上浮下潜、水平巡航，准确游动识别内部放电缺陷……7月20日，在国网天津市电力公司变压器检修基地中，天津电科院科研人员使用一个像鱼一样的机器人检测大型油浸式变压器内部状态。这个被称为“机器鱼”的设备在变压器矿物绝缘油中，可以准确、快速地识别、检测出大型变压器内部碳痕、电树枝放电等典型缺陷，并实时回传清晰的画面。
“机器鱼”是国网天津电力自主研发的变压器内部检修智能机器人，具备图像自主识别、空间自主定位、三维路径规划、下潜深度悬停等功能。前不久，“机器鱼”通过了由国内变压器行业专家开展的性能测试见证和科技项目验收。
机器代替人工，探索大型变压器内部检修新手段
在电力系统中，变压器承担着电压转换和能量传输的重要作用，开展好变压器检修，对电网稳定运行至关重要。根据绝缘介质的不同，变压器分为油浸式变压器、干式变压器和气体绝缘变压器。油浸式变压器主要由线圈、铁芯及油箱构成，线圈和铁芯封闭在油箱里。油箱里充满了矿物绝缘油，对线圈起到绝缘保护作用。
“矿物绝缘油具有绝缘、冷却、灭弧的作用，能够保护变压器。但是当变压器内部发生疑似缺陷时，准确判断缺陷类型及位置非常困难。”天津电科院变压器专业负责人魏菊芳介绍，通过外部电气及油色谱分析试验的方法很难判断变压器内部异常及部位，检查缺陷通常需要检修人员钻入变压器本体或进行吊罩作业，存在工作效率低、检查准确性差和安全风险高等问题，需要耗费大量的人力和物力。
以检修一台220千伏变压器为例，放油检查处理费用约30万元，检查大约需10天。为了提高变压器检修的效率和质量，国网天津电力考虑用机器人替代人工，完成这项复杂危险的工作。
“机器人在变压器内部狭小空间中工作，既要体积小又要能保证一定的巡航时间，这就要求机器人在移动过程中尽量减少能量消耗。因此，我们决定采用‘机器鱼’的设计。”魏菊芳说。
2020年1月，国网天津电力自主立项“基于微型机器鱼的大型变压器内部缺陷智能诊断与识别关键技术研究”，由天津电科院承担项目研究任务。
有了“智慧大脑”，“机器鱼”耳聪目明
让“机器鱼”在油中灵活“游动”，并且能够准确识别和检测变压器内部缺陷，关键是要为“机器鱼”打造“智慧大脑”。
在研制过程中，天津电科院项目研发团队面临“机器鱼”的本体结构设计、缺陷图像自主识别、定深悬停等多个挑战。“当时国内并没有研发先例可供借鉴，也没有成熟的硬件平台作为载体。由于‘机器鱼’设计体积小、内部空间有限，难以安装驱动控制等装置。因此，我们对控制电路板、传感器数据采集板、电机驱动控制板等进行了一体化设计，提高空间利用效率。”项目研发团队成员刘力卿介绍。
2020年年底，项目团队完成了“机器鱼”运动控制、图像识别技术的研究工作，利用一体化设计自主研制了第一代“机器鱼”样机。
另一项挑战随之而来。项目团队发现，受到变压器矿物绝缘油的透明度、相机补光强度、“机器鱼”移动和拍摄角度等影响，第一代“机器鱼”样机在开展变压器内部检查时传输出的图像较模糊，并且部分图像不能及时传输到操控平台上。同时，检修人员需要逐张查看“机器鱼”传输出的图片来识别缺陷，工作量巨大。
为解决这一问题，项目研发团队在尝试多种图像处理方法后，确定了适用的图像增强方法和目标缺陷自主识别方法，于2021年3月底研制出第二代“机器鱼”样机。第二代样机初步具备了典型缺陷图像自主识别能力。
由于变压器内部为金属封闭空间，准确获得“机器鱼”在变压器内部的位置、实现变压器内外部信息交互仍比较困难。
“最终，我们应用了三维空间定位技术、姿态控制技术、全局路径规划技术和图像自主识别技术，解决了‘机器鱼’在无线状态下无法精准定位、灵敏控制和及时传输图像的难题，让‘机器鱼’能在变压器内部灵活、准确移动，快速确定变压器内部状态及故障位置。”刘力卿说。
今年6月底，项目研发团队升级打造的第三代“机器鱼”样机通过了国内变压器行业专家开展的性能测试见证与国网天津电力科技项目验收。“机器鱼”使存在异常的220千伏油浸式变压器检修工期缩短至1天，经济效益显著。
验收专家认为，该创新项目在变压器内部检修技术方面实现了重大突破，对提高变压器检修效率等具有重要作用，可有效服务电网安全生产。
大幅缩短变压器检修时间，应用前景广阔
7月15日，在国网天津电力变压器检修基地，刘力卿登上4米多高的变压器，将“机器鱼”放到变压器油箱中。随后，他回到地面，通过操控平台控制“机器鱼”，观看“机器鱼”传回的图像。“机器鱼”在变压器内部上浮、下沉、前后移动，并实时传回移动过程中拍摄到的变压器绕组、引线、垫块等部位的图像信息。
“‘机器鱼’可在水平面上360度旋转，水平巡航速度可达每分钟2米，上浮下沉速度可达每分钟1.5米，自主下潜深度悬停误差在3厘米以内。它还可以根据我们设定的目标点，自主规划巡检路径。”刘力卿介绍。
“机器鱼”可用于大型油浸式变压器内部部件移位、变形、过热、放电痕迹等状态检查，体积小、移动灵活，可在不影响变压器内部环境的基础上检查变压器内部状态，判断变压器内部是否存在异常，提高变压器检修效率，大幅缩短变压器检修时间，减少检修费用。
“接下来，我们将聚焦小型化、便捷化、智能化，对‘机器鱼’进行迭代升级，优化‘机器鱼’物理结构，完善图像识别功能，提升典型缺陷自主识别能力和操控方式便捷性。”刘力卿说。
目前，天津地区在运35千伏及以上电压等级的变压器共计1230台，其中220千伏及以上大型变压器253台，全部为油浸式变压器，占比20.56%。项目研发团队计划选取220千伏及以上大型油浸式变压器试点推广应用“机器鱼”，提升变压器运检智能化水平。