基于多机协同的空间机器人变电站自动化巡检系统

研发及示范应用

  完成单位：南方电网电力科技股份有限公司

  主要完成人：陈凯旋、蔡杨华、熊智、王冠、易琳、吴昊、麦晓明、鲁虹、张晓晔

一、研发背景

近年来，无人机以其能够代替人工完成复杂危险作业任务的优势在我国飞速发展， 已经普及在电力巡检领域。然而，无人机受限于电动力能源的供电能力，导致无人机的续航时间较短，作业周转率比较高。而续航能力是评价无人机性能的重要指标，若是采用人力更换电池来保证续航时间，则需要无人机多次返航，也会增加维护成本和人力成本，而且电力巡检作业环境的保护措施简陋，充电过程仍然存在一定的风险。针对无人机在电力巡检过程中存在的上述问题，亟需研究一种能为无人机进行补充电能且可存放的智能设备，延长无人机的续航能力，使其更能适应电力巡检作业环境的要求，保证全天候作业，无人机自动充电机库应运而生。

二、发明团队介绍

南网科技机器人事业部发明团队是国内最早的无人机电力线路全自动巡检技术团队之一，入选了广东省委组织部重大人才工程“广东特支计划”本土创新创业团队。南网科技机器人事业部发明团队掌握硬核科技，引领行业标准，目前团队拥有省部级奖励10余项，在5个核心领域16项关键技术拥有国家发明专利100余项，主编参编国标行标10余项，相关核心技术经院士团队鉴定国际领先，引领行业发展，技术和产品在全行业应用。通过多年辛勤耕耘，南网科技机器人事业部发明团队取得了通用航空经营许可证，并于2020年被广东省科学技术厅评为广东省特殊行业特种机器人工程技术研究中心，受到社会广泛认可，成为行业典范。

现阶段，南网科技机器人事业部发明团队在机器人及无人机领域面向陆地巡检、空域巡检、带电作业的智能化需求，分别研制了陆地巡检机器人、智能巡检无人机、带电作业机器人三大系列产品。陆地巡检机器人通过在自主研发的机器人本体上搭载可见光摄像机、红外热像仪、局放检测仪等检测设备，采用自主或遥控的操作方式，实现对变电站、配电站、隧道管廊等场站设备环境的全天候、全方位、全自主的陆上智能巡检、监控及分析；智能巡检无人机在电力特种无人机上搭载可见光、红外、激光雷达等传感器，通过自主研发的“慧眼”无人机全自动巡检系统对无人机进行集群控制，实现输电、变电、配电等设备及环境的立体化、全方位、不间断巡检、诊断及辅助作业；带电作业机器人通过在自主研发的多自由度柔性机械臂上搭载特种作业工具，实现机器替人登高开展 10kV 配网线路带电作业任务，提升电网作业智能化水平，免除人员登高及带电作业人身安全风险，提高生产效率和供电可靠性。在无人机的应用上，南网科技机器人事业部发明团队取得了行业的领先地位，创立了大型无人机在输电线的全自动巡检模式，在省级电网首次开展大型无人机规模巡检应用，助力广东电网率先实现输电、变电、配电无人机巡检全覆盖及数字化转型升级。

三、成果简介

无人机自动机场是无人机自动运行的基础设施，为无人机提供起降场地、存放、续电、数据传输、接入智能巡检平台等条件。无人机自动机场采用顶部对向双开门式结构，能够适配不同品牌小型无人机的存放需求，可为无人机创造全天候恒温、恒湿的存放空间；采用先进的AR-Tag（增强现实标签）降落引导系统、回中夹持机构和智能续电模块，可实现无人机的精准降落、快速续电。具有独立的环境监测系统自动判断试飞条件，保障作业安全。无人机自动机场架构如图1所示。

图1 无人机自动机场架构图

无人机自动机场关键技术由三部分组成，即自动续电技术、精准导航降落技术、响应多机协同和集群式巡检管控技术。其中，自动续电技术是通过基于充电回中杆的无人机电池自动充电技术，实现无人机的“无限续航”和“蛙跳式”巡检，解决无人机续航时间短、依赖飞手、资源孤岛等问题；精准导航降落技术是基于多级视觉标识图像识别技术和分段式反馈控制方法，实时控制返航无人机精准降落在起降平台上，解决现有惯性导航、卫星导航、多普勒导航等无人机多种降落定位方法普遍存在定位精度低、抗干扰性差和稳定性低等问题，保证无人机可安全、稳定返回机场；而响应多机协同和集群式巡检管控技术是基于空间离散点的航线规划及动态拼接技术及群体无人机巡检优化调度的动态多目标优化技术，实现无人机作业航线或巡视目标点位的区位覆盖，构建全天候、全天时的智能、安全、高效多机协同调度体系，解决无人机巡检智能化程度低、依靠人工操作等问题，从而实现输电、变电、配电无人机网格化集群式自主巡检作业。

四、成果转化情况介绍

2021年8月以来，无人机自动机库在广东电网公司广州供电局、韶关供电局、清远供电局等多个地市供电局开展试点应用，取得了良好效果。截至2022年9月30日全广东省共部署无人机自动机库逾1600个，无人机年均飞行约20万架次。无人机自动机库采用自动续电技术在无人机自动化巡检电量不足时，能给无人机自动续电，突破无人机续航能力的限制。无人机自动机库的推广应用，实现了无人机巡检任务远程下发、无人机巡检任务自动执行、巡检过程实时监控、巡检成果数据自动回传等功能，从而实现电网设备的自动化巡检。同时，无人机自动机库改变传统输、变、配三大专业的巡检方式，弥补当前电力设备常规巡检巡视不到位、存在巡检死角的不足，同时打通作业现场和后台管控系统的数据交互，实现高频次、全自动、立体化巡检，对巡检计划、巡检任务、巡检数据及成果等的管理。

五、经济效益与社会效益介绍

通过部署无人机自动机库，巡检人员可从事产值更高的工作，具有显著的经济效益。以变电站巡检为例，常规日常巡检需要人员2名，人工成本20万元/人•年，应用单台套无人机自动机库巡检后，每座变电站每年可节省人工费用：20×2=40万元；按照当前部署规模，2021年8月至2022年9月已为广东电网公司实现节支超过6亿元。

无人机自动机库可实现无人值守化的无人机自动巡检工作，从而有效发现设备缺陷，减少因设备故障和紧急缺陷处理导致的停电，为运维人员减负，实现巨大的社会效益。