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摘要：机器人在电力系统的生产过程中的应用越来越广泛。机器人的应用不仅能够节省大量的人力资源和时间成本，同时能够在一定程度上保证人员的安全。本文对电力系统中常见的几种机器人的基本原理和使用环境进行介绍和说明，并且对机器人未来的发展应用提出一定的要求。
关键词：巡线机器人，巡检机器人，带电作业，标准化作业
0.序言
电力系统的生产作业环境相对危险。无论是在变电站、线路还是城市配电设备上的工作，均存在高处作业及触电的危险。为了保证人员在电力设备上的工作的安全性，人们提出了很多保证安全的组织措施和技术措施。随着自动化水平的提高和智能控制技术的发展，采取代替人工的作业方式也越来越引起了决策者们的关注。
特殊环境、特殊天气情况下或者单一作业任务，如果能够采取代替人工的方式进行，那么一定能够减少人员暴露在危险环境的时间，从而降低人员发生各类危险的概率。目前电力系统中主要采取各种仪器和传感器代替人工的检测和监督，同时也不断地研究机器人技术来代替日常情况下的人工作业。
1.输变电专用机器人的基本原理及应用
作业危险大，任务量大，环境恶劣的工作首先便是输电线路的巡视和消缺。目前针对各类缺陷内容消缺作业还没能提出很好的代替人工的解决方案，但是巡线工作已经有很多的替代方法了，其中包括：直升机巡视、无人机巡视和线路机器人巡视。
1.1 巡线机器人
20世纪80年代末开始，日本、美国和加拿大等国相继开发了不同用途的巡线机器人。目前巡线机器人的主要技术关键组成部分，主要包括机械部分、控制部分、能源部分、通信部分、定位部分、诊断部分及辅助部分组成。
机械部分：机械系统负责机器人行走与越障动作，穿越巡检机器人机械系统主要由行走机构、压紧机构、锁臂/松臂机构、滑台机构等构型组成。运动控制部分。运动控制系统负责对机器人行走过程速度和位置进行控制。行走轮电机选用控制性能较好的直流有刷电机，并且在电机端部安装有脉冲编码器，以实时准确地检测速度反馈。电源监控与管理系统：机器人采用单一电源供电，电源监控管理系统的主要功能为负责对机器人工作过程中的电源电压和电流变化进行监控，对剩余电量进行预估计，并对机器人搭载设备进行能量管理。通信部分：通信系统负责机器人本体设备与地面基站、太阳能充电基站的通信和数据传输。多源信息融合的导航定位部分：导航定位系统利用行走轮编码器、压紧轮霍尔计数器、倾角传感器，运行过程中获取信息数据，结合数据库信息及运行前设置的规划，确定机器人实时位置，并且可以实现自主巡检。诊断部分：即多任务载荷系统。多任务载荷系统可满足高压、超特高压电力线路日常安全维护等业务的高效、自动化处理要求，并考虑多源数据互补和融合特性，包括全景可见光、红外热成像、激光扫描等3个子系统。如图1所示。
图1 巡线机器人诊断部分示意图
辅助部分主要包括地面的设备和杆塔上辅助的部分。地面辅助部分为地面的基站，主要用于定位巡线机器人和分析回传信息。杆塔辅助部分为辅助机器人上下杆塔和充电中转所采用。
1.2 设备巡检机器人
除了线路巡线机器人外，变电站内也是大量需要机器人发挥功能的地方。变电站内的日常工作较多，设备巡视，各种器械电气指示的记录，简单的带电测试项目等。
设备巡检机器人系统设计为网络分布式架构，如图2所示。系统分为3层：基站层、通信层和终端层。基站层由监控后台组成，是整个巡检系统的数据接收、处理与展示中心，由数据库、模型配置、设备接口、数据处理、视图展示等模块组成。基站层通过图像处理和模式识别等技术，实现设备缺陷的自动识别和报警。
图2 巡视机器人的原理图
通信层由网络交换机、无线网桥基站及无线网桥移动站等设备组成，采用wifi802.11n无线网络传输协议，为站控层与终端层间的网络通信提供透明的传输通道。
终端层包括移动机器人、充电室和固定视频监测点。移动机器人与监控后台之间为无线通信，固定视频监测点与监控后台之间可采用光纤通信。充电室中安装充电机构，机器人完成一次巡视任务后或电量不足时，自动返回充电室进行充电。
1.2.1 巡检机器人的功能
1）检测功能：通过在线式红外热像仪检测一次设备的热缺陷；通过在线式可见光摄像仪进行一次设备的外观检查，断路器、刀闸的位置；表计读数、油位计位置；通过音频模式识别，分析一次设备的异常声音等。
2）移动功能：按预先规划的路线行驶，能动态调整车体姿态。
3）分析及报警：设备故障或缺陷的智能分析并自动报警；自动生成红外测温、设备巡视等报表，提供设备红外图像库，协助巡检人员判别设备的故障。
4）控制功能： 设备巡检人员可在监控后台进行巡视；可对车体、云台、红外及可见光摄像仪进行手动控制。
5）特殊巡视： 当因天气恶劣或带电设备附近存在安全隐患等机器人可代替运行人员到达指定设备的观测位置。
6）固定视频点接入：设备巡检机器人系统还可接入变电站的固定视频监测点，覆盖机器人无法到达的观测死角，实现全站的视频监测。
7）与外部系统接口：与变电站综合自动化系统接口，获取设备实时负荷电流进行设备温升分析。
巡视机器人的技术要点是基于磁导航的最优路径规划和双向行走方案，先利用全球定位系统粗定位，再由光电传感器、电感式接近开关、光电编码器探测轨迹中的金属信号源，配合磁导航。
3.其他类型专用机器人
在电力系统中，除了常见并且长足发展的巡线机器人及变电站内的巡检机器人之外，还有很多应用于生产过程中的机器人。比如带电作业用的电力抢修带电操作机器人、带电水冲洗用机器人等，另外在电力服务中也会经常用到机器人来提供单一简单的服务工作。
3.1 电力抢修带电操作机器人简介
抢修机器人系统由机器人本体、移动升降平台和绝缘防护系统组成，专门被设计出来用于进行10kV的带电更换检查工作。它们主要包括以下几部分：
1）机器人本体包括6自由度主从式机械臂、双目视觉定位模块、自适应末端执行器及智能化自动工具。
2）移动升降平台包括移动车体、升降机构和作业平台。
3）绝缘防护系统：为了避免低压供电带来的绝缘和电位差的问题，在机械臂升降平台上配备了额定绝缘等级10千伏的隔离变压器，以实现绝缘隔离。
3.2 带电水冲洗用机器人简介
变电站水冲洗机器人系统整体结构主要由水冲洗移动机器人、高压纯水制备装置、手持终端组成。整个水冲洗机器人系统包括机械系统、纯水制备系统、液压系统、控制系统、通讯系统等几部分。机械系统主要包括履带式车体移动结构、绝缘升降机构，在变电站道路和设备区无障碍运行的同时提供了移动绝缘升降支撑平台。纯水制备系统为水冲洗机器人提供高压纯水，主要包括高压纯水制备车、纯水制备系统、纯水储存系统、高压喷射系统。液压系统采用柴油机为动力，并均采用绝缘液压油以适应变电站带电作业特殊环境要求，由液压泵、油箱、比例阀组等组成。控制系统包括信息采集系统、车载控制系统和手持终端控制系统，信息采集系统可以实现机械臂腰部回转、大臂俯仰、小臂伸缩、平台俯仰和平台旋转等轴的运动信息以及车体蓄电池的电压、电流，油温、油压、水阻率等信息的采集；车载控制系统主要完成命令的解析、运动算法等功能的实现；手持终端控制系统具有车体的移动、发动机的启停、油门的大小、升降机构单关节控制和组合控制功能。考虑变电站高压电磁场环境，通讯系统主要解决了电磁兼容、抗强电磁干扰、安全性、双向实时性等问题。
4.结语
电力系统的危险性和复杂性决定了机器人发展的前景。在未来，机器人不仅能够完成很多电力系统中的生产任务，同时能够使得现场作业标准化水平和可控化水平越来越高。现在机器人的机械水平无法很好的适应输电、变电、配电复杂的作业现场，所以在研制和应用中有很大的专业性和针对性。相信在控制技术和传感器技术的提高过程中，机器人在电力系统工作中的应用将会越来越广泛。
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论文作者:李琦,王扬
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/22
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