配网带电作业机器人技术发展现状述评

配网带电作业机器人技术发展现状述评刘一涵;纪坤华;傅晓飞;司文荣;任辉【摘要】在社会经济发展水平及科技水平高速发展的今天，整个社会对电力系统可靠、稳定运行的要求越来越高.配网环节作为电力系统的关键组成部分，配网检修及新入网等工作需要不同程度的计划或临时停电来完成.随着技术的进步，如果能在配网环节实现不停电检修或者新入网等作业，那么对于提高电力供应的稳定性有着至关重要的意义.首先综述了国内外配网带电作业的发展历史及现状，并简要分析了传统带电作业的缺点，陈述了国内外针对配电线路的带电作业机器人技术的发展现状及各个时期机器人的特点，并针对当前带电作业机器人设计及应用的一些问题，介绍了新一代应用与国网上海市电力公司的带电作业机器人解决方案.【期刊名称】《电力与能源》【年(卷)，期】2019(040)004【总页数】7页(P446-451,470)【关键词】配电线路滞电作业;机器人【作者】刘一涵;纪坤华;傅晓飞;司文荣;任辉【作者单位】国网上海市电力公司，上海200122;国网上海市电力公司，上海200122;国网上海市电力公司，上海200122;华东电力试验研究院有限公司，上海200437;亿嘉和科技股份有限公司，江苏南京210041【正文语种】中文［中图分类】TM随着经济建设的不断发展，整个社会对电力供应的稳定性要求越来越高，为了更好服务于当前的经济建设，配网带电作业成了必不可少的环节。配网带电作业基本停留于人工操作的模式，鉴于当前技术的不断发展，特别是在传感器及机器人控制技术大力发展的当下，机器人已在众多高危领域替代人工完成了大量工作任务，而配网带电作业作为一项安全隐患较大的工作，选用配网带电作业机器人替代人去完成相应的作业任务成为了一种新的选择。1配网带电作业发展历史及现状配电网络系统作为就地或者逐级向各类用户提供和输送电能的平台，在供电质量环节至关重要。目前用户停电原因主要为配电网的网络改造、业扩接电、计划检修等，为了保护人员及设备的安全，电网公司不得不安排计划停电来对电力网络进行检修和升级。如果能有条件实施不停电作业，就可以有效减少用户停电时间，确保用户稳定用电，有效提升供电稳定性。配网带电作业指作业人员直接接触带电配电线路或设备的作业或作业人员利用专用作业工具、装置在带电配电线路或设备上的作业，实现不停电对配电线路或设备进行检修等的一种作业方式。1.1国外概况前苏联在20世纪30年代便已经实现了对输电线路进行首次带电作业试验［1］。另外，等电位带电检修方法也在20世纪40年代在220kV及以下电压等级线路中得到了应用，并随着后期技术的积累逐步开始了推广应用。随着电力输送技术的成熟，在建成330~750kV线路后，输电线路有了更高的经济性，为了提升运行的可靠性，带电作业成为了输配电环节工作的重点，带电作业的需求进一步提高。从20世纪50年代开始，美国分别在345、500kV及765kV等超高压线路上陆续尝试进行了带电作业，从一开始的地电位作业方式发展到后来的等电位作业方法。目前，美国的带电作业工作已经得到了广泛开展应用，涉及765kV及以下各电压等级的线路［2］；从1962年开始，日本便开展了带电作业，从220kV输电线路，经过逐年的技术积累与发展，最终实现了500kV超高压输电线路的带电作业应用［3］。目前，以美国、法国以及加拿大等为代表的一些欧美发达国家，广泛开始采用绝缘斗臂车作业方式进行输电线路带电作业［1，4-5］。美国和加拿大等国家已经研制成功了能应用于765kV输电线路带电检修工作的绝缘斗臂车并进行了实际的检修工作，美国后续还研制了进行单相和三相导线的带电更换的绝缘机械臂，可用于导线支撑。在带电水冲洗装置的研究应用方面，日本研制的用于对输电线路绝缘子串进行清扫的清洗工具有40多种。此外，很多发达国家以直升机作为工作平台，对输电线路绝缘子进行带电水冲洗工作。针对导线间隔棒的更换、导线修补等带电作业任务，诸如美国、澳大利亚等国家更是利用直升机来完成，并在输电线路带电检修及消缺中成为了常用手段之一［6］。1.2国内概况在20世纪50年代，以6.6-10kV的配电系统为切入点，我国的带电作业研究开始起步［7］。在1953年，鞍山市电业局开始了对带电清扫、更换和拆装配电相关设备及引线等简单工具的研究工作。在1954年，采用木棒制作的工具完成了3.3kV配电线路不停电更换横担、木杆和瓷瓶的作业，也是第一次实现带电作业。我国第一部具有指导性的带电作业规程《高压架空线路不停电检修安全工作规程》在1960年5月出版，该书的出版标志着我国带电作业从规程指导及实际操作上已步入正规。在后来的几十年，国家电网公司组织了多次关于带电作业的技术论证、研讨及实操比赛，对我国带电作业的技术水平和操作水平带来了极大提升。在有关部门的重视、大力支持下，即便我国在带电作业技术领域起步较晚，但是近年来却得到了迅猛发展，已经对各种带电作业工具实现了自主的研发，并进行了批量化的生产。但近些年国外对一些具备较高自动化水平的设备有了很多研究，但国内目前还是主要依托于人工操作。从国内夕卜配网带电作业的发展来看，配网系统的带电作业方式都是人工带电作业。在作业过程中，操作人员要时刻位于高空、高电压、高电场的环境中，劳动强度大、精神紧张,容易引发人身伤亡及设备安全事故。为了改善这种作业不安全的状况，考虑到当前技术水平，从带电作业的工器具上着手,研制出一些作业方便、灵活、安全可靠的自动化或半自动化的带电作业工器具是一种比较现实的一种做法。就目前技术情况来看，使用具有较高智能化水平的带电作业机器人来完成传统的带电作业工作是未来的主要发展方向，利用带电作业机器人不仅保证了操作人员的人身安全而且大大降低了劳动强度、提高了劳动效率和操作的规范性。2带电作业机器人技术发展现状带电作业机器人指的是利用机械手臂结合末端工具来实现在带电线路或设备上进行不停电检修、测试的一种机器设备，其对电网稳定运行，确保稳定供电具有极其重要的意义。带电作业机器人是由传感器技术、图像处理技术、结构设计、特种材料、计算机控制等多领域技术交叉的综合系统，主要由执行机构、绝缘机构、传感系统、动力系统、控制系统等组成［7］。鉴于目前主网作业都是计划性的作业，配网侧由于临时性的检修、维护等需求较多，因此目前针对带电作业机器人的研究主要集中于配网。2.1国外概况国外对带电作业机器人的研究起步较早，而在20世纪80年代，日本便已经开始了对相关技术的研究［8-9］。到目前为止，日本高空高压带电作业机器人研究已经进入第三代（PhaseIII，研究计划为1997—2006年）。到1993年仅日本九州地区就已经有85个带电作业机器人在现场工作。美国、加拿大也是在20世纪80年代中期开展了高空带电作业机械手的研究［9-15］。从国夕卜带电作业机器人的发展历程来看，带电作业机器人可以分为三代产品。第一代：主从控制机器人。该类型的机器人由固定在绝缘斗臂里面的两个六自由度的机械臂的从机械手组成。使用时，带电作业专用车辆将操作者和机器人一起送到需带电作业的线路附近，操作人员通过控制机械臂来完成作业任务，如图1(a)所示。该控制形式在日本、美国等国家应用比较广泛。图1国夕卜带电操作机器人第二代：半自主机器人。操作人员站在地面对通过升降装置抬高到线路附近的安置在绝缘斗臂里面的两个机械臂进行控制来实现作业任务。在这一阶段中，视觉定位和激光测距技术在两个机械臂上得到了应用，可以便于操作人员对故障点进行定位分析，从而进行准确控制，如图1(b)所示。第三代：全自主机器人。具备相应的传感器对环境进行三维建模及定位，能够自主实现自身运动的决策规划，从而实现更精确的控制，是一种智能化程度较高的机器人，目前该款机器人的研制和应用还需要一定的时间，如图1(c)所示。2.2国内概况当前国内已有多个企业及研究机构研究配网带电作业机器人，并在近几年来取得了较丰硕的研究成果［7,16］。虽然国外带电作业机器人技术先进并已部分投入实际应用，但由于存在以下问题而无法在国内推广使用。由于各国高压输电线路制式、高压电器设备的机械结构及安装方式等存在差异，国外卜产品不能直接应用于我国高压电路作业。国外厂家在带电作业机器人关键核心技术方面对我国严格封锁保密。基于国家安全、政治等考虑，在一些关键和特殊敏感区域，国外产品不便也不能使用。20世纪90年代初，我国多个电力部门和科研单位就提出研制带电作业机器人，但由于当时许多条件不具备，该项技术研究未能进一步开展。随着科技的发展，以及人们对配电可靠性和带电作业安全性要求的不断提高，研发具有我国自主知识产权的带电作业机器人的条件逐步成熟。山东电力研究院、山东鲁能智能技术公司是国内较早开展高压带电作业机器人研制的单位［17-18］，最初研制的带电作业机器人通过手持终端控制机械手进行作业，操控性较弱；进一步改进后，操作人员可通过主手和键盘控制机械臂运动，实现主从式控制，但是由于机械臂采用电机驱动，控制柜内接线复杂，并且从机械臂末端不能承受较大的负荷，同时由于机械手自身质量大，不适合安装在绝缘斗臂车上进行高空作业。目前在研的带电作业机器人采用两个液压机械臂，具有自重轻，持重大的特点。但由于机械臂无力反馈功能，操作者无法感知作业环境，机器人的作业内容与作业效率受到很大限制。同时，因双臂协调控制等方面的功能尚不完善，还不能自主地完成精细复杂的工作，未能真正实现工程化应用。山东鲁能智能技术有限公司及山东省电力科学研究院对高压带电作业机器人的研究起步较早。从20个世纪末开始，经过近二十年的研究历程，其研发的带电作业机器人目前已经迭代三代。第一代：通过对手持终端进行操作，从而实现对以两台日本MOTOMAN机械臂为主体的从机械手的控制，并完成后续作业任务，如图2所示。由于技术原因，该款机器仅可以实现由操作人员通过在终端设备录入相关的运动程序来实现简单的运动，并具备一些简单的示教功能。因为技术条件原因，该设备的控制柜体积大，搬运不便，并不适用于高空作业环境，且因为机械臂的控制系统不对外开放，存在局限，不能实现主从控制模式。图2国内第一代带电操作机器人表1国内外卜产品功能对比表国家时间产品阶段控制模式功能特点日本1984-1989第一代主从模式斗内的操作者通过主从操作模式进行带电作业1993第二代遥操作在地面的作业仓中远程遥控进行配网带电作业未面世第三代全自动全自动作业法国1990-1992第一代主从模式样机研制阶段，无成品西班牙20世纪90年代第一代主从模式增加了遥操作功能美国20世纪90年代第二代遥操作49kV以下电压等级的配电网检修,末端配有传感器中国20世纪90年代第一代示教操作系统闭塞，几乎无实用价值1999—2012第二代主从模式双机械臂作业，用于10kV及以下的配电网络;主体结构主要由国外引进第二代：可以通过控制面板或操纵杆进行对机械手的控制，实现作业任务，该款机器人为主从控制模式，如图3所示。值得关注的是，该款机器人采用的六自由度机械臂是由哈尔滨工业大学自主研制的，受制于机械臂的驱动方式，采用电机驱动。虽然该款机器人实现了主从控制，但内部控制柜接线复杂，使得机械臂末端承受负载能力较弱，存在局限。图3国内第二代带电操作机器人第三代：利用在拓扑机构上属于同构机械结构的主机械手、从机械手，以主机械手为主体，从机械手跟随其进行相应运动的主从控制模式。采用电机驱动模式，便于操作的主机械手，并且配合末端能承受较大负载，绝缘性能高，利用液压驱动的从机械手，使得机器人带电作业的稳定性得到了极大提高，也使得操作人员的安全性得到了保障，远离了高电压、强磁场的作业环境，如图4所示。图4国内第三代带电操作机器人目前，针对带电作业机器人的研制及应用，国内较国外还有较大的差异，如表1所示。3存在问题及发展方向当前已有的配网带电作业机器人存在整体较笨重，完全依赖于操作员操作，末端执行机构基本为开环控制等问题，难以适应更加复杂的应用场所，对于实际应用及规模推广造成了很大影响。3.1存在问题目前国内外卜带电作业机器人主要采用两种模式：①绝缘斗内配置操作人员与机械臂，被升降机构抬高到架空线路旁通过对机械臂进行操作从而完成带电作业；②操作人员在地面，机械臂由升降机构抬升到作业点，操作人员通过终端对现场进行观察并对机械臂进行操控，从而实现带电作业任务。第一种操作模式中操作人员仍旧处于接近架空线位置，触电风险仍然存在，因此当下的研发重心还是集中于第二种模式，通过操作人员遥控操作空中机械臂完成带电作业。第二种模式中操作人员会因遮挡关系、监视器等问题而无法直观准确获取现场信息，通过摄像头查看到的信息也会造成很多三维信息的丢失，使得目前操作人员在进行遥控操作时效率低下，该模式存有一定的误操作风险［19-20］。结合当前带电作业机器人国内外发展的现状和趋势来看，带电作业机器人在实际应用方面还有以下几个关键问题需要解决，如表2所示。表2带电作业机器人在实际应用方面的几个关键问题序号名称关键问题绝缘安全防护在高压线路或设备的带电作业中，机器人在操作失误或机器人故障时也要有一定的防护措施来保障电网及人员的绝对安全。在不同的气候条件下，绝缘防护水平也要求不被破坏或造成隐患带电作业工具不统一带电作业因为作业环境多样且复杂,需要各类工具来满足作业需求，但市面上的工具接口和形状各异，使得机器人工具的快速更换要求无法满足。为了进一步提高带电作业效率,减少作业成本，满足机器人应用要求，设计系列化、标准化的作业工具显得尤为重要机器人入网规范及操作标准体系建设目前在入网规则及相关操作标准体系建设方面几乎为空白。为了更好、更安全的利用机器人进行相关作业,保障人员及设备安全，需尽快落实带电作业机器人相关的规章制度及流程体系建设3.2发展方向由于带电作业机器人具备集成度高，应用可靠性要求高等特点，结合当前带电作业机器人技术发展及应用场景要求来看，目前带电作业机器人发展主要有以下几个要求［1，21］。安全性。高压带电作业机器人需要有足够安全的防护装备，以此来保障机器人在进行相关操作时能够有足够的安全性。并且要求带电作业机器人在其他任何情况下发生意外故障时，能够保证操作人员的人身安全，减少作业时带来的不必要损失。适应性。高压带电作业的环境比较复杂，而且具体的作业目标比较繁多，使机器人必须具有一定的适应性。通用性。一般来说，带电作业机器人有明显的机械化特点。因此，在发展的过程中需要注意其通用性，让该工具能够有其他用途，从而体现出带电作业机器人的通用性。总而言之，带电作业机器人需具有安全性、适应性、通用性等特点，运用这些特点，在最大程度上助力带电作业工作开展，以此来提高带电作业的质量和安全性。在充分考虑了现阶段带电作业机器人存在的问题和今后实际生产中可能发生的需求，以及考虑发展现状及趋势后，国网上海市电力公司协同亿嘉和科技股份有限公司在2018年着手研究新一代配网带电作业机器人(如图5所示)。该机器人可支持遥控操作、自主操作等多种操作模式，不需要人接近操作设备；采用4级绝缘设计，能够有效保证设备与作业人员安全；针对不同的操作对象，设计不同的可快速更换操作工具，系统能够高效完成工具更换；操作机械臂末端采用视觉伺服，能够精确控制操作，避免线缆受伤破损；后台系统支持一键急停，能够三维显示当前机器人工作状态，便于操作人员实时做出判断。机器人整体由操作执行机构、决策控制系统、人机交互系统、绝缘系统和动力系统等组成。该款机器人主要参数如下：质量约120kg；尺寸800mmx600mmx2300mm；末端定位精度±0.03mm；有效负载5kg(支持多种工具，可自主切换)；通信方式为无线；控制方式为遥操作、自主控制。图5上海新一代带电作业机器人该款机器人目前已在上海市完成了10kV带电搭接线全流程工作，包括机械臂自主路径规划，自动完成剥线、刷线、抓引线、穿线、夹线、紧固、绝缘等流程。此外，当前国网上海市电力公司已经开始启动关于带电作业机器人的入网规范及操作标准体系建设工作，以期能够尽快将带电作业机器人产业化。在机器人本体技术研发方面，下阶段将重点进行视觉传感技术融合，实现基于激光和图像的高精度环境建模，完成自主3D建模，优化机械臂轨迹规划与避碰、增加夹具种类扩展带电作业种类等工作。4结语相比于国外，我国在配网带电作业方面虽然起步较晚，但目前总体发展水平较好，特别是在利用机器人进行相关带电作业方面，国网上海市电力公司新一代产品已完成了实际操作应用。相比目前国内外已有的技术，国网上海市电力公司最新款机器人采用多级绝缘设计，有效保障了机器人和设备的绝缘安全性；操作方式也由传统的人站在斗臂车上控制机械臂转变为远程操控加机械臂末端执行机构视觉伺服闭环自动决策控制的方式，极大地保障了操作的可靠性；得益于双臂协调控制技术及统一的操作器具接口设计，可有效地提升操作效率，保障应用场景多元化。但也要看到，目前由于带电作业机器人自身较重，实际应用严重依赖于绝缘斗臂车，导致很多场景无法到达，并且机器人受到研究开发时间较短、应用经验不足等因素影响，在自身设计及应用方式上面还需进一步加大研究力度。参考文献：【相关文献】李天友.配电不停电作业技术发展综述[J].供用电，2015(5):6-8.LITianyou.Areviewofthedevelopmentofnon-serviceinterruptionworkingtechnologyindistributionnetwork[J].Distribution&Utilization,2015(5):6-8.TakaokaK,YokoyamaK,WakisakoH,etal.Developmentofthefully-automaticlive-linemaintenancerobotPhase-III[C]//AssemblyandTaskPlanning,2001,ProceedingsoftheIEEEInternationalSymposiumon.IEEE,2001:423-428.Nakashima,Yakabe,Maruyama.Developmentofsemi-automatichot-lineworkrobotsystemPhase-II[J].(P.154,No.227,Vol.59)TechnicalreportofYASKAWAELECTRICCORPORATION.刘庭，唐盼，周炳凌，等.500kV线路绝缘斗臂车带电作业安全距离试验[J].高电压技术，2016，42⑺：2315-2321.LIUTing,TANGPan,ZHOUBingting,etal.ExperimentResearchofMinimumApproachDistanceforLiveWorkingUsedof500kVInsulatedAerialVehicles[J].HighVoltageEngineering，2016,42⑺：2315-2321.苗俊杰，阮鹏程，范文菁，等.复杂线路环境下带电作业机器人绝缘系统的研究[A].超重运输机械，2017(3):62-63.刘阳.对输配电线路带电作业技术发展趋势的探讨[J].科技致富向导,2014(32):187.王凯军，应鸿，鲁守银，等.高压带电作业机器人的开发背景及展望[J].浙江：浙江电力，2005(6)：15-16.SAWADAJ,KUSUMOTOK,MAIKAWAY,etal.AMobileRobotforInspectionofPowerTransmissionLines[J].IEEETransonPowerDelibery,1991,6(1):309-315.NAKASHIMAM,YANOK,MARUYAMAY,etal.TheHotLineWorkRobotSystem"PhaseII"andItsHuman-robotInterface"Mos"[J].In:ProcessoftheIEEE/RSJInterConferonIntelligentRobotsandSystems,Vol2.1995.116-123.L.F.PENIN,R.ARACIL,M.FERRE.Teleroboticsystemforlivepowerlinesmaintenance:ROBTET.Proceedingof1998[J].IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.SANTAMARIAA,ARACILR,TUDURIA,etal.TeleoperatedRobotsforLivePowerLinesMaintenance[C]//Proceedingsofthe14thInternationalConferenceandExhibitiononElectricityDistribution.Washington:IEEEPress,1997:3.31.1-3.31.5.UDODE,MOLCHANOVV,TALOVERYAV,etal.AutomatedApparatusforLiveWorkonOverheadTransmissionLines[C]//Proceedingsof1998InternationalConferenceonTransmissionandDistributionConstructionandLiveLineMaintenance.Washington:IEEEPress,1998:19-26.ZAREI-NIAK,SEPEHRIN,OLSONT,etal.Haptic-EnabledControlofHydraulicManipulatorsAppliedtoPowerLineMaintenance:Concept&Implementation[C]//Proceedingsofthe1stInternationalConferenceonAppliedRoboticsforthePowerIndustry