КОМПОНЕНТЫ РОБОТОТЕХНИКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

​ВВЕДЕНИЕ

Электроэнергетическая отрасль России стремительно трансформируется. Ещё совсем недавно единственным способом получения энергии было присоединение к сетям централизованного электроснабжения, а сегодня всё больше потребителей отдают предпочтение распределённой генерации и использованию ВИЭ. Новые направления, безусловно, перспективны. Но они бросают энергетикам новые вызовы. Эффективно справляться с этими задачами помогает автоматизация технологических и бизнес-процессов.

Если говорить об автоматизации в электроэнергетике, то безусловным трендом последних лет стала роботизация. Речь идёт о передаче роботам рутинных операций и функций мониторинга оборудования, установленного в труднодоступных местах, а также на опасных объектах, где существует угроза для здоровья и жизни человека.

В современной энергетике чаще всего используются мехатронные сервисные устройства, подъёмно-транспортные роботы и дроны. Также вводятся в эксплуатацию автоматические устройства, предназначенные для очистки внешнего слоя солнечных панелей от снега, песка и других загрязнений.

Многие российские линии электропередач уже перешагнули 80-летний рубеж. Кроме того, нередко они расположены в труднодоступных местах. Их исследование в «ручном» режиме таит в себе определённые риски и занимает много времени. Поэтому не удивительно, что в России наиболее актуальны дроны, которые используются для диагностики и инспектирования ЛЭП [1].

1. ДОРОГУ РОБОТАМ

Сегодня в энергетике в основном используются мехатронные сервисные устройства, дроны и подъемно-транспортные роботы. Известны также решения для очистки поверхностей солнечных панелей от песка, снега и грязи, роботы для диагностики высоковольтных кабелей и ЛЭП, манипуляторы и краны, дроны для видеонаблюдения и мониторинга состояний протяженных энергообъектов. Энергетика и других служб предприятия, как на локальных автоматизированных рабочих местах (АРМ), так и на удаленных АРМ (с использованием каналов виртуальной частной сети (ВЧС));

Производители роботов снижают цены, а также стоимость их эксплуатации, поэтому такие решения все чаще находят свое применение в России, даже в регионах с суровыми климатическими условиями. Однако общий процент роботизации энергетики России можно считать достаточно низким. Но в ближайшее время ожидается раскрытие потенциала дронов и мобильных платформ для диагностики энергосетей и оборудования.

Сейчас в российской энергетике применяют роботов, которые помогают контролировать поверхности нагрева энергетических котлов. Они в прямом смысле слова «ползают» по поверхностям котлов, снимают и передают видеоряд в систему аналитики, которая способна выявлять дефекты оборудования. Это ускоряет сроки проведения диагностики, так как робот может работать без перерывов и независимо от времени суток.

Роботы для очистки солнечных панелей и для инспекции ветряков пока не получили широкого распространения в России. Это связано с низким уровнем данных видов генерации.

Один из примеров применения роботов в области электрооборудования — небольшое устройство с дистанционным управлением для проведения инспекции активной части больших масляных трансформаторов в случае их внезапного выхода из строя и необходимости краткосрочно установить причину.

Одно из самых перспективных направлений внедрения роботов. Разработанный Манчестерским университетом и британской компанией Forth Engineering робот Latro оснащен камерами, лазерными сканерами, режущими инструментами и другими устройствами. Он предназначен для работы на наиболее опасных объектах, например, на АЭС, расположенной в море. Latro успешно применялся для разбора завалов на японской АЭС «Фукусима-1».

Но в масштабах России, пока наиболее актуальны роботы для мониторинга состояния ЛЭП. Многим российским линиям уже более 80 лет, они часто находятся в труднодоступных местах, к тому же их исследование в «ручном» режиме сопряжено с определенными рисками [2].

2. ПРИМЕНЕНИЕ РОБОТОВ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Применение роботов особенно целесообразно там, где жизнь человека может оказаться подверженной риску. Например, для диагностики вышедших из строя атомных реакторов или для профилактики высоковольтных ЛЭП, расположенных на высоте в десятки метров над землей, лучше всего подойдут именно роботы. Они должны быть грамотно сконструированные и должным образом настроенные.

2.1. Робот для диагностики ЛЭП

Японская фирма HiBot, по просьбе энергетической компании Kansai Electric Power Company (KEPCO), разработала, и в 2011 году запустила в эксплуатацию, робота Expliner (рис.1), предназначенного для диагностики и обслуживания высоковольтных ЛЭП. Робот просто подвешивается к проводам линии, а оператору остается с экрана компьютера удаленно осуществлять визуальный контроль.

Движение робота вдоль линии похоже на движение поезда по рельсам, с той лишь разницей, что робот движется снизу, под проводами. Медленно передвигаясь вдоль линии, робот Expliner использует лазерные датчики для выявления мест коррозии на проводах. По каналу GPS робот принимает данные о своем местоположении, и передает их оператору, а восемь видеокамер высокого разрешения, расположенных на борту робота, позволяют оператору полностью рассмотреть механические повреждения, будь то оплавленный провод или трещина на нем.

Так, после прохода роботом вдоль всей линии, ремонтники уже будут знать точно, где и какая неисправность имеет место, что необходимо исправить, что и как отремонтировать. Доступна диагностика одновременно четырех параллельно идущих проводов. Такие препятствия, как зажимы и прокладки робот преодолевает самостоятельно, обходя их, маневрируя, благодаря подвижному центру тяжести. Робот просто переносит колеса через препятствие и движется дальше. Если препятствии более сложное, то робота переносят вручную.

Применение робота дает возможность службам своевременно выявлять повреждения линий, такие как ржавчина, внутренняя коррозия (измененный диаметр провода) или механическое повреждение. Это сильно экономит время и расходы на обследование линий традиционным путем, когда бригада экипированных рабочих должна своими силами обойти всю линию электропередач.

Рисунок 1. Робот Expliner для диагностики ЛЭП

2.2.Робот для диагностики и обслуживания высоковольтных ЛЭП

Канадцы шагнули дальше. Разработчики из института Hydro-Québec еще в 1998 году задумались о создании более сложного робота (рис.2) для диагностики и обслуживания высоковольтных линий электропередач. И вот, спустя 11 лет, робот LineScout был успешно представлен на презентации, и даже удостоился в 2009 году премии от Электротехнического института Эдисона.

Идея пришла разработчикам не с пустого места. В конце 90-х в северных штатах прошел такой мощный снежный шторм, что провода одной из значимых линий электропередач были просто оборваны под грузом намерзшего на них льда.

Рисунок 2. Робот для диагностики и обслуживания высоковольтных ЛЭП

Робот LineScout, для диагностики и ремонта ЛЭП (Рис. 3)

Результатом десятилетней работы инженеров стал робот, который способен не просто катиться по проводам, но также умеющий манипулировать с различным оборудованием. Робот, конечно, оснащен камерами и GPS, но плюс к этому он может счищать снег с проводов, раскручивать и закручивать болты и гайки, снимать с проводов инородные предметы. Благодаря наличию тепловизоров, робот способен оценивать температуру проводов.

Оператор просто управляет роботом с компьютера при помощи специального джойстика. (Рис. 4) Робот LineScout показал себя достаточно эффективным во время многократных испытаниях в 2010 году на линиях с током до 2 кА, под напряжением 735 кВ [4].

Рисунок 3. Робот LineScout, для диагностики и ремонта ЛЭП

Рисунок 4. Управление роботом LineScout

2.3. Робот для очистки солнечных панелей

Для возведения солнечных электростанций лучше всего подходят залитые солнечным светом пустыни. Но как решить проблему песка, ведь солнечные панели, засыпанные песком после песчаных бурь, оказываются на 60% менее эффективными. Если бы панели мыли водой вручную, то это потребовало бы огромных трудовых затрат, причем довольно частых, к тому же температура воздуха в пустыне достигает 50°C. На помощь снова приходит роботизированная техника.

Для решения проблемы, в Саудовской Аравии был создан робот NOMADD (NO-water Mechanical Automated Dusting Device (рис.5) — «Механическое автоматизированное устройство по удалению пыли без использования воды»). Несколько таких роботов достаточно установить по одному на каждый ряд солнечных панелей, и они раз в день будут очищать фоточувствительное покрытие без всякой воды, просто при помощи специальных щеток.

Рисунок 5. Робот для очистки солнечных панелей

Так солнечные панели всегда будут оставаться чистыми, и энергоэффективность солнечных электростанций возрастет. Представить только, робот NOMADD в одиночку может расчистить от 182 до 274 метров панелей — это огромный объем работ, неподъемный по меркам ручного обслуживания. Роботы работают параллельно на каждом ряде панелей, и быстро и оперативно проводят регулярную очистку. Окупаемость системы роботов составляет три года, и самим роботам не требуется частое обслуживание.

Разработчики отмечают, что эта система спроектирована, разработана и испытана в Саудовской Аравии в самых суровых условиях пустыни. Для таких условий невозможно быть должным образом, подготовленным без того, чтобы испытать их на себе на протяжении всего процесса разработки. Вот в чем заключается ее преимущество.

2.4. Робот для инспекции ветряков

Энергия ветра в качестве экологически чистого источника электроэнергии является сегодня одним из очень быстро развивающихся направлений альтернативной энергетики. Изобретатели разрабатывают новые проекты для ветряных генераторов, но одно остается неизменным — промышленные ветрогенераторы — это очень большие по размеру и, как правило, всегда очень высокие сооружения.

Робот перемещается по канату, взбираясь все выше и выше, будь то наземная или береговая турбина. Проверка на наличие дефектов осуществляется посредством инфракрасного излучателя и тепловизора высокого разрешения. Оператор просто получает изображение и анализирует его. Для диагностики прочных металлических элементов, робот RIWEA (рис.6,7) оснащен интегрированными ультразвуковым излучателем и детектором, обладающими высоким потенциалом в плане точности.

На сегодняшний день, в частности — в США, около 60% ветряных турбин, находящихся в эксплуатации, требуют ремонта. Именно благодаря таким решениям как робот RIWEA, становится возможной диагностика без преждевременного вывода турбины из эксплуатации. Поскольку робот легко взберется даже на вращающиеся лопасти.

Оперативная диагностика выявит турбины, нуждающиеся в срочном капитальном ремонте, и их можно будет отключить для проведения ремонта. А те турбины, что пребывают в приемлемом состоянии — останутся работать, и потребитель не испытает неудобств.

Рисунок 6. Робот RIWEA для инспекции ветряков

Рисунок 7. Применение роботов в энергетике, робот RIWEA

3. КВАДРОКОПТЕРЫ ДЛЯ ПРОВОДОВ

Мониторинг инфраструктуры в энергетическом секторе служит полем для развития множества видов автономных дронов, начиная с БПЛА для инспекции сетей ЛЭП и заканчивая беспилотными мобильными юнитами, проводящими проверку газовых и водопроводных труб изнутри.

В электроэнергетике для мониторинга особое развитие получили «подвесные» дроны, которые питаются энергией от проводов, а в атомной энергетике – дроны для проведения замеров радиации в опасных для человека зонах. Один такой дрон использовался на Фукусиме.

В нефтегазовой отрасли дроны активно применяются в области геологоразведки для предварительного анализа перспективных участков, а также в геодезических съемках для проектирования и подготовки сейсморазведки.

3.1. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА)

БПЛА проводят верховые осмотры и способны транслировать изображение на экраны мониторов. Они решают сразу несколько задач в сфере электроэнергетики:

• Оперативная выдача информации;
• Доступ к любым участкам при любых

обстоятельствах (сложные погодные условия, отсутствие доступа с земли, чрезвычайные ситуации);

• Детализированные фотографии, сделанные с помощью БПЛА, позволяют выявить практически все возможные дефекты, повреждения, недостающие детали ЛЭП, разрушение изоляторов, коррозию и др.;
• Объективность данных, полученных в результате исследования ситуации, а не субъективного мнения специалиста;
• Регулярный мониторинг ЛЭП и сопоставление результатов диагностики;
• Модели, оснащённые тепловизорами, позволяют обнаруживать опасные зоны ЛЭП по тепловому излучению;
• Создание 3D-моделей обследованных объектов сетевой инфраструктуры для дальнейшего изучения профильными специалистами;
• Получение экономической выгоды. Покупка и эксплуатация дрона обходится дешевле, чем использование наземных методов диагностики, которые выполняются бригадой с большим количеством громоздкого и дорогого в обслуживании оборудования.

Технологии не стоят на месте, поэтому конструкция дронов постоянно совершенствуется. Например, в 2020 году ракетно-космическая корпорация «Энергия» запатентовала квадрокоптер (рис.8), который сможет заряжаться от лазерного луча, сгенерированного на земле, в воздухе или направленного из космоса.

Рисунок 8. Квадрокоптер

Таблица 1.

Основные типы БПЛА и их характеристики

Наименование	Общий вид	Характеристики
Летательный аппарат (ЛА) самолетного типа		Подъемная сила создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа отличаются большей длительностью полета, максимальной высотой полета и высокой скоростью.
ЛА вертолетного типа (дрон)		Аппараты вертолетного типа с вращающимся крылом. Подъемная сила этого типа создается аэродинамически, но не за счет крыльев, а за счет вращающихся лопастей несущего винта. Крылья либо отсутствуют вовсе, либо играют вспомогательную роль.
ЛА вертолетного типа (квадрокоптер)

Для осмотра ЛЭП применяется несколько видов роботов: дроны, позволяющие проводить верховые осмотры и транслировать изображение на экраны монитора, и роботизированные машины, которые крепятся непосредственно на ЛЭП и позволяют проводить более детальный осмотр. Эти аппараты способны собирать видеоряд, который затем анализируется с помощью систем видеоаналитики. При использовании таких роботов снижается время простоя по причине аварийного отключения линий, повышается надежность энергоснабжения потребителей, а время на поиск дефектов и повреждений сокращается до 10 раз.

3.2.  Роботизированные машины

Крепятся на линии электропередач и обеспечивают проведение более детальной диагностики (Рис.9). Они сокращают время, необходимое для устранения технологических нарушений, обеспечивают безопасность персонала при проведении работ за счёт снижения человеческого фактора и отсутствия прямого контакта человека с проводами ВЛ.

Рисунок 9. Машина для диагностики

В июне 2020 года в Екатеринбурге прошли первые испытания роботизированной диагностической системы «Канатоход». Функционал робота-дрона позволяет диагностировать состояние высоковольтной линии и выявлять места возможных повреждений ЛЭП. Ожидается, что в будущем система сможет их ремонтировать и таким образом предотвращать системные аварии.

Новая разработка российских исследователей представляет собой некий симбиоз мобильного и летающего роботов. Наличие в конструкции дрона беспилотного вертолёта позволяет ему взлетать и быстро достигать любого места линии. Кроме того, беспилотник вертолётного типа обеспечивает посадку устройства на провода ЛЭП или грозозащитный трос. Мобильный робот-тележка перемещает квадрокоптер от одной подстанции к другой.

Во время движения по проводам квадрокоптер подзаряжается. Он способен выполнять комплексный инженерный инструментальный верховой осмотр самых труднодоступных участков ЛЭП. Устройство оснащено «интеллектом», который скрупулёзно фиксирует каждый выявленный дефект, создаёт карту обследованных объектов, выдаёт рекомендации и составляет список необходимых ремонтно-восстановительных работ.

Использование робототехники снижает продолжительность простоев по причине аварийного отключения линии электропередач, повышает качество энергоснабжения потребителей и в несколько раз сокращает время, которое затрачивается на поиск дефектов и повреждений.

По оценкам аналитиков, к 2025 году количество беспилотных летательных аппаратов в РФ составит 1 млн. штук. К 2035 году объём мирового рынка услуг с использованием дронов достигнет отметки в 180 млрд. долл. За счёт увеличения спроса на роботизированные технологии доля российских компаний может вырасти до 40% [3].

4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОБОТЕХНИКИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Низкие показатели внедрения «роботов» в российской энергетике эксперты объясняют невысоким уровнем государственной поддержки роботизации и небольшим количеством собственных разработок в данном направлении и специализированной инфраструктуры производства. Хотя отечественные разработки во многом не уступают западным образцам и являются весьма эффективными технологиями роботизации.

Важным фактором низкого проникновения роботехники в отечественную энергетику также является отсутствие информированности об эффективности и экономической выгоде использования робототехники. Это, прежде всего, исключение ошибок по причине человеческого фактора, экономия временных ресурсов высококвалифицированных специалистов, снижение производственных затрат за счет быстрого возврата инвестиций в робототехнику.

Сейчас использование роботов для диагностики тех же ЛЭП носит локальный, точечный характер – до повсеместного распространения еще далеко. Сегодня рано говорить о значительных экономических эффектах применения роботов, потому как технологии только зарождаются и пока сопряжены зачастую с колоссальными затратами на разработку и внедрение.

Вопрос экономической эффективности роботехники в энергетике необходимо исследовать отдельно по каждой категории роботов. Но абсолютно понятно, что в первую очередь эффективны роботы на опасных участках и объектах, где может пострадать человек. Существенные эффекты показывают дроны и подвижные платформы, которые способны пройти большие расстояния с высокой точностью распознавания дефектов.

В целом, можно предположить, что в будущем экономия будет достигаться не только в результате снижения цены на робототехнику, но и за счет сокращения числа специалистов «в полях», уменьшения количества дорогостоящих командировок в отдаленные и труднодоступные районы. Инновационные решения также позволят избежать неоправданного выхода оборудования из строя и, как следствие, дорогостоящего ремонта, а также значительно обезопасит работу обслуживающего персонала [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Потенциал применения роботов для диагностики и мониторинга энергообъектов весьма высок. Неужели уже в ближайшем будущем автоматизированные устройства смогут полностью заменить человека? Аналитики утверждают, что сегодня до повсеместного распространения роботизированных решений ещё далеко.

Причин несколько. Во-первых, технология молодая и пока нередко сопряжена с колоссальными затратами на разработку и внедрение. Во-вторых, отмечается низкий уровень информированности об эффективности робототехники и о том, какую экономическую выгоду получат энергокомпании от её применения.

Третья причина низких показателей проникновения робототехники в электроэнергетику России заключается в невысоком уровне господдержки роботизированных технологий. Кроме того, рынок электротехники пока не может похвастаться широким ассортиментом продукции российского производства. Хотя отечественные разработки по многим показателям не уступают западным аналогам и являются весьма эффективными.

Неоспоримым преимуществом использования автоматизированных устройств для контроля за состоянием элементов поверхностей нагрева является сокращение сроков проведения диагностики. Ведь робот может работать в режиме 24/7: без перерывов, выходных и независимо от времени суток.

В качестве ещё одного примера использования роботизированных решений в энергетике можно привести компактное устройство с дистанционным управлением, которое применяется для мониторинга активной части больших масляных трансформаторов в случае выхода их из строя, когда необходимо в кратчайшие сроки установить причину отказа оборудования.

Речь идёт о роботе с герметичным корпусом, который обеспечивает надёжную защиту электронной «начинки» от механических повреждений и проникновения влаги. Устройство может плавать в трансформаторном масле. Его функционал позволяет проводить съёмку трансформатора изнутри, по беспроводным каналам связи передавать видео оператору, который может оперативно обсудить проблему с узкопрофильными специалистами.

Такое технологическое решение помогает решить две важные задачи:

1. Экономит время, необходимое для инспектирования оборудования.
2. Даёт возможность провести диагностику без отключения трансформатора и при этом избежать сложной процедуры визуального осмотра.

Одним из перспективных направлений использования роботов эксперты называют работу на опасных или недоступных для человека объектах. Например, под водой, в шахтах или в реакторах вышедших из строя атомных электростанций. В таких случаях робототехника обеспечивает доступ к различным зонам и помогает проводить исследования, по результатам которых разрабатывается комплекс мероприятий по очистке [3].

Список литературы:

1. Статья. Роботизация в электроэнергетике [электронный ресурс] - https://ruzkabel.ru/robotizacziya-v-elektroenergetike/
2. Газета. Энергетика и промышленность России [электронный ресурс] – https://www.eprussia.ru/epr/381-382/9924423
3. https://powercoup.by/novyie-tehnologii/primenenie-robotov-v-energetike
4. Статья. Автоматизация в энергетике [электронный ресурс] - https://novostienergetiki.ru/avtomatizaciya-v-elektroenergetike/