CN107919627B - 基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统 - Google Patents

Abstract

基于机器人的智能箱体变电站“监‑检‑维”一体化系统，包括机器人本体、机器人本体两侧均安装有上机械臂、中机械臂、下机械臂。所述上机械臂设有三根手指，分别安装有暂态地电压检测传感器、超声波检测传感器、智能红外热扫描传感器。所述中机械臂安装有钳手；所述下机械臂设有三根手指，同上机械臂。所述机器人本体安装有高清摄像头、补光灯、无线WiFi模块、中心信息处理单元；所述机器人本体安装在竖直导轨上，机器人本体能在竖直导轨上上下移动。所述机器人本体活动安装在水平导轨上，机器人本体能在水平导轨上左右行走。本发明能够实现智能箱体变电站内的监视、检测、维护一体化工作，保护智能箱体变电站的安全运行，减少运维的工作量和成本。

Description

基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统

技术领域

本发明涉及一种智能箱体变电站运维系统，特别是一种基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统。

背景技术

箱体式变电站适用于住宅小区、繁华闹市、铁路供电等，可根据不同的使用条件、负荷等级定制，具有广阔的应用领域。箱体式变电站自产生以来发展极为迅速，特别是在欧洲发达国家已经广泛使用。智能箱体变电站由于采用GIS(Gas Insulated Substation)技术，能够缩小电气距离提高接入电压等级，同时箱式结构大大减小了智能变电站占地空间，更加适用于城市建设。随着中国城市现代化的飞速发展，不断采取增容，提高电压等级等策略更新改造城市配电网，智能箱体变电站的工程应用是其关键技术之一。城市箱体变电站作为城市供电的关键设备，其运行状态的监视和智能检修的构建已是当务之急。

城市配电网复杂，需要大量的监视才能够保证系统的安全和稳定运行。当前主要采用人工巡视和手动操作的运维技术已难以跟上配网的发展，利用新技术代替人工的智能巡检被广泛研究和提出。机器人技术便是一项得到认可的技术，且其已在较多工业场景下使用。但是，智能箱体变电站作为一个特殊的结构，其空间相对较小，且开关箱柜的放电、温度等监视、检测和维护相对专业化，一般的机器人并不具备该功能可直接使用。因此有必要设计一种基于机器人设计的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，来减轻城市智能箱体变电站的运维难度和工作量。

发明内容

为了保证智能箱体变电站的安全运行，减少传统人工运维的工作量和成本，本发明提供一种基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，能够实现智能箱体变电站内的监视、检测、维护一体化工作，保护智能箱体变电站的安全运行，减少运维的工作量和成本。

本发明采取的技术方案为：

基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，包括机器人本体、机器人本体两侧均安装有三个机械臂：上机械臂、中机械臂、下机械臂。所述上机械臂设有三根手指，分别安装有暂态地电压检测传感器、超声波检测传感器、智能红外热扫描传感器；

所述中机械臂安装有钳手；所述下机械臂设有三根手指，分别安装有暂态地电压检测传感器、超声波检测传感器、智能红外热扫描传感器。

所述机器人本体安装有高清摄像头、补光灯、无线WiFi模块、中心信息处理单元；

所述机器人本体通过四个旋转齿轮安装在竖直导轨上，机器人本体能在竖直导轨上上下移动。

所述机器人本体活动安装在水平导轨上，机器人本体能在水平导轨上左右行走。

所述中心信息处理单元连接高清摄像头，获取状态监测信息。

所述中心信息处理单元连接暂态地电压检测传感器、超声波检测传感器、智能红外热扫描传感器，获取检测信息。

所述中心信息处理单元连接无线WiFi模块，将信息与控制箱体内无线信号接收器通信，无线信号接收器将接收的信号传输给后台控制中心。

所述机器人本体底部设置有底座，底座上安装有车轮，能在水平导轨上左右行走；机器人本体连接供电电缆，给机器人本体供电。

所述中心信息处理单元连接旋转驱动杆，控制断路器开关档位；

所述中心信息处理单元连接钳手，控制中机械臂拉出断路器小车。

本发明基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，集成箱式变电站各箱体内的监视、检测、维护等功能于一身的机器人，通过本身的控制中心完成信息处理和预警功能，同时将监视同步上传后台运行管理中心以供进一步的数据处理，从而提高智能箱体变电站的安全运行，减少运维的工作量和成本。

本发明基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，包括如下功能：

状态信号监测：基于机器人特定轨迹的移动特性，实时拍摄屏柜中各项数据参数以及运行状态，并利用机器人手臂放置的温度扫描检测装置实时扫描箱体变电站内分布式各屏柜主设备的温度、屏柜内的湿度、环境的温度和湿度等信号；并将监视信号上送信息处理中心单元。

放电信号检测：利用机器人多手臂同时放置多点放电检测设备，逐步检测并上传分布式各屏柜单一柜体内放电信号；信息处理中心基于多点同步检测信息，计算放电信号源的强度和定位放电信号源的位置。

故障屏柜维护：机器人在接到调度中心指令后，能够定位故障配电屏柜；利用机器人中心旋转驱动杆，选择断路器控制开关档位，并利用中机械臂将断路器从运行位拉出到试验位，以利于运维。

远程通信与管理：一体化系统信息中心基于通信技术，能够上送监测的温湿度信号、检测的放电信号以及控制信号，建立与调度中心的联系。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图。

图2为本发明侧视结构示意图。

图3为本发明后视结构示意图图。

图4为本发明的工作示意图。

图5为基于多测量点距离构建测量重叠区域信号强度模型示意图。

图6为本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统，机器人本体两侧均安装有三个机械臂，上机械臂1有三根手指，分别附着暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器3、智能红外热扫描传感器4；中机械臂安装钳手5；下机械臂6同上机械臂。本体正面中心安装可伸缩旋转驱动杆7；本体正面上侧安装高清摄像头8和补光灯9。本体上侧安装有无线WiFi模块10。

如图3所示，机器人本体通过四个旋转齿轮11安装在竖直导轨12上，机器人本体在竖直导轨上可上下移动；机器人本体底部设置有底座13，底座上安装有车轮，可以在水平导轨上14左右行走；系统通过供电电缆15给机器人供电。机器人本体内安装有中心信息处理单元。中心信息处理单元连接高清摄像头8，获取状态监测信息；中心信息处理单元连接暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器3、智能红外热扫描传感器4，获取检测信息；中心信息处理单元连接旋转驱动杆7控制断路器开关档位；中心信息处理单元连接钳手5，控制中机械臂拉出断路器小车。中心信息处理单元具有状态分析能力和综合状态评价功能，并基于无线WiFi模块10将信息与箱体内无线信号接收器16通信，无线信号接收器16将接受的信号传输给后台控制中心。

如图4所示，为本发明一种基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统的工作示意图。机器人本体行走在水平导轨14上，通过高清摄像头8对屏柜的各项数据和运行状态进行监视，通过暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器3、智能红外热扫描传感器4对屏柜内放电情况和温度进行检测，如遇到紧急情况，中心信息处理单元控制旋转驱动杆7的断路器开关，利用中机械臂将断路器从运行位拉出到试验位，以利于运维。同时，中心信息处理单元连接钳手5，控制中机械臂拉出断路器小车。

中心信息处理单元是机器人的控制中心，安装于机器人本体内，用于指挥机器人完成智能箱体变电站内的监视、检测、维护一体化工作。中心信息处理单元的控制芯片采用DSP处理器，其控制电路板主要由DSP处理器、电源芯片、AD转换芯片、大容量存储卡、电机驱动模块及其他电路等组成。

高清摄像头8用于拍摄屏柜各项数据参数以及运行状态，同时摄像头上方还安装有补光灯9，用于光线不足情况下拍摄。

通信系统用于机器人与箱内后台中控通信转接器之间的无线通信，采用嵌入式的无线WiFi模块。机器人上安装的无线WiFi模块10安装位置如图1中所示，后台无线信号接收器16安装于箱体内壁上。WiFi模块选用ESP8266串口WiFi无线收发模块，用于将机器人的视频信息同步上传后台运行管理中心，同时后台运行管理中心还可通过无线通信模块下达远程操作指令至机器人。

暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器3、智能红外热扫描传感器4选用上海鲁毓电子科技有限公司的CBMTS-1000D配电设备状态检修装备套装所配带的即插即用型的暂态地电压传感器、超声波传感器和热红外温度传感器。

监视方法步骤：机器人可通过高清摄像头8实时拍摄箱体变电站内的运行情况，并记录各项运行参数，若出现不正常或故障状态时，将通过后台中控通信转接器16告知后台运行管理中心。

检测方法步骤：

步骤一：机器人通过上下机械手上安装的暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器(3)、智能红外热扫描传感器4实时检测箱体变电站内放电情况和温度信息，并通过无线WiFi模块10和后台中控通信转接器16实时上传给后台运行管理中心。

步骤二：温度和放点检测是利用基于多测量点距离构建测量重叠区域信号强度模型进行测量的，该模型按定义如下：机器人2个上机械臂和2个下机械臂总共4个机械臂上分别安装有暂态地电压检测传感器、超声波检测传感器、智能红外热扫描传感器等3种传感器；对于每一种传感器来说其数量就有4个，为了保证测量区域没有盲区，这4个传感器的测量区域必然互有重叠，即被检测区域包括只有1个传感器测量的区域，还分别包括含有2个或3个或4个传感器同时测量的重叠区域；对于包含多个传感器同时测量的区域，根据测量点与各个传感器之间的距离，构建各个传感器测量值在测量重叠区的信号强度中所占权重，从而得到重叠区的测量值。

步骤三：如图5所示，为基于多测量点距离构建测量重叠区域信号强度模型示意图。图中4个大的圆形区域表示4个传感器的检测范围，为了保证没有测量盲区，这4个圆形区域必然重叠。其中，区域A表示只被1个传感器测量的区域，该传感器所测量的信号强度即为该区域的测量值；

区域B表示同时被2个传感器测量的区域，通过超声波传感器可以测得机械臂上安装的传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂，暂态地电压检测传感器或者智能红外热扫描传感器的测量值分别为s₁、s₂，则测量点的信号强度为：

区域C表示同时被3个传感器测量的区域，通过超声波传感器可以测得机械臂上安装的传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂、l₃，暂态地电压检测传感器或者智能红外热扫描传感器的测量值分别为s₁、s₂、s₃，则测量点的信号强度为：

区域D表示同时被4个传感器测量的区域，通过超声波传感器可以测得机械臂上安装的传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂、l₃、l₄，暂态地电压检测传感器或者智能红外热扫描传感器的测量值分别为s₁、s₂、s₃、s₄，则测量点的信号强度为：

步骤四：利用上述模型可以测得屏柜的温度最大值、1min突变量最大值、相对温差最大值等信息，基于PRPD图谱的放电定位，以及基于峰值和相位信息相关性的放电定位信息。并通过无线模块上传到后台控制中心。

维护方法步骤：当监测到智能箱变开关预制场内系统故障，机器人接收调度中心指令，通过高清摄像头8和旋转驱动杆7能够定位故障配电屏柜的断路器控制开关档位，在判断开关位置QF在合位后，旋转控制选择开关档位在试验状态，进一步利用中机械臂安装钳手5将断路器从运行位拉出到试验位，等待运维人员检修。

如图6所示，为本发明一种基于机器人的智能箱体变电站“监-检-维”一体化系统的工作流程图。利用机器人正面上侧安装的高清摄像头8和补光灯9拍摄开关屏柜上各表计照片，将信息发送至中心信息处理单元，通过图像识别，获取电压U、电流I，开关位置QF、运行/告警状态等信息。当监测到电压U>0.5U_N，U_N为额定电压，利用机器人上下手臂的智能红外热扫描传感器4测量柜体红外热通量并将信息发送至中心信息处理单元，通过四点的热通量，并结合屏柜内设备安装结构，间接反映柜内关键部件的温度；同时该传感器还能够测量环境温度和湿度。

当监测到开关柜线路电流I>0.05I_N和开关位置QF在合位时，I_N为额定电流，利用机器人上下手臂的暂态地电压检测传感器2、超声波检测传感器3分别测量各点的暂态地电压信号和超声波信号并将信息发送至中心信息处理单元。信息中心将四点测量的暂态地电压信号通过PRPD图谱方式将放电脉冲的全息数据处理，并提取放电脉冲的概率值及其对应的区域位置作为局部放电活动的特征参数输出结果。信息中心将计算四点测量的超声波信号的周期峰值、有效值和工频相关性，并通过相关性分析和PRPD图谱判断超声波信号的周期性特征，并提取超声波强度及其对应的区域位置作为局部放电活动的特征参数输出结果。

当监测到智能箱变开关预制场内系统故障，机器人接收调度中心指令，通过高清摄像头8和旋转驱动杆7，能够定位故障配电屏柜的断路器控制开关档位，在判断开关位置QF在合位后，旋转控制选择开关档位在试验状态，进一步利用中机械臂安装钳手5，将断路器从运行位拉出到试验位，等待运维人员检修。

Claims (5)

1.一种智能箱体变电站“监-检-维”方法，其特征在于：

1)、状态信号监测：基于机器人特定轨迹的移动特性，实时拍摄屏柜中各项数据参数以及运行状态，并利用机器人手臂放置的温度扫描检测装置，实时扫描箱体变电站内分布式各屏柜主设备的温度、屏柜内的湿度、环境的温度和湿度信号；并将监视信号上送信息处理中心单元；

2)、放电信号检测：利用机器人多手臂同时放置多点放电检测设备，逐步检测并上传分布式各屏柜单一柜体内放电信号；信息处理中心单元基于多点同步检测信息，计算放电信号源的强度和定位放电信号源的位置；

3)、故障屏柜维护：机器人在接到调度中心指令后，能够定位故障配电屏柜；机器人的控制中心安装有中心信息处理单元，中心信息处理单元控制旋转驱动杆(7)的断路器控制开关，选择断路器控制开关档位，并利用中机械臂将断路器拉出运行为至试验位，以利于运维；

4)远程通信与管理：一体化系统信息中心基于通信技术，能够上送监测的温湿度信号、检测的放电信号以及控制信号，建立与调度中心的联系。

2.根据权利要求1所述一种智能箱体变电站“监-检-维”方法，其特征在于：

利用基于多测量点距离构建测量重叠区域信号强度模型进行测量，对于包含多个传感器同时测量的区域，根据测量点与各个传感器之间的距离，构建各个传感器测量值在测量重叠区的信号强度中所占权重，从而得到重叠区的测量值；

根据测量点被多少个传感器所测量来分类，分为4种区域：

1)、仅被1个传感器测量的区域，该传感器所测量的信号强度即为该区域的测量值；

2)、同时被2个传感器测量的区域，设这2个传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂，测量值分别为s₁、s₂，则测量点的信号强度为：

3)、同时被3个传感器测量的区域，设这3个传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂、l₃，测量值分别为s₁、s₂、s₃，则测量点的信号强度为：

4)、同时被4个传感器测量的区域，设这4个传感器离测量点的距离分别为l₁、l₂、l₃、l₄，测量值分别为s₁、s₂、s₃、s₄，则测量点的信号强度为：

3.根据权利要求1所述一种智能箱体变电站“监-检-维”方法，其特征在于：

状态信号监测如下：

利用机器人正面上侧安装的高清摄像头(8)和补光灯(9)，拍摄开关屏柜上各表计照片，将信息发送至中心信息处理单元，通过图像识别，获取电压U、电流I，开关位置QF、运行/告警状态信息；当监测到电压U>0.5U_N，U_N为额定电压，利用机器人上下手臂的智能红外热扫描传感器(4)，测量柜体红外热通量并将信息发送至中心信息处理单元，通过四点的热通量，并结合屏柜内设备安装结构，间接反映柜内关键部件的温度；同时该传感器还能够测量环境温度和湿度。

4.根据权利要求1所述一种智能箱体变电站“监-检-维”方法，其特征在于：

放电信号检测如下：

当监测到开关柜线路电流I>0.05I_N和开关位置QF在合位时，I_N为额定电流，利用机器人上下手臂的暂态地电压检测传感器(2)、超声波检测传感器(3)，分别测量各点的暂态地电压信号和超声波信号并将信息发送至中心信息处理单元，信息中心将四点测量的暂态地电压信号通过PRPD图谱方式，将放电脉冲的全息数据处理，并提取放电脉冲的概率值及其对应的区域位置作为局部放电活动的特征参数输出结果，信息中心将计算四点测量的超声波信号的周期峰值、有效值和工频相关性，并通过相关性分析和PRPD图谱判断超声波信号的周期性特征，并提取超声波强度及其对应的区域位置，作为局部放电活动的特征参数输出结果。

5.根据权利要求1所述一种智能箱体变电站“监-检-维”方法，其特征在于：

故障屏柜维护如下：

当监测到智能箱变开关预制场内系统故障，机器人接收调度中心指令，通过高清摄像头(8)和旋转驱动杆(7)，定位故障配电屏柜的断路器控制开关档位，在判断开关位置QF在合位后，旋转控制选择开关档位在试验状态，进一步利用中机械臂安装钳手(5)将断路器从运行位拉出到试验位，等待运维人员检修。