探秘广西电网新科技

陈钦荣 吴思思 梁 磊 朱桂华

近日，在2023 年广西科学技术奖励大会上，南方电网广西电网公司荣获2022 年度广西科学技术奖一等奖1 项、二等奖4 项，获奖数量和质量居获奖企业首位。这也是该公司连续两年获得广西科学技术奖一等奖，充分展现了中央驻桂企业在科技创新、能源保障等方面的责任担当。

这背后，是近年来广西电网公司积极推动科技创新工作向纵深发展，不断完善科技创新体制机制，深化创新项目“揭榜挂帅制”，优化创新评价考核体系，加强知识产权和成果转化，推动科技创新工作不断取得新突破。6 月2 日，笔者实地探访部分重点科研项目，探秘广西电网新科技。

无人机无线充电自主巡检

在广西南宁市忠良村的上空，一架执行了数千米配电线路巡视任务的无人机自主停靠在杆塔上的“无人机停机坪”，自动进入无线充电模式。约30分钟后，“满电复活”的无人机再次腾空而起，继续按设定航线执行巡检任务。

这是广西电网公司最新研发的科技创新成果“无线充电无人机及机巢”。好比手机无线充电一样，这项技术实现了无人机的无线充电。当电量不足时，按照设定航线执行巡检拍照任务的无人机会自动前往安装在电杆上的机巢，只要落到预设的场域里，不需要插拔“插头”，就会进入无线充电模式。完成充电后，无人机会继续执行巡检任务，直至所有任务完成，全程自动化不用人为干预。

近年来，为全面推动数字电网及新型电力系统建设，广西电网公司提出了无人机在输变配领域的发展思路，建成“机巡为主、人巡为辅”的智能巡线模式。“机巡”替代“人巡”工作取得了长足发展，供电局已大量采用无人机开展日常线路巡检工作。

然而，利用无人机开展巡线工作，最大的困扰是无人机的续航问题。通常情况下，一块容量7000 毫安时的电池，能让无人机快速巡航约5 至8 千米。可电力线路往往有二三十千米，有的甚至长达上百千米，巡线人员就要在线路延伸处等候，不断更换电池，绵延山里的线路，还得翻山越岭赶过去。另一方面，目前电力巡检主要采用飞手操作无人机巡检的工作方式，也无法满足智能巡检发展需求。

南方电网广西电力科学研究院陈绍南博士介绍，解决无人机自主巡航痛点，主流方案有两种，一种采用机械臂帮助无人机更换电池，成本较高，单建1 个带机械臂的机巢就得花费六七十万元。另一种是接触式充电，对无人机精准定位插拔充电“插头”要求高，并且由于触头是金属的，长期在户外环境容易被氧化锈蚀和磨损，导致充不上电，尤其像南方“回南天”这样的潮湿天气，触头锈蚀风险更是成倍增大。

“我们有成熟的无线充电技术，为什么不运用到无人机巡线工作中，让无人机无线充电、自主续航呢？不仅提高效率，也可以降低巡线工人的劳动强度。”陈绍南和同事们决心探索将无线充电技术应用于无人机全自主补电上，推动电力系统巡检技术向智能化发展。他们于2020 年申报“无线充电无人机及机巢”项目，开启了研发之路。

可研发道路却一波三折。与无线充电汽车安装大型充电装置不同，加装在无人机上的无线充电装置，其重量大小直接影响飞机的巡航速度、续航时间、安全性和抗风等级等，如何既保证无线充电效果，又让无人机轻装上阵？“刚开始做的无线充电线圈是圆盘式，安装在无人机脚架底部，发现容易遮挡无人机摄像头旋转记录的‘视线’。改成螺旋管式线圈，解决了‘遮眼’问题，但重量并没有降下来，还是不行，又继续攻关。”项目组对无线充电模式、装置构造、模块优化等开展深入钻研，反复试验、验证，不断推倒重来。

对于给无人机提供无线充电的机巢，也在反复试验中不断优化。参与研发的广西电力科学研究院专家莫宇鸿说：“刚开始做出来的机巢体积大，重量达上百公斤，长宽高都接近1 米。通过反复试验，不断优化机巢机械结构及空间布局，大幅缩减了体积，降低了成本。”

功夫不负有心人。2022 年底，项目组成功建成配电线路无线充电无人机自主巡检示范工程，实现了无人机无线充电的稳定性与轻量化的统一，充电装置重量降到180 克以内，无人机充电最优效率达到91%，大幅提高巡检效率和巡检安全性。

陈绍南在介绍“无线充电无人机和机巢”项目（图片由广西电网公司提供）

据介绍，该项研究成果有效解决了接触式充电触头氧化、接触不良造成的充电慢、无法充电的难题；首次探索适用于电力巡检的飞控逻辑、无线通信优化方案等，实现了全线路自主巡检。该研究成果获得PCT 国际专利授权1 项，发明专利授权6 项，并在2023 年5 月举办的能源产业“绿能星”高质量系列奖项公益评选上荣获一等奖。

与传统接触式充电相比，无线充电具备无接触磨损、环境适应性强、使用寿命长、免维护等优势，避免了因接触不良、接口氧化等原因造成的无人机无法充电问题。

“无线充电机巢解决了接触式充电经常出现的触点老化、防潮防尘性能差、对位不精准、充不上电等系列问题，彻底实现了无人机巡检过程快速补电。”南方电网广西河池东兰供电局城郊供电所配电线路维护班杨有权介绍。

“自主巡检无人机只要下达命令就可以完成作业任务，中间不需要干预，也不用考虑电池电量不足等问题，极大解放了我们一线运维人员。”南方电网广西崇左供电局变电管理所上龙巡维班甘杰创说。

目前，这项科技成果已在南宁供电局10 千伏才忠线、河池东兰供电局武篆供电所10 千伏纳烈线、梧州藤县10 千伏平政线开展示范应用，实现了后台实时监测无人机巡检作业、无人机多机巢全自主巡检图片采集功能。下一步，还将计划在桂林漓江核心景区、崇左输配电一体化巡检示范区进行安装示范运行。

大功率电动大巴实现边走边充

一辆经过专门设计的电动公交车在无线充电试验车道行驶。与常规的公交客车不同，这辆车不用加油，也不用停下来充电，可以边走边充。这是广西电力科学研究院的最新研究成果，在国内率先实现了大功率电动汽车边走边充的突破。

“车辆在无线充电车道上行驶1 个小时可充电60 度，3 小时即可充满一辆大型电动公交车。”广西电力科学研究院无线传能技术专家吴晓锐介绍，该项目实现了功率效率的全面提升，额定输出功率达到60 千瓦，充电效率也达到82.7%，这在电动汽车移动式无线充电领域均处于国内领先水平。

据了解，广西电力科学研究院早在2012 年就开始电动汽车移动式无线充电技术研究，在2015 年，率先建成了国内第一条电动汽车无线充电车道，填补了国内移动式无线充电示范工程空白。

近年来，广西电力科学研究院专家团队继续攻坚研发，联合广西交投科技有限公司、重庆大学、宇通客车股份有限公司，在广西南宁市青秀区广西交投科技有限公司科研实验基地内建成了国内首个60 千瓦电动汽车大功率移动式无线充电示范工程，是目前国内工程化最成熟的电动汽车移动式无线充电项目。

该项目成果对推动电动汽车移动式无线充电工程化应用具有显著的示范引领作用，为下一步开展成果转化及产业化推动奠定了基础。该技术将率先在快速公交车、旅游景区观光车、机场摆渡车等固定线路推广应用，并逐步推广到城市道路及高速路应用，将极大地提高电动汽车的充电便捷性和灵活性，为电动汽车的推广和普及提供了更加可靠和便利的技术支持。

吴晓锐介绍大功率无线充电大巴（图片由广西电网公司提供）

“机器代人”高空更换绝缘子

机器人乘坐绝缘斗臂车升至高空，靠近变电站龙门架的绝缘子串后，通过随身携带的工具包，一手固定住要更换的瓷瓶片，一手旋转瓷瓶至合适的角度，左右手协同作业，拆除劣化绝缘子，安装新绝缘子，完成后自动收起工具包。整个过程，左右手协同开工，自如地旋转、卡位、拆除、安装，一气呵成。

这是广西电力科学研究院成功研制的国际首套变电站悬式绝缘子检测与更换机器人工作的场景。

“相比传统人工检测，这位机器人对每片绝缘子片检测时间不超过10 秒钟，并且实现了绝缘子的自主更换作业，一线工人的劳动强度和安全性得到极大提升。”项目牵头人、广西电力科学研究院的南方电网一级专家郭丽娟介绍。

据了解，绝缘子是电网系统中大量使用的基础器件，由于长期暴露在户外，日晒雨淋，自然积污，并且经受着机械、电气的多重考验。一旦有一片绝缘子出现劣化，整串绝缘子的绝缘功能就会受到影响，危及电网安全，所以电网工人必须定期登高给绝缘子串做体检，及时更换受损的绝缘子。由于绝缘子架设在高空中，绝缘子的低、零值检测以及劣化绝缘子的更换一直是电网运维工作的“老大难”，特别对于变电站悬式绝缘子，重达上百斤的绝缘子串，日常维护需要多人高空高强度协同作战。

“整个作业过程都在高空完成，尤其高温暴晒天气，长时间在高空开展这样耗体力、作业要求高、危险性高的工作，是很辛苦的，这也是我们研发这个机器人代替人工作业的驱动力。”郭丽娟表示，作为保障电网安全运行的核心业务，电网设备运维存在危险性高、劳动强度大等问题。针对这些问题，她牵头组建了技术攻关团队，开展“变电站悬式绝缘子检测与更换机器人”项目研发工作。

绝缘子检测与更换机器人系统包括移动升降平台、双臂协同作业系统、专用作业工具包等 谢国汕/摄

“难度最大的是位姿调整机械臂技术。”郭丽娟介绍，位姿调整机械臂作为绝缘子及工具包的承载机构，对其承载能力有极高的要求，专业上用负载自重比这个指标来衡量。为了研发满足复杂环境和多任务需求的轻质大负载机械臂，团队提出了多种机械臂构型及驱动方案，对每种组合都开展了建模分析和仿真论证，基于活动度与负载导向的机构综合方法，最终设计研制出大负载自重比的串并联复合机械臂，其负载自重比达到1.95 ∶1。

1.95 ∶1 是个什么概念？“这相当于一个举重运动员，抓起自身体重近两倍的重物，然后举上来。”郭丽娟说。然而，负重举高只是机器人的基本功，更换单片绝缘子的“手术”，需要机器人在举重的同时开展复杂精细的操作，这对于机器人灵活、精准地调整角度、位置、姿势以及力道大小都有极高要求，“它不仅是优秀的举重运动员，还得是技术精湛的手术医生。”

为了让机器人能灵活进行“手术”，郭丽娟和团队给机器人设计了5 个能独立运动的关节，除了上下、左右、前后自由移动外，针对绝缘子串悬垂弧度以及交叉角度的特殊性，项目组还专门设计让机器人拥有2 个特殊的旋转关节，能自如旋转调整到合适的角度。

“不仅让机器人能自由调整位姿，还得让它练成精准的‘手上功夫’。”参与研发的广西电力科学研究院技术人员谢国汕介绍，绝缘子插拔销的定位和作业有很多细节，容不得一点偏差。“绝缘子片与片之间是有连接的，连接处就是插销点，相当于把各个绝缘子片连接组装在一起的关节点，怎么在复杂的高空室外环境下实现插拔销定位和作业，精准地把销钉给推出来，机械手之间怎么协同作业，这都是极具挑战性的技术难题。”

在没有任何先例可以借鉴的情况下，郭丽娟带领团队集智攻关，最终成功研制出绝缘子检测与更换机器人系统，包括移动升降平台、双臂协同作业系统、专用作业工具包等，于2022 年12月通过广西壮族自治区组织的项目验收。该项目成果依托广西重点研发计划项目和南方电网重点项目，突破了机器人在高空、狭窄空间、强电磁场等复杂环境下运动、感知、作业的关键技术，对机器人技术发展、智能电网技术进步和企业本质安全具有重要的推动作用。

目前，该项目成果已经在南宁石埠变电站220 千伏门型架成功实现了悬式绝缘子串的低、零值检测及单片劣化绝缘子自主更换作业，降低了人工登塔检测和更换悬式绝缘子的劳动强度和危险性，实现了“机器代人”。

机器人带电检测让“最可怕温室气体”无所遁形

在变电站检测现场，携带取气管的机器人，像拿着检测工具的“医生”，灵活地检查设备关键点，精准定位六氟化硫泄漏点，并发出报警，机器表盘上则自动显示出气体泄漏量值。

由广西电力科学研究院成功研制出的国际首套“绝缘气体泄漏检测机器人”，凭借国际领先的泄漏气体高空接触式带电精准原位检测方法，解决了传统接触式气体泄漏检测必须设备停电的难题，提高了气体泄漏带电检出率，降低了检测时间，泄漏缺陷治理后的设备无一再发生漏气现象。

在日常电力工作中，存在SF6 设备漏气缺陷的运维单位因无法停电，带电检测又难以找到漏点的现象，不但危险，而且耗时，并直接影响用户用电体验。针对这一难题，郭丽娟和团队决心用机器人代替人工进行漏点检测，他们申报的“绝缘气体泄漏检测机器人研发”项目因具有实际应用价值获批南方电网重点科技项目。

绝缘气体泄漏检测机器人在国内外属首次研发，无参考先例，理论推导、仿真及试验都需要花费大量时间。团队常常同时进行几个方案的试验，最后选择一个最优方案。比如机器人操作臂的设计就反复改了8次，关键元件先后尝试了6种。

负责研制绝缘云梯的技术人员陈梁远说：“实验室里条件与室外环境不同，曾尝试了3 种技术方案研制原理样机，都因达不到理想效果被否定了，我们反复修改、反复校正，直到满足室外条件。”

经过钻研，郭丽娟团队成功研制了国际首台绝缘气体泄漏带电检测机器人，经电力行业专家验收后，2020 年起在广西电网系统应用。

据介绍，传统方式采用人工结合红外线技术，对绝缘气体泄漏进行停电检修，需要9 个小时，不仅耗时长，检测效果也不理想。运用绝缘气体泄漏检测机器人不仅不需要停电，检测时间比原来缩短了80%以上，带电检测精准度从平均60%大幅提高至95%以上。

目前，绝缘气体泄漏检测机器人在广西电网所属供电局凯歌站、桥圩站、江南站等变电站的长期重复漏气设备上成功检测出六氟化硫气体泄漏点，实现了气体泄漏点的精准定位，减少了“最可怕温室气体”六氟化硫的排放。泄漏缺陷治理后的设备至今未发生漏气现象。

以绝缘子检测与更换机器人、绝缘气体泄漏检测机器人作为“机器人支撑电网设备智慧运维关键技术及应用”成果的主要创新点，项目通过了中国电机工程学会组织的成果鉴定，以中国工程院院士王耀南为主任的鉴定委员会认为，“项目技术难度大，取得了多项创新性技术成果，在机器人支撑电网设备智慧运维关键技术方面达到国际领先水平”。科研成果“机器人支撑电网设备智慧运维关键技术及应用”还荣获2022 年度广西壮族自治区科学技术进步奖二等奖。

“我们的目标就是让机器人代替人工更安全、更高效开展电网设备的智慧运维，降低一线工人的劳动强度和危险性。”郭丽娟表示，将持续深入推进机器人开展电网设备智慧运维，推动机器人技术发展和智能电网技术进步，更好服务经济社会高质量发展。

让电网拥有“敏锐感官”“聪明大脑”

传感器对于电网来说，就像人体中的神经末梢。传统的电力传感器存在体积大、成本高、安装运维复杂、无法物联等痛点问题，制约了电网感知的广度、深度和密度。

广西电力科学研究院专家团队研发的“小微智能传感器”，只有鼠标大小，其突出的特点是不仅体积小、重量轻，还能实现自取能和数据无线传输，而且安装方便，卡上去就能用，既能测量电网中的电流、电压，还能测量温度。安装在设备上的智能传感器，就像给设备扣上了“微型的智能手环”，可24 小时不间断对设备进行“望闻问切”的状态感知和诊断，并实现数据的无线传输。

广西电力科学研究院金庆忍博士介绍：“我们之所以研究‘小微智能传感器’，是为了让电网更透明。就像我们出门使用导航一样，可以随时随地了解路况信息。有了‘小微智能传感器’，就可以非常清晰地了解到线路的电流大小、电压高低、温度情况等，有利于我们的运维人员及时掌握变压器会不会过载、电压是不是正常。在配电网的分支线上也都安装上小微智能传感器后，我们就可以在后台实时查看村里每家每户的用电情况，能够为更好的改善电网供电质量提供技术支撑。”

该项目首创了非侵入式芯片化电压/电流精确测量方法，攻克了传感器宽范围可靠自取能、低时延高可靠无线通信等工程化共性技术，首次研制出非侵入式、高精度、厘米级、无源无线的系列电气量传感器，包括不同电压等级、不同电流大小的小微电压传感器和小微电流传感器，开创了厘米级新型电气量传感器替代米级传统互感器的全新技术路线与产业实践。

鉴定专家组认为，项目整体达到国际领先水平。该项目成果获得了机械工业科技进步一等奖、电力科技创新大奖、南方电网网公司科技进步一等奖。

目前，该项目成果已规模化应用于重大保供电场所、新型电力系统示范区、智能配电台区等众多场景，并在中国—东盟冷链物流产业基地等工程的电气设计、横州市户用屋顶分布式光伏工程建设等电网外场景推广应用，有力保障了电网的安全可靠运行，打造了广西数字电网新型电气量传感器的应用新生态。

南方电网广西南宁供电局城西供电分局配电线路抢修班班员卢建洛说：“以前夏季负荷高峰时期，我们都要到现场来测量变压器的负荷电流和温度，现在安装了‘小微智能传感器’，就可以坐在办公室远程查看这些数据了，极大地提升了我们的运维效率”。

随着越来越多的小微智能传感器安装在电网中，为电网加持了更多的“千里眼”“顺风耳”，海量的智能传感器汇聚形成传感网络，让电网拥有“更敏锐的感官”和“更聪明的大脑”。

广西电网公司还计划将项目成果运用到桂林世界级旅游城市现代化电网、南宁横州市城区新型城镇化配电网、梧州藤县整县屋顶光伏等新型电力系统示范区规模化推广应用上，并在工矿企业、智慧医院、智能交通、新能源、绿色建筑等众多领域广泛应用，为电网安全运行、用户能效管理等业务提供更加全面的数据支撑，不断满足人民美好生活的高质量电力供应需求，推动经济社会高质量发展和人民生活水平的不断提升。

配电网试验“身临其境”开展

走进这个南方区域规模最大的先进配电网实境试验平台，可以看到铁塔、线路、开闭所等全类型的配电网设备。在这里可以真实呈现生产、生活中可能遇到的火灾、触电等各类故障场景，并实现设备自动处置。

近期，广西电网公司建成南方区域规模最大的先进配电网实境试验平台，并完成多个专项试验，真实还原了配电网故障场景，实现配电网新技术、新设备测试从模拟测试向实境测试的跨越，进一步加快构建新型电力系统的步伐。

“比方说，雷击引发线路故障，威胁到电网设备和人身安全，后台可以实时监测，并由智能化开关自动作出故障隔离等动作，不需要人工干预。”广西电力科学研究院智能电网研究所专家俞小勇介绍。

配电网是电网连接用户的“最后一公里”。相对于主电网，配电网网架结构更复杂、运行状况更多变。在有限的场地建设涵盖所有典型网架结构和典型故障情况的配电网真实环境试验平台，是一个较大的考验。

经过技术攻关，配电网实境试验可以灵活、真实、全景复现配电网数百种故障场景和不停电运维场景，让配电网试验可以“身临其境”。平台涵盖配电网10 余种典型接线模式，主控室可对多种供电设备进行远程监视、量测和控制，实现操作过程的可视化和智能化。

该平台不仅可以模拟常规配电网运行状况，还具备光伏、风力及小水电等新能源接入配电网的运行情况模拟能力，无论接入哪种类别、多大规模的新能源，会对配电网运行产生怎样的波动或影响，都可以像实际发生那样一目了然，对新能源充分利用、电网安全稳定运行以及构建新型电力系统等形成重大利好。

该平台是目前南方区域规模最大的先进配电网实境试验平台，是南方电网新技术挂网试运行基地之一，也是广西电力装备科技成果转化中试研究基地的重要组成部分，预期建设成为新型配用电领域具有行业领先优势与核心竞争力的引领型、平台型综合性实验研究基地，打造配用电领域广西电网创新“名片”。

以国际领先技术探索电网调节能力

截至2023 年5 月，广西连续1900 多天实现清洁能源全额消纳，是南方五省（区）唯一连续超过5 年“零弃水、零弃风、零弃光”的省（区）。这背后，依托先进科研技术成果，核电安全平稳参与电网调峰、调频，有效提升广西电网可调节能力，成为广西充分消纳清洁能源的强大推手。

据了解，出于安全、经济等多因素考虑，长期以来，核电以满负荷运行为主。随着核电规模化利用，以及新能源电力装机占比持续走高，电力能源结构发生显著变化，核电仍长期以满负荷运行为主的模式受到挑战。

“一方面，风、光等新能源大规模并网，广西新能源占比已经接近三分之一，出力不稳定的高占比新能源导致电力系统调节困难。另一方面，广西煤电机组供热改造后调节容量大幅下降，水电调节能力受季节性影响，电力系统电力电量平衡的调节资源匮乏。”广西电力科学研究院专家文立斌介绍。

如何在保障核电安全稳定运行的同时，提高其参与电网调节能力，用好每一度清洁能源？广西电力科学研究院技术专家联合武汉大学、防城港核电等开展了提升核电机组涉网安全灵活调控技术攻关。

这项攻关技术的难度空前。核裂变必须安全可控，核功率的改变会对核裂变反应造成影响，稍有偏差，其核裂变性质就会发生恶性变化，并产生各种连锁反应，后果不堪设想。

“技术难点主要体现在核电涉网过程不可测、不可控、不可调。”文立斌介绍，相比火电，核能发电的控制非常复杂。火电是烧煤，火烧旺了，可以通过减少氧气、减少煤量、或喷水等手段来控制，但是核燃料不好控制。一旦核燃料棒开始燃烧，就像太阳发光一样，控制它能量释放过程很复杂，必须摸清楚核燃料的反应规律。

文立斌和团队在攻关过程中，首创了核—热—电精细化建模及测辨技术。通过建模，对核电从核能转换热能、热能转变电能，整个过程对超温、超速、功率和频率突变、核电厂与电网异常故障等环境进行了模拟，实现了核电涉网全景安全感知仿真推演。

针对核电特性，技术专家们发明了核电—电网耦合安全分析与优化控制技术，解决了核—热—电系统失调导致的机组出力受限问题；提出了考虑核电调峰安全、升/降功率路径等约束和风险成本的多电源系统灵活调控技术，实现了核电快速调频和阶段性深度调峰。该项成果获授权发明专利75 件，颁布行业标准3 项，发表SCI/EI 论文62 篇。以中国工程院院士李立涅为专家委员会主任委员的鉴定委员会认为，项目整体达到国际领先水平。

“以一台1000 兆瓦容量核电机组来算，通过这项技术，可安全实现±50 兆瓦快速调频以及阶段性500 兆瓦深度调峰。深度调峰容量就相当于5 个100 兆瓦大型风电场的装机容量。”文立斌介绍，技术研究成果实现了广西核电长期参与电网快速调频功能，确保了核安全，促进风光新能源消纳与“双碳”目标实现。

该项成果知识产权丰硕，中国电工技术学会鉴定项目整体达到国际领先水平。在5 月30 日举行的2023 年广西科学技术奖励大会上，广西电网科研成果“大型核电涉网安全运行与优化控制技术及应用项目”获2022 年度广西壮族自治区科学技术进步奖一等奖。据统计，近3 年来，该技术成果已应用于广西、福建、海南等多省区，累计助力减少碳排放639 万吨。