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输电线路智能巡线机器人的研究及应用

发表时间：2020/11/12 来源：《基层建设》2020年第21期作者：林锐

[导读] 摘要：在经济快速发展和人民需求不断增长的背景下，社会需要更多安全可靠的电能，这就对输电线路提出了更高的要求。

        广东电网有限责任公司揭阳供电局广东揭阳 522000
        摘要：在经济快速发展和人民需求不断增长的背景下，社会需要更多安全可靠的电能，这就对输电线路提出了更高的要求。然而，现阶段的输电线路还存在着各种各样的问题。根据研究表明，将输电线路巡线机器人运用到智能电网的发展中具有积极的意义。因此，本文将分析输电线路的现状，并以此探讨研究应用巡线机器人的优势所在，结合实际情况提出巡线机器人的具体设计思路，希望能够对未来的输电线路巡检起到积极的意义。
        关键词：输电线路、智能巡线、巡线机器人
        一、输电线路的现状及巡线机器人的优势
        在整个电网建设和运行的过程中，输电线路都是最为重要的一环。为了保证电网的安全稳定运行，这就对输电线路建设和运维的要求极为严格。通常，输电线路杆塔架设首选在丘陵或者山上的无人区，但也因此容易受到大风、雷电和山体滑坡等自然因素影响，而架设在平原地区的输电线路，又容易遭受外力破坏以及违章建筑等人为因素影响，导致输电线路可能出现导线断股、杆塔变形等情况，若不能及时发现处理，将会造成线路跳闸，甚至断线、倒塔等严重事故。这不仅仅影响周边片区的供电需求，还威胁着周围过往的人身、畜牧的安全。
        目前，输电线路的巡检方式主要采用人工巡检、无人机巡检和直升机巡线的方式。然而，这三种巡视方式都存在着一定的弊端。其中，人工巡检需要投入大量的人力成本，并且在应用的过程中由于视野的局限性，使得人工的巡检并不能够对整个线路的高空状况进行观测和判断。另外，在人工巡检中，还需要耗费大量的徒步时间，容易导致巡视的工作任务难以完成。无人机巡检是目前主流的巡检方式，但使用无人机巡线存在着无人机系统故障的因素、机载设备性能衰退的不可控因素、以及飞行环境的因素等。无人机本身设计的问题，电池容量不能过高，导致了飞行的续航能力有限，而巡视工作需要耗费大量的时间在高空对线路进行检查，这就迫使无人机需要频繁的更换电池，严重影响工作效率。在空闲时，巡检人员应对无人机定期进行固件升级、校准，来让它保持良好的状态，降低故障因素。但这也避免不了环境因素的影响，执行任务时遇上雨天，雨水可能会落在镜头上、无人机电调上，不仅影响飞行视野，还可能损坏无人机。而比无人机更高续航的直升机巡线，则需要提前申请空域，还需请专业的飞行员配合作业，这不仅耗费了大量的资金成本，还存在着不确定性因素。
        巡线机器人巡检对比传统巡检方式的优势：传统的巡检方式都是需要作业人员到达现场附近，途中无疑增加了许多不可预测的风险，而巡线机器人完全避免了这个问题。巡线机器人可放置于输电线路杆塔上方，只需要作业人员在工作室进行远程控制，就能完成工作任务，不仅节省了驱车前往工作地点的时间，而且在巡视过程不受地理环境影响，不需要穿山越岭，过河过桥，极大地缩短了非巡视的工作时间，作业人员的安全也得到了很好的保障。除了安全高效，还有最关键的一点，巡线机器人可在天气较差的环境中进行作业，不单单依赖可见光拍摄，机器人增加了红外测温系统，激光雷达扫描系统，可根据不同的天气环境进行作业。节省大量人力资源，安全高效，抗干扰能力强，这些都是输电线路传统巡检方式中无法比拟的优势。为了能够满足社会发展对供电可靠性的要求，以及人民不断增长的用电需求，研究应用巡线机器人有着重要的积极意义，同时，对推动输电线路智能电网发展也有一定的帮助。
        二、巡线机器人的设计思路
        巡线机器人作为代替巡线人员的智能设备，则应结合巡线实际需求情况考虑，且尽可能减轻工作人员的总体工作量。具体满足以下条件：
        1.在巡检过程中不易受外界干扰；
        2.经久耐用，不易损坏，无需频繁维修维护；
        3.能够实现远程手动操控；
        4.能够定时定量自主行动；
        5.拥有足够的续航能力；
        6.精准定位，保证巡线时不偏航；
        7.具备信息传达接收能力；
        8.拥有多种摄影模式，满足不同情况需求；
        9.能够分析照片数据，并判断出缺陷隐患，自动生成报告；
        依据以上需求，提出设计理念。巡线机器人由三大部分组成：外部机械模块、内部设备装置以及自动化巡检系统。
        （一）外部机械模块设计
        在日常研究中发现，机器人运作的过程中，将会遭受日晒雨淋、氧化作用、雷击和输电线路电磁波的干扰等，除需考虑以上因素外，机器人还要考虑机械应力，重力影响，电能电量问题，是否能够在导地线以及角钢上平稳行走。根据以上发现，提出以下设计思路。
        ⑴行驶轨道
        架空输电线路的地线一般不与杆塔绝缘而是直接架设在杆塔顶部，并通过杆塔或接地引下线与接地装置连接。通常多采镀锌钢绞线组成，现在主要采用铝包钢绞线组成。我们可充分利用架空输电线路的地线作为轨道，地线位置较高，有足够的机械应力，让巡线机器人在地线上行驶时还能及时发现地线是否存在缺陷。

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        ⑵外部保护层
        巡线机器人最外部可采用复合绝缘材料，提高本体阻抗的同时，降低氧化作用和锈蚀对机器人的影响，第二层封装可用金属屏蔽层，并外接一根导电装置接触轨道，除了减少电磁干扰的影响外，还能避免雷击或者电流直接击穿机器人绝缘层后损坏内部结构，保证设备能够正常运转。
        ⑶行走方式
        巡线机器人的移动方式可以采用倒挂轮式滑行机构和抓握式爬行机构两种形式。在单线行驶过程，设备难以保持平稳行走，行驶速度较慢，且存在翻转风险。倒挂轮式滑行机构依靠行走轮固定于轨道上，再通过电机驱动行走轮在导地线上前进。倒挂轮式爬行机构利用自身重力，不仅提高稳定性，还能提高行驶速度。第二种抓握式爬行机构则是通过模仿昆虫类爬行姿态特点，伸缩臂模仿昆虫爬行时的运动状态，抓握端模仿昆虫停留时的姿势。由电机控制伸缩机械手臂，开合抓握端，通过交替控制多只机械臂完成爬行。此爬行机构一般用于跨越角钢塔材、防震锤、间隔棒、接续管等金具。
        （二）内部设备装置设计
        巡线机器人需满足多种功能条件，因此所需的设备种类多，应包括拍摄装置、动力装置、定位装置、信号装置等。
        ⑴拍摄装置
        拍摄装置包括可见光拍摄、红外热像仪、激光雷达扫描仪。可见光拍摄作用主要是发现
        线路保护区内是否有违章建筑、速生林区，杆塔基础是否存在沉陷或水冲刷、取土现象等，红外热成像主要用于发现设备本体缺陷，如导地线接续金具、跳线引流板等电流致热型元件发热，瓷质或复合绝缘子、避雷器等电压致热型元件发热。而激光雷达扫描仪具有精确度高、扫描准确、范围广的特点，能够在发现影响线路安全稳定运行的的建筑物或者超高植物时，通过扫描分析准确判断出距离，弥补了前两者的不足。
        ⑵动力装置
        续航问题一直是各类移动设备的难题，除了降低功耗，我们还可以提高电池容量，但提高电池容量也增加了重量。输电线路长度通常在十几公里以上，正常的电池容量并不能满足巡线工作所需的供电能力。为此，提供一个既能充电又能更换电池的平台，则可解决此问题。平台可安装于地线横档处，当机器人经过时，取下电源，然后插入充电设备中，利用太阳能电池板对其充电，为下次更换电源提前做好准备。补充动能的平台，可根据实际情况，安装于部分杆塔的地线横档，不必每一座都安装，减少维护成本。
        ⑶定位装置
        目前的定位导航技术主要包括轨道导航技术、GPS导航技术、惯性导航技术和SLAM导航技术。巡线机器人采用激光雷达定位，结合即时定位与地图构建（SLAM）导航技术，用帧间匹配算法等手段实现机器人的自主定位和精确定位，实现无轨导航、最优路径导航等。这种定位方式具有建设成本低、自主性强、更加灵活多变，在跨越障碍物或者杆塔时，能够不偏离原设定的轨道，能够极大地提升巡检效率。
        ⑷信号装置
        信号装置不仅要满足同步拍摄的信息，还需要接收手动操控信号等，因此对信号装置要求较高。现代化信息网络已经较为发达，传输速度极快的5G网络还在建设初期，而目前应用最为广泛的4G网络已经足够满足使用需求。在不同的地区，不同的运营商信号存在着强弱问题，因此，巡线机器人只要配置双运营商就能很好的解决这个问题。
        （三）自动化巡检系统
        ⑴远程控制中心
        巡线机器人传送出的信息，需要集中收集起来，方便整理数据。发出信号控制巡线机器人，需要一个操作平台，一个满足以上两个条件的信息调控中心。工作人员每天只需要在这个信息中心启动观察巡线机器人，便可完成巡检工作。
        ⑵数据库分析处理
        巡线机器人拍摄回来的照片，需要先进行自动命名，如红外测温任务110kV某某线路N01号塔-N40号塔，将每一张图片具体命名到某某线路某号杆塔的哪一相哪一个具体部件名称。所有拍摄的图片命名完成后，将其导入数据库，利用AI分析识别缺陷隐患。
        ⑶报告推送
        系统生成报告后，将其推送至所属的巡检班组进行消缺处理。
        结束语
        总体来看，将巡线机器人运用到输电线路的智能巡检过程中，具有积极的意义，一方面能够减少人力成本的投入，另一方面，能够更快更安全地发现隐患缺陷，及时处理。因此，研究输电线路智能巡线机器人具有积极的意义，对于智能化的电网建设也有深远的影响。
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