220kV變電設(shè)備等電位帶電作業(yè)機(jī)器人

220kV變電設(shè)備等電位帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用目Contents錄02現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀03220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用01背景04項(xiàng)目典型成果05總結(jié)及展望《中國制造2025》和《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》文件部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，其中明確指出機(jī)器人發(fā)展為中國制造2025重點(diǎn)突破方向的一部分。2023年1月工信部《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動實(shí)施方案》指出，到2025年，制造業(yè)機(jī)器人密度較2020年實(shí)現(xiàn)翻番，特種機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用深度和廣度顯著提升。推動企業(yè)突破機(jī)器人高空、狹窄空間、強(qiáng)電磁場等復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動、感知、作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)。推廣機(jī)器人在光伏電站、樞紐變電站、重要換流站、主干電網(wǎng)、重要輸電通道等能源基礎(chǔ)設(shè)施場景應(yīng)用。推進(jìn)機(jī)器人與能源領(lǐng)域深度融合，助力構(gòu)建現(xiàn)代能源體系。1政策背景一、背景322.0836.9049.3901020304050根據(jù)2011年、2016年及2021年的 千億伏安60《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告》，近10年來，全國電網(wǎng)220kV及以上變電設(shè)備容量增長了123.69%，其中近5年的增長率為33.85%。日益增長的變電設(shè)備規(guī)模有效保障了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對能源電力的需求。2011-2021年中國220kV及以上變電容量2011年底2016年底2021年底24行業(yè)背景一、背景“十三五”期間，電網(wǎng)規(guī)模迎來了爆發(fā)式增長，而傳統(tǒng)的運(yùn)維檢修模式無法實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，運(yùn)檢資源分配隨意性較大，制約了運(yùn)檢效率的進(jìn)一步提高。通過機(jī)器人、人工智能技術(shù)等現(xiàn)代科技提升變電站運(yùn)檢智能化水平、提升設(shè)備可靠性、提高勞動生產(chǎn)率，對提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定和緩解人力資源緊張具有長遠(yuǎn)意義。提升設(shè)備智能運(yùn)檢水平降低生產(chǎn)運(yùn)營成本建成國際一流電網(wǎng)一、背景培養(yǎng)高技能水平運(yùn)檢團(tuán)隊(duì)25行業(yè)背景檢修內(nèi)容與應(yīng)用范圍受限臨時(shí)停電、陪同停電、零星停電較頻繁帶電作業(yè)安全隱患大，難以常態(tài)化開展

不適應(yīng)新形勢下的電網(wǎng)智能運(yùn)檢、安全帶電作業(yè)的需求，智能、安全帶電作業(yè)裝備的發(fā)展較為迫切。外絕緣積污停電清掃螺栓松動、過熱停電消缺母線設(shè)備檢修需母線陪停智能化帶電清掃、消缺需求輸變電傳統(tǒng)檢修模式與人工帶電作業(yè)方式：二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀6人工帶電作業(yè)現(xiàn)狀1220kV帶電水沖洗機(jī)器人（山東電力，2016年）二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀技術(shù)特點(diǎn)：履帶移動平臺，可在變電站道路、草地或礫石道路移動；絕緣伸縮臂裝置，保證機(jī)器人設(shè)備的絕緣性；純水清洗機(jī)制發(fā)生裝置，保證清洗過程絕緣性；無線遙控器，極大程度保證人身安全。7二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀2220kV單臂帶電作業(yè)機(jī)器人（山東電力，2016年）技術(shù)特點(diǎn)：由履帶式絕緣升降平臺、六自由度液壓機(jī)械臂、主控系統(tǒng)、帶電作業(yè)工具、手持式遙控器五部分組成；機(jī)械臂夾持絕緣工具作業(yè)模式，可擴(kuò)展搭載各類工具，RTV噴涂工具、干冰清洗工具等；定制化運(yùn)輸車輛，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)變電站到另一個(gè)變電站的運(yùn)輸。83220kV帶電水沖洗機(jī)器人（山東樂普韋爾，2016年）二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀技術(shù)特點(diǎn)：將移動平臺和絕緣部位進(jìn)行集成，可在變電站道路、草地或礫石路移動；去掉伸縮臂部分，大大減少設(shè)備本體體積（1.8*1.2*2m）；現(xiàn)場布置純水發(fā)生裝置，保證清洗過程絕緣性；活動式噴嘴，可對不同距離和高度的絕緣子設(shè)備進(jìn)行清洗。9技術(shù)特點(diǎn)：垂直升降式絕緣平臺；采用絕緣直線滑軌進(jìn)行清洗，滑軌可做左右及俯仰運(yùn)動；采用干冰機(jī)上置方案，避免干冰顆粒在管道內(nèi)的長距離輸送，有效保證干冰清洗效果；采用基于WIFI及無線藍(lán)牙技術(shù)的遙控技術(shù)。二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀410220kV干冰清洗機(jī)器人（華中電網(wǎng)、武漢大學(xué)，2017年）技術(shù)特點(diǎn)：履帶底盤+折疊臂式220kV絕緣平臺；旋轉(zhuǎn)式毛刷清洗工具；使用純機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)移動式傘裙清掃；采用遙控方式進(jìn)行無線控制。二、現(xiàn)有變電機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀5220kV絕緣子清掃機(jī)器人（南方電網(wǎng)，2020）水沖洗作業(yè)11近電位作業(yè)摘除異物傘裙清掃電壓等級高作業(yè)環(huán)境復(fù)雜作業(yè)空間狹小作業(yè)目標(biāo)作業(yè)強(qiáng)度大作業(yè)環(huán)境惡劣危險(xiǎn)系數(shù)高作業(yè)靈活作業(yè)效率高作業(yè)成本低絕緣子停電清洗三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用絕緣子帶電清洗機(jī)器人功能需求需完成斗臂車和機(jī)器人無線控制、絕緣子精確空間定位、干冰清洗作業(yè)等各流程。技術(shù)難點(diǎn)12強(qiáng)電磁場對信號干擾；絕緣子作業(yè)范圍??；絕緣子弱紋理，顏色不統(tǒng)一、背景復(fù)雜、環(huán)境光照不均勻；干冰易揮發(fā)等。1小型化數(shù)控絕緣載體升級改造對履帶式斗臂車進(jìn)行絕緣段電氣改裝，實(shí)現(xiàn)作業(yè)電壓等級有效提升（440kV/1min）；通過添加微控制器替代臂架閥驅(qū)動器，添加編碼器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動閉環(huán)檢測，通過無線數(shù)控模塊實(shí)現(xiàn)斗臂車遠(yuǎn)程通訊；通過運(yùn)動學(xué)解算、運(yùn)動規(guī)劃，最終可完成斗臂車的遠(yuǎn)程數(shù)字化控制。三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用斗臂車電氣及數(shù)字化改裝220kV絕緣載體性能檢測報(bào)告與泰開公司合作完成斗臂車升級改造142基于視覺的絕緣斗臂車空間引導(dǎo)三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用3.5m4.5m5.0m 6.0m不同距離下激光雷達(dá)定位絕緣子結(jié)果為實(shí)現(xiàn)該功能，首先獲取變電站絕緣子激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行點(diǎn)云降采樣處理，再根據(jù)模板庫進(jìn)行絕緣子定位，可獲取絕緣子空間坐標(biāo)，最后即可引導(dǎo)斗臂車運(yùn)動到絕緣子附近。基于激光雷達(dá)的絕緣斗臂車空間引導(dǎo)流程啟動三維激光雷達(dá)設(shè)置點(diǎn)云輸出角度點(diǎn)云降采樣基于聚類和模板匹配的絕緣子定位掃描并采集數(shù)據(jù)斗臂車逆運(yùn)動學(xué)解算及關(guān)節(jié)控制絕緣斗臂車空間引導(dǎo)示意圖15變電絕緣子自動識別技術(shù)深度學(xué)習(xí) 目標(biāo)檢測設(shè)備識別 缺陷識別顏色角點(diǎn)紋理形狀候選區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)分類回歸網(wǎng)絡(luò)

輸出輸入圖像特征提取網(wǎng)絡(luò)桿塔絕緣子傘裙底層視覺特征高層語義特征216基于視覺的絕緣斗臂車空間引導(dǎo)三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用基于視覺的絕緣子自動跟蹤檢測技術(shù)（1）基于雙目視覺和激光掃描的絕緣子三維重建技術(shù)相機(jī)1相機(jī)2激光發(fā)生器電機(jī)目標(biāo)計(jì)算機(jī)基于雙目視覺和線激光的三維重建技術(shù) 三維重建系統(tǒng)實(shí)物圖采用RGB-D傳感器對1m左右環(huán)境三維重建的誤差在±3mm以內(nèi)，具有較高的精度和穩(wěn)定性三維重構(gòu)技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)變電站場景的實(shí)時(shí)三維重建，并可用于絕緣子目標(biāo)的粗定位功能三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用3復(fù)雜環(huán)境下絕緣子高精度三維重建及定位技術(shù)目標(biāo)RGB圖目標(biāo)深度圖17(1)激光創(chuàng)建(2)雙目灰度圖像獲取(3)幀差法提取激光(5)立體匹配與三維重建(6)圖像對齊與彩色化(4)線激光精確定位（1）基于雙目視覺和激光掃描的絕緣子三維重建技術(shù)XuJian,XinChen*,WenpengHe,XuanGong.Outdoor3Dreconstructionmethodbasedonmulti-linelaserandbinocularvision[J].IFAC-PapersOnLine,2020,53(2):9554–9559.三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用318復(fù)雜環(huán)境下絕緣子高精度三維重建及定位技術(shù)基于深度水平直方圖的絕緣子傘裙精定位方法（2）絕緣子粗定位（3）傾角計(jì)算及傾斜矯正（5）傘裙分割和關(guān)鍵點(diǎn)定位定位結(jié)果可視化（4）深度水平直方圖特征獲取及預(yù)處理（1）RGB-D圖像獲取JinbinLi,XuJian,JunChen,etal.PrecisePositioningMethodforInsulatorShedsBasedonDepthHorizontalHistogram.JournalofAccess,Vol.10,pp:59522-59533,2022.三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用絕緣子傘裙間距測量誤差率小于±3mm319復(fù)雜環(huán)境下絕緣子高精度三維重建及定位技術(shù)4機(jī)器人平臺強(qiáng)電磁屏蔽技術(shù)機(jī)器人采取多層組合強(qiáng)電磁屏蔽技術(shù)，攻克了等電位作業(yè)下，強(qiáng)電磁場對機(jī)械臂及控制系統(tǒng)干擾的屏蔽難題，可耐受145kV（252/√3）電弧并穩(wěn)定、可靠執(zhí)行等電位帶電作業(yè)任務(wù)；相比機(jī)械臂抓持絕緣桿作業(yè)法（持重5-7kg），本等電位方式更直接高效、負(fù)載更大（持重7-10kg）；相比國內(nèi)外現(xiàn)有帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，本等電位帶電作業(yè)機(jī)器人在作業(yè)電壓等級、作業(yè)精度、作業(yè)模式上實(shí)現(xiàn)了全面革新，具有明顯優(yōu)勢。145kV下機(jī)械臂耐電弧測試三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用205干冰清洗系統(tǒng)及工裝設(shè)計(jì)三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用干冰顆粒經(jīng)過高速空氣運(yùn)輸后，撞擊到污垢表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊效果；-78.5℃的顆粒撞擊后瞬間升華，產(chǎn)生大幅度溫差，使得污垢脆化、裂化；撞擊后，干冰變成二氧化碳?xì)怏w體積瞬時(shí)膨脹800倍左右，將污垢從被清洗表面帶走，達(dá)到清洗目的。干冰清洗機(jī)理車載式空壓機(jī)干冰機(jī)絕緣子干冰清洗工裝干冰清洗系統(tǒng)架構(gòu)絕緣子清掃215干冰清洗系統(tǒng)及工裝設(shè)計(jì)三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用流量越大，干冰清洗效果越好。干冰清洗工裝設(shè)計(jì)為驗(yàn)證不同流量、不同角度、不同距離干冰清洗效果，進(jìn)行了系列化干冰清洗工裝設(shè)計(jì)；大量試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，干冰可實(shí)現(xiàn)絕緣子表面頑固污垢的有效去除，同時(shí)，噴嘴數(shù)量越少、旋轉(zhuǎn)式噴嘴22絕緣子清洗效果八噴嘴六噴嘴四噴嘴二噴嘴自動化作業(yè)流程特性機(jī)器人自動化作業(yè)一鍵作業(yè)校核模式操作閉鎖信號閉鎖操作互斥應(yīng)急控制模式遠(yuǎn)程控制效果三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用6機(jī)器人遠(yuǎn)程自動化控制機(jī)器人遠(yuǎn)程控制架構(gòu)23針對110-220kV變電站絕緣子污穢清洗需求，研制了一套絕緣子帶電干冰清掃工裝系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)絕緣子的有效清洗作業(yè)；針對變電站空間狹小的問題，研制了一臺小型化帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)上平臺，可實(shí)現(xiàn)“一鍵式”作業(yè)。實(shí)驗(yàn)室模擬應(yīng)用三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用“一鍵式”自動化作業(yè)效果24針對110-220kV變電站絕緣子污穢清洗需求，研制了一套絕緣子帶電干冰清掃工裝系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)絕緣子的有效清洗作業(yè)；針對變電站空間狹小的問題，研制了一臺小型化帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)上平臺，可實(shí)現(xiàn)“一鍵式”作業(yè)；針對人工控制斗臂車存在風(fēng)險(xiǎn)、控制低效的問題，進(jìn)行220kV數(shù)控絕緣斗臂車研制，通過手持終端控制可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與斗臂車的遠(yuǎn)程數(shù)字化聯(lián)動控制?，F(xiàn)場應(yīng)用25三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用三、220kV帶電作業(yè)機(jī)器人研制及應(yīng)用26現(xiàn)場應(yīng)用220kV絕緣子干冰清洗帶電作業(yè)機(jī)器人（應(yīng)用單位：荊門公司）第二代機(jī)器人（2022年5月）10kV配網(wǎng)帶電接引線機(jī)器人（應(yīng)用單位：武漢公司）第三代機(jī)器人（2022年6月）成果情況四、項(xiàng)目典型成果110kV變電設(shè)備帶電作業(yè)機(jī)器人（應(yīng)用單位：黃石公司）第一代機(jī)器人（2019年9月）27本機(jī)器人是國內(nèi)首臺110kV高壓設(shè)備等電位帶電作業(yè)智能機(jī)器人，可在變電站內(nèi)復(fù)雜工況、強(qiáng)電磁環(huán)境下實(shí)施絕緣子清掃、線夾螺栓鎖/卸、引線拆/裝等多類帶電作業(yè)任務(wù)；將一線作業(yè)人員與高壓、高空、高危作業(yè)環(huán)境完全隔離，減輕勞動強(qiáng)度并最大限度的保證人身安全；有利于豐富變電設(shè)備帶電檢修手段，提高變電設(shè)備的機(jī)械化、自動化、智能化運(yùn)維水平，保障設(shè)備與電網(wǎng)安全。110kV高壓設(shè)備等電位帶電作業(yè)智能機(jī)器人(1)110kV變電設(shè)備帶電作業(yè)機(jī)器人機(jī)器人實(shí)物視頻四、項(xiàng)目典型成果28(2)10kV配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人研制了湖北首臺10kV配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人，可進(jìn)入配網(wǎng)現(xiàn)場開展等電位帶電接引線作業(yè)任務(wù)；研究了基于非結(jié)構(gòu)化對象高精度三維感知技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主線、引線高精度空間定位，引導(dǎo)機(jī)械臂進(jìn)行自適應(yīng)作業(yè)；設(shè)計(jì)了機(jī)器人用成套作業(yè)工器具：藍(lán)激光非接觸式剝線工具具有不傷導(dǎo)線、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并可有效剝除現(xiàn)有機(jī)械剝線工具難以剝除的屏蔽層；抓線、壓線一體化工裝使用現(xiàn)場線夾進(jìn)行作業(yè)，更具通用性與推廣性；10kV配網(wǎng)接引線帶電作業(yè)應(yīng)用四、項(xiàng)目典型成果29項(xiàng)目創(chuàng)新成果開發(fā)了帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、操控軟件、APP；通過絕緣、電磁兼容、力學(xué)、精度等完成第三方性能試驗(yàn)11項(xiàng)；申請發(fā)明專利10項(xiàng)，實(shí)用新型專利9項(xiàng)；發(fā)表SCI論文2篇、EI論文7篇、核心期刊論文3篇；制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)。四、項(xiàng)目典型成果1總結(jié)220kV等級變電機(jī)器人已逐步趨向成熟。通過引入強(qiáng)電磁屏蔽、多自由度機(jī)械臂控制、遠(yuǎn)程人機(jī)交互等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變電帶電作業(yè)機(jī)器人電壓等級、控制精度和作業(yè)穩(wěn)定性的持續(xù)提升。機(jī)器人視覺感知系