CN111702781A - 一种高压开关室故障排险与消防智能机器人及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高压开关室故障排险与消防智能机器人及其应用，包括机器人主体，主体内设有主控系统、无线通信模块、导航模块、雷达测距模块、拍照及图像识别模块、自动灭火模块、行走模块，机器人主体外部设有机械手臂，无线通信模块接收指令数据并传递到主控系统，主控系统根据指令要求启动导航模块及行走模块使机器人移动到对应的开关柜处，然后控制拍照及图像识别模块对所述开关柜拍照并与内部存储的开关柜照片进行对比，识别出所拍摄照片中分合闸按钮的位置，然后主控系统控制所述机械手臂按下分合闸按钮；本发明实现高压开光的高精度排险，一旦发生爆炸，自动启动消防装置第一时间灭火，避免二次事故，保障电网运行安全。

Description

一种高压开关室故障排险与消防智能机器人及其应用

技术领域

本发明涉及电力系统智能机器人领域，具体是一种高压开关室故障排险与消防智能机器人及其应用。

背景技术

高压开关柜作为电力系统中成套的电气设备，承担着电力系统配电以及电能转换过程中开关的开合和保护任务，是为市民供电的最后一道关口，所以对此类设备的日常检修维护就显得尤为重要。10kV开关柜由断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构和互感器组成。由于开关柜直接和用电设备相连接，一旦开关柜发生故障，其造成的停电事故将引起巨大的社会损失和经济损失，而且由于开关柜内部结构紧凑、零件繁多、绝缘距离小，10kV开关柜往往较其他电气设备更易引发故障。

尤其是10kV开关柜设备中的控制回路因为设备老化或环境变化等影响可能会出现各种异常现象和故障。通常来说，如果需要对这些高压开关柜进行检修，供电公司的工作人员可以通过电脑进行远程控制，但当远程控制出现故障的时候就必须人工对高压开关柜进行断电，但是考虑到安全问题，又严禁工作人员现场进行就地打跳开关，只能对上一级母线进行停电，造成大面积大范围停电情况出现。近年来，国网公司由于开关柜故障造成工作人员人身伤亡的事故屡出不鲜，不仅给电网运行安全造成极大的威胁，而且造成了非常恶劣的社会影响。例如某供电公司220kV变电站发生一起10kV开关柜故障，造成两名在开关柜外进行现场检查的运行值班员被电弧灼伤，其中一人死亡。某220kV变电站10kV高压开关柜(GGX2型)由于馈线故障，开关发生拒动，运行人员在处理开关拒动过程中，当拉开开关确认开关位置指示处于分闸位置后，拉开隔离刀闸时发生弧光短路，造成2人重伤1人轻伤。某220kV变电站发生一起10kV开关柜内部三相短路，电弧产生高温高压气浪冲开柜门，造成2名在开关柜外进行现场检查的运行值班员被电弧灼伤。同时，高压开关柜的此类爆炸事故通常会连带引发火灾，进一步对电力设备和电网运维安全带来更大的破坏。

为了应对高压开关柜故障带来的诸多事故，各供电公司明文规定：工作人员在操作运行中的设备时，严禁采取就地打跳断路器的方式。因此，各供电公司围绕开关柜远程操作已经研制一些具有一定自动化程度的机械手打跳断路器，或者功能较为复杂的机器人。例如，国网成都供电公司研发了可以不用人工断电跳闸的远程便携式分闸装置，由一个远程遥控器、电源模块、执行模块以及一个配件固定器组成，装置采用充电式电源模块和利用强力磁铁进行吸附固定，携带、安装、使用和维护都非常方便。国网福州供电公司研制了开关柜专用操作机器人，由基站、无线网路系统、触摸屏和KYN操控机器人本体A车、本体B闭合组成，是集机电一体化的复杂系统。但是这两类自动化装置仍然存在以下几个问题：1、由于高压开关室内存在多个金属材质的柜体，形成一个较强的多径干扰的环境，无线通信的信号在此环境中传输质量较差，机器人发送和接受信号可能不完整，后续操作精准度不高，容易造成误操作，其操作可靠性较差；2、仍然需要大量的人工参与，还需要人工操作，甚至在机器人上通过触摸屏进行操作，这些都不同程度的增加了工作人员的工作风险；3、目前的自动化装置和机器人一旦发生爆炸引发火灾没有任何反制措施，无法避免设备因火灾造成的二次损伤。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有远程操控机器人在强多径干扰的高压开关室内进行维护高压开关柜操作存在的问题，提供一种高压开关室故障排险与消防智能机器人及其应用。

本发明的具体方案是：一种高压开关室故障排险与消防智能机器人，包括机器人主体，机器人主体内设有主控系统、无线通信模块、导航模块、雷达测距模块、拍照及图像识别模块、自动灭火模块、行走模块，机器人主体外部设有机械手臂，无线通信模块接收指令数据并传递到主控系统，主控系统根据指令要求启动导航模块及行走模块使机器人移动到对应的开关柜处，然后控制拍照及图像识别模块对所述开关柜拍照并与内部存储的开关柜照片进行对比，识别出所拍摄照片中分合闸按钮的位置，然后主控系统控制所述机械手臂按下分合闸按钮，自动灭火模块判断开关柜是否有火情，若有火情则启动灭火装置，若无火情则回到原位。

本发明所述机器人主体上还设有自动灭火模块，自动灭火模块包括灭火装置、声音传感器、烟雾传感器，声音传感器用于接收开关柜局部放电的声音数据，烟雾传感器用于接收开光周围的烟雾数据，所述主控系统综合计算声音数据、烟雾数据及开关柜的图像数据得出综合数据，若综合数据达到设定的阈值则启动灭火装置进行灭火。

本发明所述导航模块采用双目视觉技术、RSSI技术和雷达协同定位进行导航。

本发明还提供一种采用上述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，包括以下步骤：

S1、采集远程无线通讯的方式，从监控中心无线发送指令到机器人，确保机器人在多金属柜体的环境中能准确、及时的收到指令，若接收解析成功，则执行步骤S2，若接收解析失败，向远程中心发送信息；

S2、机器人通过双目视觉进行导航，同时通过RSSI和雷达对机器人移动过程中纠偏和防碰，确保机器人能够正常、稳定和安全的移动到开关柜的准确位置，然后执行步骤S3；

S3、机器人通过双目视觉识别开关柜的编号，通过超声精准定位要操作的分合闸按钮，并引导机器人的机械手臂对准分合闸按钮，然后执行S4；

S4、机器人通过声音、烟雾和图像共同判断开关柜是否有爆炸发生，一旦爆炸启动灭火装置。

进一步地，所述步骤S1中机器人接收并解析指令包括以下步骤：

S11、在高压室安装两个无线收发节点，一个无线节点发送测试数据，另一个无线节点接收测试数据，测试高压室开关柜的无线通讯环境，通过定时的收发测试数据，实时监测无线信道的变化，并通过统计建模的方式，获得信道的均值和方差等参数；

S12、接收节点实时将信道参数发送给机器人，机器人使用该信道实时监听信号，机器人接收到远程控制中心的指令；

S13、机器人分析指令数据包的包头和包尾，根据约定协议判断指令数据是否完整、合理，如果指令数据完整、合理，则向远程控制中心返回成功的回复，并转向下一步；

S14、机器人解析指令，从指令中获得开关柜的编号和要执行的操作。

进一步地，所述步骤S2中机器人自动导航到开关柜位置包括以下步骤：

S21、机器人根据开关柜的编码在内部存储的开关柜位置图上，找到开关柜的实际地理位置；

S22、机器人通过双目视觉进行导航，通过设定的轨迹进行移动；

S23、机器人在移动过程中通过雷达来判断周围的障碍物，防止机器人碰到高压室内其他设备，利用RSSI距离来辅助修正双目视觉定位导航；

S24、机器人移动到开关柜位置处，调整姿态，将摄像头正对开关柜；

S25、机器人通过雷达测距，精确调整机器人和开关柜之间的距离，保证后续机械手臂能准确动作。

进一步地，所述步骤S3中机器人操作分合闸按钮，包括以下步骤：

S31、机器人通过双目视觉拍摄开关柜正面的照片；

S32、机器人利用数字图像处理算法识别照片中的数字；

S33、机器人启动容错控制机制，判断机器人对比识别的数字与收到指令中的开关柜编码是否是一致，如果一致则识别面板中需要操作的分合闸按钮，如果不一致，则引导机器人停止工作，向远程控制中心发送求助指令；

S34、机器人识别照片中的分合闸按钮，并通过超声波测距引导机械手臂移动到按钮处；

S35、机器人按下按钮，完成操作，收回机械手臂，并回到原位。

进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、机器人通过声音判断开关柜是否有局部放电的声音；

S42、机器人通过烟雾传感器判断开关柜周围是否有烟雾；

S43、机器人利用双目视觉拍摄的照片识别图中开关柜有没有因为发热而导致的图像扭曲现象；

S44、机器人通过综合判断这三个传感器的数据，如果超过设定的阈值，就自动启动灭火装置。

本发明具有以下有益效果：1、通过研究机器人物联网无线通讯技术、双目视觉智能识别技术、机器人自主移动定位技术、机器人高精度测控系统、消防联动技术，实现高压开关柜故障产生时机器人的自主移动、自主识别故障开关柜、操作机构的高精度排险，一旦发生爆炸，可自动启动消防装置第一时间灭火，最大限度的保障现场安全，避免二次事故，为处理事故赢得宝贵时间，保障电网运行安全；2、采用高可靠无线通讯技术实现了强多径效应开关室内机器人的高可靠通讯和指挥；3、使用双目视觉、超声波和RSSI协同定位导航技术实现机器人的自动导航移动，采用数字图像识别开关柜编号及分合闸按钮实现开关柜和按钮的精准定位，采用容错控制技术保障机器人能够精准运动操作按钮；4、通过声音、烟雾和图像综合判断火灾前期及时启动灭火装置，尽量降低二次火灾带来的进一步损害。

附图说明

图1为本发明的高压室开关柜智能机器人的工作流程图；

图2为本发明的机器人无线通讯流程图；

图3为本发明的机器人导航定位流程图；

图4为本发明的机器人精准控制操作流程图

图5为本发明的机器人火灾判断和灭火流程图；

具体实施方式

本实施例一种高压开关室故障排险与消防智能机器人，包括机器人主体，机器人主体内设有主控系统、无线通信模块、导航模块、雷达测距模块、拍照及图像识别模块、自动灭火模块、行走模块，机器人主体外部设有机械手臂，无线通信模块接收指令数据并传递到主控系统，主控系统根据指令要求启动导航模块及行走模块使机器人移动到对应的开关柜处，然后控制拍照及图像识别模块对所述开关柜拍照并与内部存储的开关柜照片进行对比，识别出所拍摄照片中分合闸按钮的位置，然后主控系统控制所述机械手臂按下分合闸按钮，自动灭火模块判断开关柜是否有火情，若有火情则启动灭火装置，若无火情则回到原位。

本实施例所述机器人主体上还设有自动灭火模块，自动灭火模块包括灭火装置、声音传感器、烟雾传感器，声音传感器用于接收开关柜局部放电的声音数据，烟雾传感器用于接收开光周围的烟雾数据，所述主控系统综合计算声音数据、烟雾数据及开关柜的图像数据得出综合数据，若综合数据达到设定的阈值则启动灭火装置进行灭火。

本实施例所述导航模块采用双目视觉技术、RSSI技术和雷达协同定位进行导航。

参见图1，本实施例还提供一种采用上述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，包括以下步骤：

S1、采集远程无线通讯的方式，从监控中心无线发送指令到机器人，确保机器人在多金属柜体的环境中能准确、及时的收到指令，若接收解析成功，则执行步骤S2，若接收解析失败，向远程中心发送信息；

S2、机器人通过双目视觉进行导航，同时通过RSSI和雷达对机器人移动过程中纠偏和防碰，确保机器人能够正常、稳定和安全的移动到开关柜的准确位置，然后执行步骤S3；

S3、机器人通过双目视觉识别开关柜的编号，通过超声精准定位要操作的分合闸按钮，并引导机器人的机械手臂对准分合闸按钮，然后执行S4；

S4、机器人通过声音、烟雾和图像共同判断开关柜是否有爆炸发生，一旦爆炸启动灭火装置。

参见图2，本实施例所述步骤S1中机器人接收并解析指令包括以下步骤：

S11、在高压室安装两个无线收发节点，一个无线节点发送测试数据，另一个无线节点接收测试数据，测试高压室开关柜的无线通讯环境，通过定时的收发测试数据，实时监测无线信道的变化，并通过统计建模的方式，获得信道的均值和方差等参数；

S12、接收节点实时将信道参数发送给机器人，机器人使用该信道实时监听信号，机器人接收到远程控制中心的指令；

S13、机器人分析指令数据包的包头和包尾，根据约定协议判断指令数据是否完整、合理，如果指令数据完整、合理，则向远程控制中心返回成功的回复，并转向下一步；

S14、机器人解析指令，从指令中获得开关柜的编号和要执行的操作。

信号统计的方法如下：

PDS统计算法

①、扫描统计量X的样本，以N＝100计算丢包率，以Ri(i＝1,…25)为基准分类。

②、将对应于Ri区间的PDS添加到Xi中。

③、以Xi中PDS的相邻两次连续传输失败之间的间隔Y为统计量，采用dfittool工具对样本进行统计推断和参数估计。

根据数据为样本，设置信度为0.95，对Y在25个不同的区间Ri的分布采用多种概率分布进行拟合，利用lognormal的拟合，误差最小，其概率密度函数如式

绘制25个PDR区间的分布参数u和σ的图，以及PDR区间R1～R7的概率密度曲线图。

参见图3，本实施例所述步骤S2中机器人自动导航到开关柜位置包括以下步骤：

S21、机器人根据开关柜的编码在内部存储的开关柜位置图上，找到开关柜的实际地理位置；

S22、机器人通过双目视觉进行导航，通过设定的轨迹进行移动；

S23、机器人在移动过程中通过雷达来判断周围的障碍物，防止机器人碰到高压室内其他设备，利用RSSI距离来辅助修正双目视觉定位导航；

S24、机器人移动到开关柜位置处，调整姿态，将摄像头正对开关柜；

S25、机器人通过雷达测距，精确调整机器人和开关柜之间的距离，保证后续机械手臂能准确动作。

参见图4，本实施例所述步骤S3中机器人操作分合闸按钮，包括以下步骤：

S31、机器人通过双目视觉拍摄开关柜正面的照片；

S32、机器人利用数字图像处理算法识别照片中的数字；

S33、机器人启动容错控制机制，判断机器人对比识别的数字与收到指令中的开关柜编码是否是一致，如果一致则识别面板中需要操作的分合闸按钮，如果不一致，则引导机器人停止工作，向远程控制中心发送求助指令；

S34、机器人识别照片中的分合闸按钮，并通过超声波测距引导机械手臂移动到按钮处；

S35、机器人按下按钮，完成操作，收回机械手臂，并回到原位。

参见图5，本实施例所述步骤S4包括以下步骤：

S41、机器人通过声音判断开关柜是否有局部放电的声音；

S42、机器人通过烟雾传感器判断开关柜周围是否有烟雾；

S43、机器人利用双目视觉拍摄的照片识别图中开关柜有没有因为发热而导致的图像扭曲现象；

S44、机器人通过综合判断这三个传感器的数据，如果超过设定的阈值，就自动启动灭火装置。

Claims (8)

1.一种高压开关室故障排险与消防智能机器人，包括机器人主体，其特征是：机器人主体内设有主控系统、无线通信模块、导航模块、雷达测距模块、拍照及图像识别模块、自动灭火模块、行走模块，机器人主体外部设有机械手臂，无线通信模块接收指令数据并传递到主控系统，主控系统根据指令要求启动导航模块及行走模块使机器人移动到对应的开关柜处，然后控制拍照及图像识别模块对所述开关柜拍照并与内部存储的开关柜照片进行对比，识别出所拍摄照片中分合闸按钮的位置，然后主控系统控制所述机械手臂按下分合闸按钮，自动灭火模块判断开关柜是否有火情，若有火情则启动灭火装置，若无火情则回到原位。

2.根据权利要求1所述一种高压开关室故障排险与消防智能机器人，其特征是：所述机器人主体上还设有自动灭火模块，自动灭火模块包括灭火装置、声音传感器、烟雾传感器，声音传感器用于接收开关柜局部放电的声音数据，烟雾传感器用于接收开光周围的烟雾数据，所述主控系统综合计算声音数据、烟雾数据及开关柜的图像数据得出综合数据，若综合数据达到设定的阈值则启动灭火装置进行灭火。

3.根据权利要求1所述一种高压开关室故障排险与消防智能机器人，其特征是：所述导航模块采用双目视觉技术、RSSI技术和雷达协同定位进行导航。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，其特征是：包括以下步骤：

S1、采集远程无线通讯的方式，从监控中心无线发送指令到机器人，确保机器人在多金属柜体的环境中能准确、及时的收到指令，若接收解析成功，则执行步骤S2，若接收解析失败，向远程中心发送信息；

S2、机器人通过双目视觉进行导航，同时通过RSSI和雷达对机器人移动过程中纠偏和防碰，确保机器人能够正常、稳定和安全的移动到开关柜的准确位置，然后执行步骤S3；

S3、机器人通过双目视觉识别开关柜的编号，通过超声精准定位要操作的分合闸按钮，并引导机器人的机械手臂对准分合闸按钮，然后执行S4；

S4、机器人通过声音、烟雾和图像共同判断开关柜是否有爆炸发生，一旦爆炸启动灭火装置。

5.根据权利要求4所述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，其特征是：所述步骤S1中机器人接收并解析指令包括以下步骤：

S11、在高压室安装两个无线收发节点，一个无线节点发送测试数据，另一个无线节点接收测试数据，测试高压室开关柜的无线通讯环境，通过定时的收发测试数据，实时监测无线信道的变化，并通过统计建模的方式，获得信道的均值和方差等参数；

S12、接收节点实时将信道参数发送给机器人，机器人使用该信道实时监听信号，机器人接收到远程控制中心的指令；

S13、机器人分析指令数据包的包头和包尾，根据约定协议判断指令数据是否完整、合理，如果指令数据完整、合理，则向远程控制中心返回成功的回复，并转向下一步；

S14、机器人解析指令，从指令中获得开关柜的编号和要执行的操作。

6.根据权利要求4所述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，其特征是：所述步骤S2中机器人自动导航到开关柜位置包括以下步骤：

S21、机器人根据开关柜的编码在内部存储的开关柜位置图上，找到开关柜的实际地理位置；

S22、机器人通过双目视觉进行导航，通过设定的轨迹进行移动；

S23、机器人在移动过程中通过雷达来判断周围的障碍物，防止机器人碰到高压室内其他设备，利用RSSI距离来辅助修正双目视觉定位导航；

S24、机器人移动到开关柜位置处，调整姿态，将摄像头正对开关柜；

S25、机器人通过雷达测距，精确调整机器人和开关柜之间的距离，保证后续机械手臂能准确动作。

7.根据权利要求4所述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，其特征是：所述步骤S3中机器人操作分合闸按钮，包括以下步骤：

S31、机器人通过双目视觉拍摄开关柜正面的照片；

S32、机器人利用数字图像处理算法识别照片中的数字；

S33、机器人启动容错控制机制，判断机器人对比识别的数字与收到指令中的开关柜编码是否是一致，如果一致则识别面板中需要操作的分合闸按钮，如果不一致，则引导机器人停止工作，向远程控制中心发送求助指令；

S34、机器人识别照片中的分合闸按钮，并通过超声波测距引导机械手臂移动到按钮处；

S35、机器人按下按钮，完成操作，收回机械手臂，并回到原位。

8.根据权利要求4所述智能机器人应用于高压开关室故障排险与消防的方法，其特征是：所述步骤S4包括以下步骤：

S41、机器人通过声音判断开关柜是否有局部放电的声音；

S42、机器人通过烟雾传感器判断开关柜周围是否有烟雾；

S43、机器人利用双目视觉拍摄的照片识别图中开关柜有没有因为发热而导致的图像扭曲现象；

S44、机器人通过综合判断这三个传感器的数据，如果超过设定的阈值，就自动启动灭火装置。

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