变电站智能巡检机器人应用分析

刘兵 赵威 夏晨灏 李佳鹏 杨洪 等

我国电网规模巨大，变电站数量众多，且增速明显。现阶段，我国变电站的巡检方式仍以人工为主，巡检效率较低。变电站一般为相对封闭的系统空间，设备数量多、占地面积大，增加了巡检人员实时监控的难度。在有限的巡视时间内，巡检人员并不能实现全面巡检，设备故障和运行隐患逐渐积累，不能及时发现并消缺将带来巨大的安全隐患。随着智慧巡检方案的推出和智能电网建设的推进，智能巡检设备替代人工巡检逐步提上日程。应用智能机器人替代人工完成巡检任务，已成为业内提升巡检质量和效率的普遍共识。

机器人在室外变电站巡检中的应用前景

2022年开始，北京市地方标准DB11/T527-2021《配电室安全管理规范》正式实施。指导变电站运维工作改革转型，明确电力系统巡检技术要求。倡导将大数据分析、物联网技术、移动通信和云计算服务等信息技术应用于智能电网运维中心建设；以实时监测获取数据并作为基础逐步搭建并完善大数据库，建立联合智能运营维护中心；结合智能安全巡检策略，对各部署智能巡检机器人变电站开展智能化巡检、运维工作，形成真正“无人值班，少人值守”的智慧化、自动化运维模式。

发输电和变配电系统的智能化巡检，应用智能移动通信或局部互联网通讯方法和实时传感技术，将变电站的电气设备状态、内外部环境信息、实时安防系统信息、视频监控信息、机器人设备信息等数据通过自主搭建的本地网络传输设备传输至服务器侧监控指挥调度中心，对变电站实施远程自动监控，实现变电站和设备区的无人值守。

智能巡检机器人的应用，可真正实现全生命周期内的7×24小时机器人自动化值守，大大提高巡检次数和巡视质量，使变电站巡检由出现故障后的被动巡检逐渐向日常例行巡检、特殊巡检、专项巡检等方向转变，保障配电设备的安全运行。变电站正常运行情况下无需巡检人员干预介入，降低巡检工作人员的交通安全和运维安全风险。

电力巡检机器人面临的技术问题和应对

从实际来看，现有巡检机器人系统仍难以独立完成巡检工作，这主要是巡检机器人自主导航能力不足所致。现有巡检机器人导航方式存在以下问题：（1）缺乏高精度的局部定位功能，影响检查的灵活性和效率；（2）对复杂场地环境的适应性差；（3）独立处理突发事件的能力不足。

随着科技的进步，网络通信、信息处理、人工智能、大数据、导航技术等的快速发展，为开发自主导航能力更强的电力巡检机器人提供了众多可能，聚合了机器视觉、多传感器融合、AI 技术的自主导航技术，为巡检机器人的实用化和推广提供了有力保障。

系统构成和应用分析

1.巡检机器人硬件架构

图1：机器人整体图

图2：机器人核心控制器

图3：机器人硬件系统图

变电站智能巡检机器人整体设计如图1 所示，其中智能巡检机器人核心控制器（如图2）采用Intel的第十一代酷睿平台，依托硬件高性能CPU和GPU与人工智能和深度学习功能相结合，能够在单个平台上运行多个工作负载。

机器人车载子系统主要包括：充电口、云台、车体、可见光相机、红外摄像头、激光雷达、电机等，为保障导航的响应速度，激光雷达和IMU 直接连接到控制器上，红外和可见光相机通过交换机连接控制器，电机的控制通过VCU 向电机发送控制指令，悬崖传感器考虑响应级别直连VCU，BMS 电源管理模块通过CAN总线向VCU上传电池状态，为保障数据传输的安全性，安全网关连接到无线网桥。组成机器人各硬件设备接口连接关系如图3所示。

2.基于ROS 2的机器人软件框架

ROS（机器人操作系统）是开源的，适用于机器人的一种次级操作系统。提供了包含计算机硬件抽象表述、底层驱动程序管理、共用基本功能的执行、程序间的消息传递、程序发行包管理等类似操作系统的功能，还提供一些方法和库用在获得、建立、编写以及运行多机整合的程序。

ROS 2在ROS的基础之上提供了更优化的架构以及新的基本功能以适应机器人应用的新需求：多机器人控制，可以同时驾驭多个机器人；多平台应用支持，不仅要能在性能强劲的计算机上运行，还要能在资源有限的嵌入式平台上跑；实时应用支持；增强网络通信能力；更强的可靠性和量产化产品应用；灵活构建。

3.基于机器人技术的远程巡检架构

基于机器人的远程巡检系统以智能巡检机器人为核心，主要由巡视主机、智能巡检机器人、摄像机等组成。巡视主机提供针对集中监控的业务支持，上级系统可远程下发控制、巡视任务等指令，由智能巡检机器人接收到指令后开展巡视任务，在特殊情况下智能巡检机器人可以和部署在变电站的安防摄像机开展联合巡视作业。巡视主机会对机器人上传的采集数据智能分析，自动生成巡视结果与报告。

智能巡检机器人巡检软件系统包含了底层电机的控制、3D 地图的创建、定位、路径规划、运动规划和仪表识别模块。它主要是依据事先构建的巡检地图和标记的巡检点位，将机器人快速准确地导航至目标位置，之后依据表计对准工具快速准确地捕捉到表计数据，并对数据进行识别，将识别结果上传到数据服务器进行结果分析，使得检修人员依据结果快速做出响应，从而高效完成变电站巡和检的日常任务。

4.基于Intel架构的多路摄像头与雷达数据的同步与融合

多传感器的数据融合不仅包括多传感器的空间融合，同时也要求时间上的同步，从而满足巡检机器人定位和导航中对可靠性和实时性的要求。

电力巡检机器人采用英特尔设计研发的基于FPGA 专门硬件模块在时间维度上实现更实时的多传感器数据的同步和融合。该方案采用Cyclone V FPGA 芯 片，提 供 多 路MIPI/LVDS，Ethernet，CAN bus，GPIO，PWM，UART 的支持，能同时接入多路高速/低速机器人传感器（单线/多线激光雷达，视觉摄像头，IMU，里程计，红外传感器等）。FPGA 芯片负责实时采集多路传感器上报的传感器数据，并对数据帧进行打时间戳（time stamping）和同步处理。处理好的数据通过PCIe Gen2（支持PCIe Gen2x4 和Gen2x1）高速接口上传至host CPU 进行算法处理。通过对操作系统底层驱动（PCIe驱动，V4L2驱动等）的修改及上层软件的优化，该方案能支持ROS2软件框架，为开发更加复杂的变电站智能巡检机器人应用带来更多的便利。

5.应用分析

作为人工巡检的替代，机器人应当具备基础的人工巡检功能，即具备视、听、闻、抄的功能，即具有视频、温湿度、噪声、烟雾、水浸、气体、防盗、红外、声光等信息的采集功能。考虑到机器人的成本，这些传感器可以安装在配电室内，机器人在巡检过程中，与传感器进行通信，读取传感器信息与状态。而机器人本身应具备升降、视频、可见光、红外装置，通过升降装置和红外热成像仪实现对人工观察盲区进行全覆盖巡视和高位仪表盘数据读取。同时由于工作人员可在远端操控，对必要区域，还可以进行人工远控补盲处理。

对一些要求较高的配电站室，可以在机器人上搭载局放、温升、电弧识别等装置，提升巡检质量。尤其是低压配电线路的电弧短路引发的火灾，占据了电气火灾的一半左右，对有条件的单位，可在重点电路或有故障风险的电路中加装电弧故障检测器，同时在机器人身上搭载电弧识别通信与管理装置，通过对本地电流、频域信号进行检测分析，并结合小波变更检测等方式进行综合边缘计算，及时发现和上报电弧故障，甚至下发脱扣命令，执行现场切断操作，以保障电气线路安全。

对于新一代高压变电站，国网吉林白城供电公司正在研究数字绝缘材料在变电站高压绝缘局放监测中的应用，例如数字式高压变压器套管、数字高压电缆头和数字避雷器等，不仅提高可靠性，也可以量化电力主设备的局放水平，准确地支撑状态检修管理，更为高压变电站机器人巡检提供了就近获取高压主设备局放水平的可能，为巡检机器人扩展局放专项检测功能提供了新思路。

此外，巡检机器人还应具备越限预警、路线设置、巡检计划管理、巡检内容设定、缺陷上报、手动控制响应、自动充电等功能。其中越限预警设置机器人获取设备及传感器信息的测点数据时，根据设置的阈值判断是否需要发送告警。路线采用Geojson地理数据格式编辑巡检地图，规划出若干条巡检路线、充电路线，实现机器人的无轨移动。巡检计划是根据业务需求，设定巡检时间与巡检路线，让机器人可以根据巡检计划自动进行巡检，并设定机器人需要的检测点。缺陷上报是当机器人发现缺陷时，实时上报到管理系统，管理系统根据缺陷内容，发出告警或故障提示。手动控制即监控指挥人员可在后台界面中终止机器人的操作，对机器人进行手动控制。自动充电即当机器人监测到自身电量低于设定阈值时，按照规划路线自动巡航至充电区域，完成充电。■