架空输电线路机器人全自主巡检系统及示范应用

架空输电线路机器人全自主巡检系统及示范应用FullAutomaticInspectionSystemandItsDemonstrationApplicationBasedonRobotforOverheadTransmissionLines彭向阳1,钱金菊1,吴功平2,麦晓明1,魏莱3,饶章权11.广东电网有限责任公司电力科学研究院,广州5100802.武汉大学动力与机械学院,武汉4300723.广东电网有限责任公司惠州供电公司,惠州516001基金项目：南方电网公司重点科技项目(K-GD2014-0621);国家高技术研究发展计划(863计划)(2006AA04Z202);ProjectsupportedbyKeyScienceandTechnologyProjectofChinaSouthernPowerGridCo;,Ltd;(K-GD2014-0621),NationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(863Program)(2006AA04Z202);摘要机巡作业是当前电力巡检的主要发展方向,但与直升机、无人机以及变电站机器人相比,我国输电线路机器人巡检尚未达到实用化水平。为此,对输电线路机器人实用化巡检关键技术开展了研究,建立了机器人典型作业模式,研发了穿越式、跨越式两类巡检机器人,提出了机器人行走路径改造方法,首次设计了机器人自动上下线装置,并完成了机器人全自主巡检系统的研制。机器人通过了多种复杂自然环境和电磁环境工况的试验考核,以及户外真型线路试验段的功能测试,在500kV带电运行线路开展示范应用,对线路设备同时进行可见光和红外检测。巡检中暴露了巡检系统存在的问题并进行分析解决,提出了机器人异常情况下的紧急救援措施并成功开展带电救援作业。机器人单次巡检里程达到10km以上,巡检应用取得良好效果,机器人巡检系统达到一定的实用化水平。关键词:架空输电线路;机器人;巡检系统;全自主巡检;机器人自主上下线;应急救援;示范应用;DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20170731019ABSTRACTRobotinspectingisthemaindevelopmentdirectionoftheelectricinspection,butcomparedwithhelicopters,UAVs,andsubstationinspectionrobot,inspectionrobotfortransmissionlinesinChinahasnotyetreachedapracticallevel.Westudiedthekeytechnologyofrobotpracticalinspectionfortransmissionline,andputforwardseveraltypicaloperationmodesofrobotinspecting.Moreover,wedevelopedtwokindsofinspectionrobotofrobottopassobstaclesandrobottocrossobstacles,andproposedatransformationmethodofrobotwalkingpath.Forthefirsttime,wedesignedthedeviceofrobotautonomouson-lineandoff-line,andimplementedthedevelopmentofindependentinspectionsystemofrobot.Therobothasgotthroughavarietyofcomplexnature,electromagneticenvironmentconditiontestandoutdoorfunctiontestbasedonreallylinesection,andhascarriedoutthedemonstrationalapplicationon500kVliveoperationline.Therobotcancarryoutsimultaneouslyvisiblelightandinfrareddetection.Intheinspection,theproblemsofinspectionsystemareexposedandsolved,theemergencyrescuemeasuresundertheabnormalsituationoftherobotareputforwardandcarriedoutsuccessfully.Therobothasasingletimeinspectionmileageof10kmormore,andtheinspectionapplicationhasachievedgoodresults,therobotinspectionsystemhasreachedacertainpracticallevel.KEYWORDS:overheadtransmissionlines;robot;inspectionsystem;fullautomaticinspection;robotautonomouson-lineandoff-line;emergencyrescue;demonstrationapplication;0引言我国地域辽阔,各地区的地理气候等自然环境差异较大,电力线路巡检经常需要经过高山、江河、湖泊地区,并且经常遭遇严重覆冰等自然灾害,使得电力线路巡检任务繁重和异常艰难。传统人工巡线存在工作量大、效率低、巡检准确度低且危险性高等缺点。随着我国电网规模增大,而相应运维资源、人力物力并未等比例提升,急切需要先进巡检手段提高电力线路巡检能力。目前较先进的巡检手段主要有：直升机巡检、大型无人机巡检、中小型无人机巡检和智能机器人巡检等。有人直升机巡检效果好,但存在空域控制、巡检成本等因素,且巡检周期长,短则3月或6月一巡,长则1a一巡[1-2]。大型无人机巡检方面,南方电网实现了超低空、超视距复杂环境下大型无人机多传感器全自动巡检,仍在进行深化研究,在我国电网大范围开展实用化巡检仍需时间,且技术门槛相对较高[3-5]。小型无人机巡检因其机动灵活、携带方便,在一定程度上减轻了巡检人员工作量,在国家电网和南方电网已逐渐普及应用[6],但续航时间短,受巡检人员精神状态影响,不能长时飞行,限制了巡检距离,巡检时需要将无人机携带至所检杆塔附近才能飞行。相比之下,输电线路机器人巡检虽然速度较慢,但是可以长时间在线巡检、多次重复巡检,且能适应跨越大范围林区、大面积水域以及其他复杂地理环境和交叉跨越环境的线路巡检,具有全自主巡检、无巡视盲区、巡视周期短、巡检费用低等显著优势,是输电线路智能巡检技术发展的重要方向[7]。国外关于巡线机器人研究较早,代表性的有加拿大魁北克水电研究院及其研制的“LineScout”巡线机器人[8],日本东京大学与日本关西电力公司（KEPCO）共同研制的“Expliner”巡线机器人[9],美国电力研究院研发的巡检机器人“TI”等[10]。国内巡线机器人研究始于20世纪90年代,取得了一系列技术成果,典型代表有：武汉大学及其研制的“LineBot”系列巡检机器人[11-12],中科院沈阳自动化所及其研制的巡检机器人等。由于线路巡检机器人具有良好的应用前景和技术特色,所以已成为智能机器人领域的研究热点。但从目前研究现状来看,国内外输电线路机器人巡检技术存在如下问题,有待进一步突破。1）线路机器人过塔能力较差。目前已有的大部分巡线机器人不能跨越杆塔,且采用“猿猴爬树”方式可靠性及效率较低,并且无法识别和通过防振锤等异形障碍物。2）线路机器人上下线难度较大。目前巡检中普遍采用的带电作业吊装上下线方法存在耗时、耗力以及作业风险高等缺点,不利于应用推广,需要解决机器人自动上下线难题。3）线路机器人巡视手段单一。出于载重量与可靠性考虑,目前线路巡检机器人大多仅搭载单一传感器,巡检效率较低,可扩展性差。4）线路机器人尚未实现全自主巡检。全自主巡检需要机器人具备自主上下线、自主定位、自主识别障碍物和越障、自主巡检、自主充电等功能,但目前已有机器人巡检离不开频繁的人工干预。本文针对架空输电线路机器人实用化巡检存在的上述关键问题展开研究,在对机器人全自主巡检功能需求分析的基础上,研发了沿架空输电线路地线行走的机器人及全自主巡检系统,介绍了巡检系统功能和结构组成,对智能巡检机器人、机器人自主上下线成套装置、地面监控基站、太阳能充电基站、巡检后台管理系统等5个分系统进行设计和研制,并在电网500kV电压等级输电线路开展机器人全自主巡检应用,验证了机器人巡检系统的功能性能,巡检应用取得良好效果。1输电线路机器人全自主巡检系统概述机器人全自主巡检即机器人在巡检起始杆塔自动上线,在巡检终止杆塔自动下线,均无需人工登塔辅助,由自动上下线装置实现机器人自主上下线;在沿架空地线巡检过程中,只需事先设置机器人巡检所需的线路参数和任务规划,在无需人工干预、无需更换电池的条件下,机器人进行自主巡检和自主充电,整个巡检过程自动进行,全部巡检任务机器人自主完成。为实现机器人沿架空地线全自主巡检,提高巡检质量与巡检效率,降低巡检风险,所设计的机器人全自主巡检系统应满足以下功能。1）机器人在巡检过程中需具备自主过塔能力,通过对架空地线进行必要改造后,机器人可以自主穿越防振锤、悬垂线夹等异形障碍,具备自主过塔巡检能力。2）机器人采用自动上下线装置进行上下线作业,无需人工登塔辅助吊装,只需少量人员在地面辅助操作即可完成机器人上下线。3）巡检系统应具有多传感器融合功能,系统具备采集及处理高分辨率可见光影像、红外视频影像、高精度3维激光点云数据模块,能依据巡检任务选择相应模块配置数据采集方式。4）巡检机器人应具有能耗监测与在线自动充电功能,通过在线充电和对能量进行有效管理,增强续航能力,增大巡检范围。5）机器人应能进行自主巡检,具有导航定位能力,能获得精确定位信息;具有自动对准巡检目标能力,能克服行进中的振动干扰自动对焦,获得清晰影像数据。6）巡检系统通讯模块应兼容多种通信策略,能够依据信号强度情况实时选择切换通信方式。为实现输电线路机器人全自主巡检系统功能需求,突破目前线路机器人巡检应用技术,研发了机器人全自主巡检系统。该巡检系统包括智能巡检机器人、地面监控基站、太阳能充电基站、自主上下线成套装置、巡检后台管理系统等5个部分,图1所示为机器人巡检系统的主要组成。2机器人全自主巡检系统的设计研制2.1智能巡检机器人2.1.1机器人类型及作业方式根据巡检需要,研制了2类沿地线巡检的机器人：穿越越障巡检机器人和跨越越障巡检机器人。前者在沿地线行走过程中,机器人行走末端执行器（行走轮）不脱离行走路径,且依次通过行走路径上的障碍物;后者在沿地线行走过程中,机器人行走末端执行器（行走轮）交替脱离行走路径,从行走路径上障碍物一端跨越障碍物到达另一端。根据实际线路机器人巡检需求,建立以下3种典型作业方式。1）档距巡检。一般不改造行走路径,无需跨越档距内防振锤的,可采用穿越巡检机器人;需跨越档距内防振锤的,可采用跨越巡检机器人。档距巡检,一般适用于大跨越段或重要交叉跨越段巡检,或对存在安全风险的特殊区段巡检。2）耐张段巡检。一般不改造行走路径,可采用跨越巡检机器人;如采用穿越巡检机器人,则需对耐张段内地线防振锤及直线塔地线悬垂线夹进行改造。耐张段巡检,一般适用于对输电线路疑似故障区段或特殊区段进行故障巡检和特殊巡检。3）多耐张段或全线巡检。一般需对行走路径进行改造,如采用穿越巡检机器人,则需对地线防振锤、直线塔地线悬垂线夹进行改造,并搭建耐张塔地线过桥结构;如采用跨越巡检机器人,则仅需搭建耐张塔地线过桥结构。对架空输电线路全线或多个连续耐张段进行巡检时,为提高巡检效率,宜对全线行走路径进行改造,并采用穿越巡检机器人巡检。2.1.2穿