智能巡检机器人在电力配电站运维工作的应用分析

国家电网公司发展部新能源云运营中心 陈 康 北京华商三优新能源科技有限公司 贺家胜

北京行动智能科技有限公司 刘宜昌 飞腾信息技术（北京）科技有限公司 郭祥雷

1 引言

随着社会经济的快速发展，我国配电网规模也逐渐增大。而现有配电网巡检工作仍以人工巡检为主。一方面巡检人员的数量跟不上配电网设备增长的速度；另一方面，巡检人员的责任心和业务水平对巡检质量影响较大。此外，配电室是7×24h工作的封闭环境，人工巡检无法在时间上和空间上对配电室进行全量监控。有限的巡检时间，必然带来设备运转的黑盒时间，设备故障和隐患无法及时监控与消缺。因而不可避免存在漏检、误检的情况，不仅容易隐藏电力系统故障隐患，甚至可能带来巡检人员人身安全的风险。随着智能配电网建设的发展，对巡检人员的业务水平要求越来越高，因而巡检自动化乃至智能巡检不可避免地提上日程。而通过机器人完成巡检业务，已经是完成智能巡检的业内共识。

2 机器人在电力巡检中的应用现状

机器人在电力行业中的应用由来已久，主要应用在变电站、电缆隧道、架空输电线路无人机、架空输电线路带电维护、架空配电线路带电作业、电动汽车换电等方面。在架空输电线路、架空配电线路、电动汽车电池更换作业等方面已研究发展10多年，并取得了许多重要成果[1]。

从2005年起，我国就开始研究机器人在电力巡检系统中的应用，之后依据《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》《国家能源局配电网建设改造行动计划（2015—2020年）》《国家电网公司2015-2020电网智能化滚动规划指南》《南方电网十三五智能电网发展规划研究报告》等政策文件，国网公司和南网公司分别加大了在变电站巡检、电缆隧道巡检等方向的探索研究与示范，主要参与研发机器人企业有山东鲁能智能、沈阳新松、深圳朗驰等，其中有些产品已经获得规模化应用。

从2015年起，国内开始研究机器人在站室内部的巡检，使用机器人替代运维人员来进行可见光、红外、音频、局放、温升等监测，并获取设备状态如断路器、接地、信号灯、仪表盘、开关状态等。但由于站室内部环境复杂，前期研究主要为架空轨道机器人，成本较高，部署程序烦琐，施工周期长，推广难度较大。

3 机器人在配电巡检中的应用前景

2021年9月28日，北京市发布新地方标准DB11/T527-2021《配电室安全管理规范》，于2022年1月1日起正式实施。新标准首次明确了配电室智能运维的定义、技术要求和行业规范，要求配电室智能运维企业依据“云、大、物、移”等现代信息技术建设智能运维系统，以实时监测数据为基础建立智能运维中心，结合智能运维操作队伍对辖区内配电室开展智能化运维工作，实现“无人值班，少人值守”的智能化运维模式。在此政策推动下，通过机器人实现配电室的巡检，已经成为行业的必然。北京电力业务发展方向，也将对全国电力业务发展起到引领作用，因而必将推动全国范围内智能巡检机器人的规模化应用。

配电业务的智能巡检，是利用智能通信手段和传感技术将配电室的电气信息、非电气信息（包括环境信息、安防信息）、视频监控信息、机器人采集信息等数据通过本地网管以及光纤与以太网等上送至监控指挥中心，对配电室实施远程监控，实现配电室本地的无人值守。

在这一体系下，机器人的使用是将配电室的巡检由“自动化”提升为“智能化”的重要设备。对机器人的使用，并非简单地实现人工替代，应当进行巡检业务的提升，将此前人工巡检难以进行的业务也纳入常规巡检之中。并通过APP、大数据等手段简化操作人员与管理人员的工作，实现巡检业务的智能化和现代化。

此外，机器人的使用，也相当于实现了7×24小时机器人值守，提高了巡检频次和巡视质量，使配电室巡检由故障巡检向状态巡检转变，保障配电设备的安全运行。由于常规情况下无需人工干预，也降低了工作人员的交通安全风险和运维安全风险。

4 系统构成和应用分析

4.1 配电室巡检业务范围

配电室的巡检包括：一是开关柜、断路器、负荷开关、配电柜、配电箱、继保、直流屏等设备的电流、电压、开关状态、有功无功、频率等电气信息的巡检；二是通过各种传感器采集门禁、烟雾、温湿度、水浸、气体、红外、声光、消防等信息；三是局放、电弧、仪表示数、视频等信息[2]。

随着配电自动化的逐步推进，电气信息已经上送到配电自动化系统，可进行实时或准实时监控。但考虑到主要通讯方式为电力载波，其数据质量还有待进一步检验[3]。

对配电站室的人工巡检，主要针对非电气信息进行，由巡检人员通过听、看、闻、抄的方式，对配电室内声音、气味、土建结构、照明设施、消防设施、防鼠板及封堵、空调、风机、漏雨进水、室内清洁、设备电流电压温度等电气信息、各设备线路接点、各电气设备电弧和打火痕迹、仪表数字等进行巡检[4]。

由于人工巡检存在的问题，使用机器人替代人工巡检，不仅可以消除人工巡检的可靠性问题和质量问题，还可以进行缩短巡视周期，减少黑盒时间，最大限度提高设备安全，保障配电网安全运行。

对巡检信息，可采用安全芯片进行加密传输，以确保电网数据的安全。

4.2 基于机器人技术的远程巡检架构

在使用机器人替代人工巡检的情况下，提出远程巡检架构如图1所示。

图1 基于机器人技术的远程巡检架构

机器人的使用并非替代当前的配电自动化系统，而是作为配电自动化系统的补充和提升，将之前自动采集无法实现的一些数据采集上来，并提高采集频率。

这一架构下，数据采集层同时进行配电数据的自动采集，以及机器人、视频的非电数据采集。其中，对设备仪表数字的读取，在光线不足时，可采用红外补光的方式进行。对一些要求比较高的配电站室，还可以同时通过机器人采集重要的电气数据，为配电自动化数据采集提供参考与修正依据。

数据传输层，是通过无线或有线的方式，接入数据采集层的信息并向上转发。数据传输层可采用多个通信网关完成与采集传感器的通信；通过DVR或NVR完成视频的本地保存。机器人本身的通信，视配电室本地的通讯实际情况，既可搭载4G或5G模块进行通讯，也可通过通信网关转发。

安全计算芯片部署在机器人设备上，就机器人本体算法的安全性方向进行考虑，融合飞腾基于ARM指令集架构授权的国产芯片和内置安全可信功能，对机器人本体计算安全做了加码，实现安全的智能计算机器人。并且通过国家电网公司提供的“国网芯”安全加密芯片对传输的数据进行加密，配电监控系统的数据接收端完成解密。针对各行业、各领域使用安全智能计算机器人得到相对较高的处理业务安全保障。

监控指挥层一般包括配电监控系统、指挥大屏和物理服务器设备等。其中，配电监控系统是监控指挥层的核心，包括设备管理、实时电气图绘制、电气量监测、非电气量监测、视频监控、机器人监控、故障告警管理、历史数据分析、系统管理等部分。

4.3 机器人功能设计

机器人是本方案的核心，本文不建议使用一种统一功能的机器人来实现所有配电站室的巡检，而应当视配电站室的实际情况、业务需求，采用不同功能的机器人完成巡检，实现业务开展与投资规模的科学规划。

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[5]。

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，占据了电气火灾发生的一半，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。

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在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。路线设置为根据RFID编号，规划若干条巡检路线、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，并设定机器人需要检测的测点。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。

机器人通过搭载安全加密模块来部署加密芯片，对安全加密模块应尽可能选择成熟技术产品，在确保安全的同时保障通道畅通。

根据国网与南网的机器人应用实践，基础电气信息、可见光、视频、红外、局放、温升等重要监控信息已经在机器人巡检中得以示范应用。但无论国网还是南网，目前进行的研究还专注于通过机器人进行全量高质量巡检，但该类机器人成本较高，难以大规模推广，反而使机器人替代工作进展缓慢。实际上，进行人工替代的机器人，更应优先完成基础巡检工作，降低机器人成本，实现机器人巡检的规模覆盖，以提高配电站室巡检的基础质量。

图2 智能巡检机器人在配电室应用实例

5 结语

机器人巡检是配电自动化发展的必然，本文结合配电站室巡检需求，介绍了一种基于机器人技术的远程巡检架构，并对巡检机器人的功能进行了规划。该方案能够有效降低人工风险，提高工作质量和效率，保障配电站室的可靠运行，为配电自动化的深入开展提供可靠的技术保障。