年来，随着移动机器人导航控制及模式识别等技术的不断发展和完善，利用机器人替代人工开展变电站设备智能化运维巡检作业已成为当前的热门研究问题之一，国内外各电力企业针对相关关键技术开展了大量的试点应用研究，寻求通过智能化作业手段，进一步提升企业生产效率、降低劳动成本，提高供电可靠性。

由于当前各类机器人巡检技术种类较多，且不同的技术适用场景也有所差异。将机器人巡检技术应用于变电站时有必要对相关技术的适用性进行评估，使得相关技术应用能更好地匹配站内巡检业务的应用需求。本文通过对当前主流机器人巡检关键技术进行详细的对比分析，在充分调研变电站运维业务应用需求的基础上，提出相关技术能够承载的业务内容及其实施方案。

1 变电站巡检机器人研究现状

20世纪90年代，日本率先开展了500 kV变电站有轨巡检机器人应用试点，代替人工实现了设备温度红外自动测量，其后包括中国、加拿大、巴西在内的多个国家陆续开展了相关技术研究[2]，极大扩展了巡检机器人功能并提升了其智能化程度。

我国变电站巡检机器人相关技术研究虽然起步较晚但发展较快，相关机器人产品在导航定位、模式识别及智能分析等技术层面已达世界先进甚至领先水平，在部分电网公司得到了较为广泛的应用。

经过多年的技术革新和换代，现有变电站巡检机器人已经发展成为融合移动控制、导航及路径规划、视觉模式识别、多传感器融合、电磁兼容、无线传输控制及自主充电等众多技术于一体的智能型系统，利用移动平台搭载可见光、红外成像等传感检测设备，可实现站内设备外观、表计读数、开关位置、红外测温等自主检测识别及顺空操作设备状态的自动校核等功能[3]。

2 变电站巡检机器人关键技术

根据当前机器人技术发展现状，变电站巡检机器人所涉及的关键技术主要包括移动机构、导航控制、自主充电及无线通信网络等。

2.1 机器人移动机构

移动机构的选择关系到运动控制系统的控制策略，是巡检机器人在变电站路况环境下高速、高精度稳定运行的重要基础[4]。按照机器人越障方式不同，其移动机构主要包括以下几类：轮式、履带式、固定轨道式、仿生腿式及复合式等。

1）轮式机构

轮式机构是日常交通中应用最为广泛的移动机构，其优点在于结构简单、控制方便、机动灵活、传动效率较高，但其地形适应能力相对较差，越障能力及其运行平稳性与驱动轮半径大小相关。

2）履带式机构

履带式机构是工业机械中较为常用的移动机构，具有越障能力强、地面附着能力强、运动平稳等优点，但其结构相对复杂、体积较大、不易转弯、机动性能相对较差。

3）固定轨道式机构

固定轨道式机构是利用滑轨实现移动机器人的沿轨道运行，其优点在于具有精确的定位控制和多维度移动能力，空间移动范围广泛，具有较强的环境适应性，但其运行路径较为单一，灵活性较差。

4）仿生腿式机构

仿生腿式机构是近年来较为热门的研究领域，日本本田、索尼公司及美国波士顿动力公司在仿生腿式机构上有着较为前沿的技术研究，其利用多自由度仿生结构使得机器人的运动灵活性及地形环境适应能力得到极大的提高，能够实现非结构地形中的自主移动。然而，受现阶段技术水平限制，当前仿生腿式机构若要实现快速稳定移动，仍然面临很多技术难题[5]，尚无法实现商业化应用推广。

5）复合式机构

复合式机构通过对轮-履-腿等单一机构的融合，能够充分发挥各单一移动机构的优点，实现更强的地形环境适应性和运行控制灵活性，但其移动控制较为复杂，且实际使用中需要针对不同的应用场合设计不同的复合模式，其技术通用性相对较差。

2.2 机器人导航控制技术

目前应用于移动机器人的导航控制技术有多种，主要包括：视觉导航、激光反射导航、惯性导航、GPS导航、磁轨道导航及SLAM（Simultaneous Local⁃ization and Mapping）导航等。

1）视觉导航

视觉导航是通过移动摄像机实现视觉图像的实时监视和识别，在关联机器人实际位置的基础上完成自主导航定位。该方法的优点是获取信息量大[6]，实现成本低，但由于图像处理计算量大，实时性较差，且容易受到环境光照、烟雾等因素影响，因此常用于与其它导航技术的融合。

2）激光反射光导航

激光反射光导航是利用激光扫描周边环境，并通过计算反射光的接收时间来推算物体与机器人之间的距离实现导航定位，其优点是平行性好、距离分辨率高，但容易受周围环境的干扰，测距范围有限，完全依靠激光实现导航定位比较困难[6]。

3）惯性导航

惯性导航利用惯性元件（如加速度计、陀螺仪等）来测量运动物体的加速度和运动方向，经过积分运算得到速度和位置，其特点是工作过程中不依赖外部信息，但存在误差累积，需要定期对其累积误差进行校正。

4）GPS导航

GPS导航是最为常用的导航控制技术，在机器人导航中，一般采用差分GPS导航，但其定位精度受卫星信号影响较大，定位精度相对较低。

5）磁轨道导航

磁轨道导航是早期变电站巡检机器人应用较多的一种导航方式，通过地面预埋磁条及RFID标签可实现移动机器人的精确导航定位[7]，其优点是技术成熟可靠，定位精度较高，但灵活性较差，移动路径单一，且后期扩展和维护工作量较大。

6）SLAM导航

SLAM即时定位与地图构建技术早期主要应用于军事领域，近年来逐步在机器人领域得到应用。基于激光雷达的Lidar SLAM技术具有导航精度高，环境适应能力强等特点，使其在无人驾驶汽车及智能机器人导航定位中得到了广泛的应用。但是由于Lidar雷达的造价较高，且在使用前需制定精确的电子地图，一定程度上限制了其应用范围。

2.3 机器人自主充电技术

变电站巡检机器人大都采用磷酸铁锂电池供电，为满足巡检机器人长时间、不间断工作的供电需求，需要为巡检机器人设置一套高效、可靠的自主充电解决方案。目前自主充电技术主要有接触式自主充电、光能自主充电及非接触式自主充电等。

1）接触式自主充电

接触式自主充电利用导航定位技术实现机器人本体及固定接口之间的自动定位和连接，在采用激光定位的情况下，其充电接头之间的定位精度较高，且具备较高的误差容忍度。

2）光能自主充电

光能自主充电利用太阳能光电转换实现机器人的自主补能，由于其实现成本低，技术成熟，在能源行业得到了较为广泛的应用，但当前太阳能光电转换效率较低，采光板整体面积较大，难以应用于移动机器人自主充电。

3）非接触式自主充电

非接触式自主充电是通过无线感应方式实现能量的传输，从实现原理来看，当前主要有电磁感应、磁共振、微波无线充电等三种方式。非接触式充电能有效避免自主式充电的接口磨损及污秽问题，且实现简单，但当前各类非接触式自主充电功率较小，因此一般应用于手机、电动牙刷等小型家领域。

2.4 机器人无线通信网络

由于变电站巡检机器人在进行站内作业时需要时刻与后台系统进行信息交互，为保障巡检机器人的正常运行，必须提供高速、稳定、可靠的无线通信传输通道。根据当前无线通信传输技术的发展水平，可提供高带宽的无线通信技术主要有Wi-Fi、UWB及Li-Fi等。

1）Wi-Fi

Wi-Fi采用802.11协议，属于短距离无线载波通信技术，其优点是覆盖范围广、传输速率快，可在百米范围内提供11～600 Mbps的数据传输速率[8]，且支持无线桥接和Mesh组网传输，但其运行功耗较高。

2）UWB（Ultra Wide Band）

UWB采用无载波通信技术，其发射功率较低，具有高量级频带宽和极高的通信安全性，可实现10 m范围480 Mbps的数据传输率[8]，但其终端支持较少，传输距离较短，主要应用于移动机器人室内定位。

3）Li-Fi（Light Fidelity）

Li-Fi是一种采用光谱而非无线电波作为载体的数据传输方式，具有绿色环保、不占用无线电频带资源且保密性高等优点，可在短距离内实现1 000 Mbps以上的传输速率[9]，但该技术当前仍然处于研究阶段，尚未出现正式应用和推广。

3 站内运维巡检业务应用需求

站内一二次设备运维检修业务主要包括巡检、倒闸操作、事故处理等，其中巡检作业包括设备日常巡检、设备例行试验及设备诊断性试验3类。对于倒闸操作可通过自动化技术改造采用电动操作机构解决。对于事故处理、设备例行试验及设备诊断性试验，由于其涉及因素众多且操作复杂，需要大量凭借专业人员相关经验，现阶段智能化作业手段尚不能满足操作需求。

对于设备日常巡检，根据《输变电设备状态检修试验规程》要求，需通过看、听、嗅等方式检查各设备外观、开关位置、表计读数、节点温度、声响及振动、运行环境等，其巡视周期短，其巡检项目及要求如表1所示。

表1 变电站主要设备巡检项目表Tab.1 Table of the main inspection equipment in substation

从表1可知:站内日常巡检整体技术要求不高，但由于设备分布较广，且数量众多，适宜采用智能机器人技术代替人工完成此部分巡检作业。

4 相关技术适用性评估

1）机器人移动机构适用性评估

仿生腿式结构的相关驱动控制及工艺制造技术现阶段尚不成熟，短期内无法实现商业化和大规模推广应用。

履带式及复合式结构虽然具有较强的越障和环境适应能力，但存在传动效率较低，控制相对复杂，若要实现连续越障还需对其履带结构或复合模式进度调整。对于变电站内应用而言，其室外巡检通道大部分地势平坦，而室外至室内的巡检通道摆渡目前依靠履带式或复合式结构实现较为困难。

固定轨道式结构因其空间移动范围广泛，能够实现站内设备的三维立体巡检，但由于其需要预先架设空间轨道，且后期扩展、调整施工繁琐，因此适合在室内依墙体或天花板布置，可适应站内二次设备及屏柜、换流站内阀塔等设备的巡检作业需求。

对于轮式结构，虽然其环境适应性相对较差，但其技术相对成熟，运行灵活，控制简单，整体实现成本低，通过对巡检通道进行简单的改造即可实现全区域行走，适合对站内室外设备的巡检作业。

2）机器人导航控制技术适用性评估

对于变电站巡检机器人，由于其需要定点巡检各设备开关表计读数，导航定位精度要求较高，因此较为可行的导航技术有激光反射导航、磁导航及SLAM导航等。激光反射导航虽然测距精度较高，但存在检测盲区；磁导航虽然实现成本较低，定位较为精准，但运行方式不灵活；而基于Lidar SLAM的导航控制技术由于其定位精度极高、技术成熟可靠，当前高精度激光雷达已能达到厘米级定位精度，能够适应变电站巡检应用需求。

3）机器人自主充电技术适用性评估

对于变电站巡检机器人，由于其体积受限，充电功率要求较大，因此光能及非接触自主充电技术均无法满足站内巡检机器人的应用需求。而当前基于激光导航的接触式自主充电技术发展应用较为成熟，充电功率大，且采用钛合金材料的接头基本避免了因接头污秽导致的充电失败问题，能够满足变电站巡检机器人对充电环境、性能的技术要求。

4）机器人无线通信网络技术适用性评估

由于高清图像数据传输对无线网络的带宽要求较高，当前 Wi-Fi、UWB、Li-Fi均能提供 10 Mbps以上的传输带宽。但是由于UWB传输距离较近，若要实现变电站全区域覆盖需要布置较多的中继节点，而Li-Fi技术则由于技术发展尚不成熟，其传输距离和实现方案仍有待完善。Wi-Fi技术由于其发展较为成熟，终端支持丰富，传输速率较高、信号覆盖面广，且对于变电站内而言设备的电源供应充裕，能很好地弥补Wi-Fi技术高功耗的缺点，较为适合作为站内巡检机器人的无线通信传输的需求。

5 机器人巡检技术应用方案

根据上述巡检机器人关键技术及其适用性评估，结合变电站日常巡检应用需求，现阶段可采用轮式、固定轨道移动机构、Lidar SLAM导航、接触式自主充电及Wi-Fi无线通信传输等技术实现变电站巡检机器人的应用，其系统架构如图1所示。

图1 变电站巡检机器人系统架构图Fig.1 Substation inspection robot system architecture diagram

1）对于变电站内各室外一次设备，可以发挥轮式机构的灵活性优势，设置各一次设备专用机器人巡检通道，并通过机器人搭载红外、可见光、感烟器、拾音器等传感器设备实现设备运行温度、外观、表计读数、噪声分析等智能化巡检作业。

2）对于换流站内各一次设备，其交流场部分可沿用变电站内配置方案，其直流换流阀厅，由于设备布置及日常巡检位置较高，适宜采用固定轨道机器人开展智能巡检，通过阀厅墙壁，能方便地实现固定轨道敷设，且不影响现有其它业务的正常开展。对于阀厅内固定轨道巡检机器人无法到达的巡视盲区可采用固定摄像头及固定红外传感器等进行补充覆盖。

3）对于变电站/换流站内各室内二次设备，可采用天花板吊顶固定滑道，并配置可伸缩式红外及可见光传感器，实现各设备屏柜的定点测温，液晶屏参数、装置压板投退状态及表计识别等功能。

为保障上述巡检机器人应用方案的正常开展，各站需要结合自身实际情况对相关外部环境进行适应性改造。对于室外一次设备巡检，需要建立滚轮移动机器人行走通道，消除通道上的高差及各类障碍，并通过增加反光镜或固定检测装置等手段消除机器人巡视盲区；对于各类端子箱或二次设备屏柜，若需实现屏内接线端子的红外测温，则需要改造现有开关门方式，将其改为自动电控模式。

6 结语

目前，变电站巡检机器人已经在国内各电网公司中得到了一定的应用，从整体情况来看，利用智能机器人能够有效代替人工完成站内一二次设备的日常巡检，且其巡检效率高，具有较好的经济效益。但是从整体来看，当前巡检机器人智能化程度仍显不足，模式识别算法及综合诊断分析能力仍有待提高。另一方面，早期的变电站设备均按传统模式布置，未考虑机器人巡检的应用需求，因此后期在设备选型及布置上也需要进行重点研究。

[参考文献]（References）

[1]王凯.变电站巡检机器人关键技术及系统的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2015.WANG Kai.Research and implementation on the key technologies and system of substation inspection robot[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China,2015.

[2]杨旭东，黄玉柱，李继刚，等.变电站巡检机器人研究现状综述[J].山东电力技术,2015,42(1):30-34.YANGXudong,HUANGYuzhu,LIJigang,etal.Re⁃search status review of robots applied in substations for equipment inspection[J].Shandong Electric Power,2015,42(1):30-34.

[3]周立辉，张永生，孙勇，等.智能变电站巡检机器人研制及应用[J].电力系统自动化,2011,35(19):85-88.ZHOU Lihui,ZHANG Yongsheng,SUN Yong,et al.Development and application of equipment inspection robot for smart substations[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(19):85-88.

[4]朱兴柯，叶飞，李斌，等.变电站巡检机器人运动控制系统研究[J].机电信息,2014(30):122-124.ZHU Xingke,YE Fei,LI Bin,et al.Research on motion control system of substation inspection robot[J].Mechanical and Electrical Information,2014(30):122-124.

[5]郭云东.轮履复合式巡检机器人机械系统研究[D].济南：山东科技大学，2015.GUO Yundong.Mechanical system research of patrol robot with wheel-track[D].Jinan:Shandong Univer⁃sity of Science and Technology,2015.

[6]赵坤.变电站智能巡检机器人视觉导航方法研究[D].北京：华北电力大学,2014.ZHAO Kun.Research on visual navigation of intel⁃ligent patrol robot in the substation[D].Beijing:North China Electric Power University,2014.

[7]蔚然，戚琳，戚矛，等.智能机器人巡检系统在500 kV文都变的应用[J].电工技术，2014(6):9-10.WEI Ran,QI Lin,QI Mao,et al.Application of in⁃telligent robot inspection system in 500 kV Wendu substation[J].Electric Engineering,2014(6):9-10.

[8]苗志勇.短距离无线通信技术和其在物联网中的应用[J].信息技术与信息化，2015(1):38-39.MIAO Zhiyong.Short distance wireless communica⁃tion technology and its application in internet of things[J].Information Technology &Informatization,2015(1):38-39.

[9]张振中.Li-Fi可见光无线通信技术分析[J].湖南邮电职业技术学院学报,2015(3):19-21.ZHANG Zhenzhong.Discussion on light fidelity tech⁃nology[J].Journal of Changsha Telecommunications and Technology Vocational College,2015(3):19-21.