第1章 绪论
1.1 电网设备巡检模式
随着全球资源、环境压力的不断增大，电力市场化进程的不断深入，以及用户对电能可靠性和质量要求的不断提升，电力行业正面临前所未有的挑战和机遇，建设更加安全、可靠、环保、经济的电力系统，已经成为全球电力行业的共同目标。在电力系统中，电能生产、输送、分配和使用的连续性，使得对系统中各设备单元的安全可靠运行都有很高的要求。电网任何环节的可靠性及运行情况直接决定着整个电力系统的稳定和安全，检修是保证各环节设备健康运行的必要手段，做好检修工作，及早发现事故隐患并及时予以排除，对于电力设备始终良好运行具有重要意义。
目前，设备检修模式正处于由定期检修向状态检修的过渡阶段，电力系统大部分单位设备检修还在采用定期检修和故障检修相结合的模式。定期检修模式主要存在以下缺点。
（1）没有考虑设备的实际状况，单纯按规定的周期开展设备预防性试验和检修，存在“小病大治、无病也治”的盲目现象。
（2）随着电网规模迅速发展，电网构架逐渐庞大，电力系统的变电站数量以及架空输电线路、电缆输电线路总计长度和条数快速增加，定期检修工作量剧增，直接从事变电站、输电线路巡视、检修、带电作业等工作任务的检修人员紧缺问题日益突出。
（3）近年来设备装备水平和制造质量大幅提升，早期制定的设备检修、试验规程滞后于现有的装备水平。
显然，定期检修模式不能满足坚强智能电网建设的要求，智能电网建设要求对电力系统的发电、输电、变电、配电、用电各个环节进行有效的维护，以保证电网的可靠、经济运行，但目前电网的运行维护主要是人工方式，往往会造成设备过修或失修的问题，难以建立电网系统的智能化维护体系。
随着计算机与人工智能领域科技的飞速发展，智能机器人的诞生及其在各个领域的广泛应用解决了人工劳动力不足及恶劣环境下人工作业难度大等问题，种种服务于电力系统生产的特殊用途的工业机器人—电力机器人也应运而生，它们是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的电力系统生产环境和作业的需要，它具有至少一项或多项拟人功能，如带电作业功能、巡检功能，或两者兼有之，另外还可以不同程度地具有某些环境感知功能（如视觉、听觉、力觉、触觉、接近觉等）以及语音功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它们能在电力系统的生产环境中代替人或辅助人进行电力系统生产过程中的带电抢修和巡检维护作业。
目前，以电力机器人为基础的人工智能技术在电力系统发电、输电、变电、配电、用电等各个领域都得到了一定应用，已经形成了架空输电线路巡检机器人、变电站巡检机器人、配电系统带电作业机器人、电动汽车换电机器人及架空输电线路无人机巡检系统，为电力系统的安全稳定运行提供了有效的人工智能技术手段。
在设备运行状态巡检方面，人工智能技术日益发挥着举足轻重的作用。目前，发展比较成熟的有变电站智能巡检机器人，它们可以作为无人值班站的“值班人员”进行变电站设备的巡检，这样的“值班人员”通过机器视觉自动识别设备状态，并将识别结果上报人机交互界面。应用于架空输电系统的电力机器人根据其移动方式可分为沿线路或绝缘子攀爬移动的架空输电线路巡检机器人和架空输电线路无人机巡检系统。架空输电线路巡检机器人配有检测、除冰等执行器件，能够完成输电线路巡检、线路除冰、异物清理、导线修补和螺栓校紧等任务；架空输电线路无人机巡检系统包括无人机飞行平台、导航系统、图像采集及设备缺陷数据诊断系统，满足了输电线路智能化体系建设的需求，保障了输电线路的稳定可靠运行。
1.2 电网设备智能巡检需求
1.2.1 变电站智能巡检需求
我国地域辽阔，很多变电站所处的地理条件十分恶劣，如高海拔、酷热、极寒、大风、沙尘、多雨等，只靠人工在室外进行长时间的设备巡检工作是十分困难的。人工巡检存在劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、管理成本高等明显不足，且对于设备内部的缺陷，例如，设备特殊部位发热、绝缘不合格等缺陷，只通过运行人员简单的巡视是难以发现的。随着机器人技术的快速发展，将机器人技术与电力应用相结合，基于室外智能机器人巡检平台，携带专业检测设备代替人工进行巡检已成为电网发展的迫切需求与必然趋势。变电站设备机器人巡检系统能够以自主或遥控的方式，对变电站室外高压设备进行巡检，识别设备状态，及时发现设备的热缺陷、外观异常并自动报警。
目前，110kV及以下电压等级变电站已基本实现无人值班，220kV变电站无人值班化发展也很迅速，500kV变电站无人化试点也在逐步开展。由于远程集控中心到无人或少人值守站的距离较远，在恶劣天气或异常情况下，运行人员无法及时到达现场了解情况，可能失去优先处理的时机，导致问题扩大化。此外，对变电站设备进行投退、倒闸或顺序控制等遥控操作时，安全规程要求人工走到设备区就地查看被控设备的位置，并上报操作人员，以确保操作无误。在无人值守变电站如进行设备遥控，必须事先派人到变电站。用于无人值守变电站的巡检机器人，可代替人工通过机器视觉自动识别设备状态，并将识别结果上报给操作人员进行校验。随着无人值守变电站逐步增加，智能机器人巡检系统将逐步成为无人值守变电站必需的辅助系统。
变电站智能巡检系统以智能巡检机器人为基础，集机电一体化技术、多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及行为规划技术、机器人视觉技术、无线传输技术于一体，代替或辅助人工对变电站设备进行巡检，以及时发现电力设备的内部热缺陷、外部机械或电气问题，为运行人员提供事故隐患和故障先兆数据。其主要功能需求有以下几个方面。
（1）常规巡检。电流及电压致热型设备的热缺陷检测、设备外观及状态检测、气体绝缘开关（gas insulated switchgear，GIS）设备罐体内部巡检、设备运行异常声音检测。
（2）特殊地理或气象巡检。高原、寒冷等地理条件或者大风、雾天、冰雹、雷雨等恶劣天气条件下，代替人工完成变电站设备的巡检，有效降低工作人员安全风险。
（3）设备操控时与站内监控系统协同联动。变电站智能巡检系统提供与站内监控系统和信息一体化平台接口，能够实现与监控系统的协同联动，在设备操控和事故处理时，通过*优路径规划自动移动到目标位置，实时显示被操作对象的图像信息。
（4）就地和远程视频巡检及远程视频工作指导。变电站智能巡检系统可通过视频远传、远程控制系统功能，实现变电站巡检的远程可视化。
（5）支持集控管理模式。变电站智能巡检系统远程集控中心可实现多个变电站智能机器人巡检系统的统一协调与集中控制，为变电站无人值守模式提供技术条件。
1.2.2 架空输电线路智能巡检需求
目前输电线路巡检手段主要可分为人工线路巡检、机器人线路巡检、载人直升机线路巡检和无人机线路巡检四种方式。考虑到输电线路分布广、地域环境恶劣、所处地形复杂等情况，采用人工巡检方式，操作人员的作业条件艰苦且工作量大，特别是对于高远山区以及跨越江河或沙漠等输电线路巡检，人工巡检方式面临花费时间长、操作困难大、作业风险高、工作强度大等诸多问题。随着输电线路电压等级的不断提高，输电线路杆塔高度也不断增加，人工巡检的工作效率降低，故此巡检方式越来越不能满足线路巡检需求。机器人巡检方式是针对高压架空输电线路的一种自动化线路巡检方式，虽然该巡检方式巡检精度高，但也面临着巡线距离短、巡检速度慢和难以跨越障碍等缺陷，限制了它的应用范围。载人直升机线路巡检方式可通过直升机搭载成像设备，能够对输电线路拍摄图像，具有较高的输电线路巡检效率，但投入成本大，需要大量的人力资源，管理及技术储备复杂，因而载人直升机巡检方式没能广泛推广使用。而无人机巡检方式由于飞机机体小、成本低、载重轻和操作简便等显著优点而逐渐受到电力企业的高度重视，在输电线路巡检领域中扮演着日益重要的角色。国内关于无人机巡检研究的报道比较少，研究人员通过对飞行姿态控制系统等硬件平台开发和多传感器软硬件集成研究，利用无人机搭载高清相机和红外热像仪对线路进行拍摄，并通过人工分析视频和照片，甄别出主要的缺陷和隐患。
高压绝缘子暴露于大气中并长期工作在强电场、强机械应力、骤冷骤热、风吹雨打等恶劣环境中，因此绝缘子出现故障的概率很大，严重威胁电力系统的安全运行。虽然目前有很多高压绝缘子检测方法，如超声波检测法、红外测温法、电压分布法等，但基本仍然采用人工高空作业的传统检测方式，通过绝缘杆将检测仪的探头安放到绝缘子串上，对所有绝缘子逐片进行检测，这样才能检测到绝缘子的有关参数。这些工作存在着劳动强度大、危险性高、测量困难等问题。
移动机器人技术的发展为架空输电线路巡检和高压绝缘子检测提供了新的作业平台和检测方法。线路巡检机器人能够带电作业，以一定的速度沿输电线路爬行，并能跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹、杆塔等障碍，利用携带的检测装置对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具等实施近距离检测，代替人工进行电力线路的巡检工作，可以大幅提高巡线的工作效率和巡检精度。绝缘子串检测机器人通过携带的自动检测装置，可以准确检测每一片绝缘子的电阻值，测量准确率高，并能通过软件识别出已经漏电但尚未击穿的处于临界损坏的绝缘子。绝缘串检测机器人对低值或零值绝缘子能自动报警，提高了绝缘子检测的准确性，能及时发现不良绝缘子，为绝缘子更换及故障预警提供依据。因此，线路巡检机器人和绝缘子串检测机器人成为架空输电线路智能巡检技术研究的两个热点。
对架空输电线路智能巡检系统的功能需求主要包括如下几个方面。
（1）移动巡检能力。要求机构能实现滚动、蠕动、跨越和避让输电线路上的各种障碍物，并且末端执行器能够进行空间位置姿态的灵活调整，实现自主爬行和越障。
（2）负载携带能力。要求机构有一定的负载能力，便于安装各种检测仪器、信息传输设备，并与导线形成等势体，智能巡检硬件系统体积小、重量轻、功耗低、可靠性高，一次巡检时间足够长。
（3）状态识别与信息采集能力。智能巡检主要收集的信息至少应包括以下内容：①输电线路组件状态信息，包括导线、绝缘子、防振锤等，通过状态识别技术，判断输电线路组件是否处于异常状态或已经损坏；②线路走廊通道信息，根据沿线植物、建筑物、地上的运动物来判断其是否靠近架空导线而使输电线路处于危险状态；③发热与放电信息，可靠检测出局部放电或过热点。
1.2.3 无人机智能巡检需求
输电线路无人机智能巡检作为智能电网建设第二批试点工程之一，其内容为研究先进高效的输电线路智能巡检关键技术，主要包括开发小型化、模块化、标准化的机载巡检设备，实现机载智能巡检系统的集成化、低功耗、嵌入式，研发无人机飞行平台，研究无人机飞行控制、导航系统准度和精度控制技术，开发线路巡检实时数据分析诊断系统等，以提升无人机巡检的数字化、自动化和智能化水平，开发智能线路巡检系统，增强巡检系统的稳定性、安全性和经济性，为更大范围地推广无人机智能巡检积累经验。
输电线路巡检是一个较为精细的工作。智能巡检要求无人机能够部分替代人工巡检，并且比人工巡检的结果更加全面、精确、可靠。表1-1中列出了输电线路主要的巡检设备及缺陷类型。
由于部分重要检测对象（如紧固金具）体积较小，所以需要无人机平台搭载高清晰度巡检设备，在与输电线路一定距离的位置进行低速或悬停巡检，以获得巡检细节图片。巡检时，应采用无人直升机平台作为载体，安装机载照相机、机载摄像机、红外热像仪、通信设备对架空输电线路进行巡检，以及时发现线路的故障和隐患，并及时将检测数据传回地面控制中心，以便做出正确判断，及时排除线路故障。
1.2.4 电缆隧道智能巡检需求
架空输电线路进入隧道以及电缆隧道的网络化已经成为城市供电，尤其是现代化大型城市供电的特点和发展趋势。许多城市、大型发电厂和工矿企业相继采用地下电缆隧道传输电能，电力线路的架设、维护与建筑、交通空间的矛盾得到缓解，从而有效地改
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