输电线路自动巡检机械人的应用展望

输电线路自动巡检机械人的应用展望

凡东

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞523000）

摘要：架空输电线路大部分地处偏远山区，诸多线路跨越大江大河、崇山峻岭，甚至原始森林和无人区，随着线路走廊森林植被保护加强和气候环境变化的加剧，巡检任务越来越繁重，巡线工作环境越来越危险、恶劣，且近年人工成本大幅度增加和人对工作环境要求的提高，更加重了巡检难题。减负增效，降低人工投入成为输电架空线路新的管理重点，在这种形势下自动巡检机械人的使用成为业界的聚焦点，也是输电线路工作者期盼降低工作强度的新利器。

关键词：输电、电网、架空线路、超高压、机械人、自动巡检

一、引言

目前在全世界的电网中，架空线路还是占据着99%以上，由于输电线路的特定环境，全天候全裸露的现实情况，输电线路上的防污、防雷、防风等抵御自然灾害能力非常脆弱。特别是500kV及以上电压等级的线路，基本上都是跨城市输送着电能。在国家“西电东送”战略支持下，我国目前的500kV以上的超高压、特高压电网正在快速建设。但是随之而来的设备运行维护压力也是前所未有的艰巨，许多跨省、跨市线路穿越着崇山峻岭，这给电力线路运维工作者带来了空前的工作压力。自动巡检机械人的出现，给输电线路工作者带来了福音，我们迫切希望自动巡检机械人能在输电线路、超高压、特高压线路中得到大力的推广，从而达到减负增效的目的。

二、输电架空线路对巡检机械人的需求情况

高压输电线路的管理一直都是大难题，由于其所处环境以及运行维护工作的特殊性，一直以来采用传统型的管理模式，随着电网规模的不断发展，设备技术含量的不断提高，以及坚强智能电网建设的需要，对输电线路精细化、信息化管理的要求越来越高。传统的输电线路管理模式越来越不适应现代电力企业管理的需要，借助高科技检测设备对高压输电线路进行专业巡维是发展的必然方向，人工专业化巡维在巡维总量和频次上不能满足要求，且在人工成本持续高昂上涨的形势下已出现后续乏力的状态。目前输电线路巡线采用了两种巡线方法，即人工巡线和直升机巡线。前者是目前采用的主要方式，其特点是：劳动强度大，工作环境恶劣、危险，巡视效率低，巡视范围及其效果受人和环境因素的影响大；后者是目前发展较快速的一种高效巡线方法，虽然技术成熟，但巡线费用昂贵，组织实施受气候、空管等条件的制约，巡视过程存在较大的安全风险，目前主要用于220kV及以上电压等级的超高压线路的巡线。

机械人巡线是一种综合技术经济性能优良的巡线方法，大量的应用实践及试验测试表明；该方法具有如下突出优点：沿线（轨道）行驶安全，线路所至机械人所达，环境适应能力强，易于电能在线补给，巡线效率较高，近距离巡视效果好，可以实现无人操作。机械人巡线搭载可见光摄像机、红外热成像仪、激光雷达系统等设备可实时进行高压输电线路专业化巡维，巡视效率高，成本费用低，且可以对输电线路形成全方面、多维度巡检，并且实现巡检数据的相互关联与综合管理分析，自动巡检机械人技术将会是输电架空线路实现智能化电网目标的关键组成部分。

三、输电线路巡检机械人的工作原理

此次介绍的自动巡检机械人主要是双臂对称、双臂错滑移换位的4-DOF穿越越障移动机械人机构，配合附加过桥结构，解决了巡检机械人跨越耐张杆塔的难题，填补了国内外这一机型的空白，并且极大地提高机械人巡检效率和智能自适应性。在此基础上，通过构型优化，全面突破了国内外目前巡检机械人不能完全适应GJ/LGJ/OPGW三种地线行走的应用技术瓶颈。在机械人两个行走轮在线路上滚动行驶过程，当检测到其中任一个意行走轮达到打滑程度时，可采用压紧轮压紧的方法进行解决，但由于两个行走轮的打滑程度不同，尤其是在坡度线路上的重力作用也不相同，这种控制方法往往出现其中一个行走轮过压紧而另一个则压紧力不足，导致打滑不能有效消除或行走轮磨损加剧。缓冲压紧轮技术（装置）及其打滑辨识与模糊自适应控制为基础，通过研究机械人两个行走轮打滑机理、打滑辨识及其两个压紧轮压紧力智能自适应协调控制问题，全面解决机械人的打滑与控制及其导致的行走轮磨损问题。节能、能量自供给是解决机械人电池电量有限而提升其续航能力的两个重要途径，通过理论建模仿真与试验研究相结合的方法，研究并提出基于能耗最小的巡检机械人优化控制策略来实现节能，下坡发电馈能来自供给电能，以及基于节能、馈能的最优控制策略。在项目前期，结合巡检机械人的实际需要，在巡检机械人中嵌入了具有实用性的视觉检测单元，并积累了良好的研究及应用基础。通过项目研究团队进一步研究野外光照变化线路及其部件的图像处理、特征提取及其鲁棒性问题，全面突破机械人自主沿地线行驶所需的视觉信息及其伺服控制与鲁棒性，自主巡视过程中所需的线路关键部件识别定位与跟踪及其自动拍摄图像质量评估。在智能巡检机械人平台中，不仅构建了包括各关节轴力、速度和位置检测，控制器看门狗检测，通信网络检测，针对嵌入式封装结构中的主要驱动、控制与执行部件进行温度检测，以及二维倾角传感器、三维惯性传感器、雨量传感器等，而且在测控硬件集成设计上还采用了对主要单元系统的独立电源及其控制，构建了机械人运行状态及其工作条件的较完整检测与分布式控制系统。在此基础上，通过信息融合及其数据挖掘和大量的试验，寻求机械人状态信息空间与故障空间的映射关系，进而研究故障的自恢复或故障模式下机械人控制策略，从而使得机械人具有故障自主诊断与自主恢复的功能。目前，国内外还为见到有关巡检机械人全自主行为控制方法的研究报道。本项目中，通过对团队机械人平台历史运行数据可靠性分析，进行优化系统的体系结构及其单元部件的选型，通过嵌入式结构及其动态设计、材料的运用、制造方法等的综合，寻求机械人机械结构的优化、制造精度保障，从而实现重量的控制及可靠性提高；通过采取布线电缆嵌入式封装、设计电缆集中接线板及其信号分配板、板卡与板卡直接联接代替分离的接插件、控制单元与控制箱安装缓冲，以及控制箱散热、防雨一体设计等措施，提高了机械人的可靠性。开发面向对象的控制系统，将负责的机械人系统作为一个由运动机构、传感器、通信系统、巡检设备等单元组成的对象，将对机械人所有单元的控制转换为机械人运动自然语言的设计；对具备复杂逻辑控制的底层的关节运动控制全部封装，软件开发仅需完成面向自主越障的上层设计。巡检机械人自动上下线装置、太阳能充电基站、穿越越障地线道路结构等配套设备的出现，为巡检机械人的工程应用提供了完整的解决方案，使得机械人的应用可在少人（1～2人）或无人值守下具有自主巡线路的功能，而目前的巡检机械人则需要大量的人力及其条件保障措施才能使用。

四、自动巡检机械人的实际应用情况

2016年10月完成了吉林长白山220kV松长甲线119km全线路自主巡检，在国内外均属首次，2017年除夕晚中央电视台新闻联播给予报道。

2017年～2018年在北京市电力公司检修分公司所属220kV怀北线、220kV城奥线运行，期间完成“两会”、“一带一路国际峰会”、“十九大”连续三次次特级保供电任务，收到国家电网公司和能源局领导的好评，北京电视台等多家媒体给予报道。

2018年至今，南方电网肇庆供电局220kV睦端乙线加装巡检机械人项目、清远供电局220kV花堤甲线加装巡检机械人项目。

2019年至今南方电网东莞供电局500kV穗水甲线加装巡检机械人项目已立项进行。

五、结束语

当前自动巡检机械人已经在东莞供电局输电管理所500kV穗水甲线（4回同塔架设）线路中立项使用，并已取得了可喜的成果。因此我们希望通过新技术的应用来实现为电力一线工作者减负增效的目标。巡检机械人的突破性进展不仅来帮助一线工人减负增效，还能达到保护生态、优化资源利用，让我们可以把有限的精力投入到更多的事业中去。

参考文献：

[1]舒印彪，胡毅，王力农．500kV紧凑型线路带电作业用保护间隙．中国电力，2003年5月第36卷第五期.

[2]宋屹峰，王洪光，康文杰，凌烈，姜勇.面向断股修补作业任务的电力机械人机构设计．智能系统学报，2017年4月第12卷第2期.