CN111754083B - 一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，根据换流站直流场设备布置，建立三维模型；利用有限元法进行恒定电场仿真，得到直流输电系统不同运行方式下的换流站直流场的空间电场分布；选择直流场典型位置利用高压直流电场测量装置进行实地测量，利用实测数值对仿真结果进行修正；根据修正后的机器人所处高度范围的直流场空间电场分布，规划智能机器人的巡检路径。本发明方法根据机器人所处高度范围的直流场空间电场分布，规划机器人的巡检路径，避开电场强度超过阈值的区域，保证巡检机器人的安全可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及换流站智能巡检技术领域，具体涉及一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法。
背景技术
近年来越来越多的直流输电工程建成投运，换流站的运行维护对直流系统的安全稳定运行具有重要作用。换流站内直流场高压设备在运行过程中产生的电晕效应，运维人员在直流场巡视等过程中偶尔产生的毛发和皮肤的刺激感，可能会给常年工作在换流站内的换流站运维人员造成一定的心理负担和影响。随着人工智能的发展，换流站内越来越多的运用智能设备来进行日常的设备运维工作，例如在线监测系统和智能巡检机器人等。
换流站直流场设备种类较多，布置结构复杂，在运行中时常发生智能巡检机器人通讯中断、定位失败等问题，可能由于换流站内局部电场较大而产生影响。而目前的研究中更多关注直流场设备和金具表面电场分布，而对直流场空间电场分析较少，也没有结合机器人巡检路径的电场分析，缺乏智能机器人巡检过程中电磁环境的分析。
现有研究多数仅考虑直流场中金具表面电场强度，而没有分析空间电场分布及其对巡检机器人可能产生的影响。如果采用设备进行测量备选巡检路径上所有点的场强情况，由于换流站直流场面积大，全部实测耗时大，而且由于直流运行方式多，不可能专门为了实测场强而改变，因此需要根据运行调度安排进行多次测量，这不现实。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，根据机器人所处高度范围的直流场空间电场分布，规划机器人的巡检路径，避开电场强度超过阈值的区域，保证巡检机器人的安全可靠运行。
本发明采取的技术方案如下：
一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，根据换流站直流场设备布置，建立三维模型；利用有限元法进行恒定电场仿真，得到直流输电系统不同运行方式下的换流站直流场的空间电场分布；选择直流场典型位置利用高压直流电场测量装置进行实地测量，利用实测数值对仿真结果进行修正；根据修正后的机器人所处高度范围的直流场空间电场分布，规划智能机器人的巡检路径。
一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，包括以下步骤：
步骤1：根据换流站直流场的实际设备布置和结构尺寸，建立三维模型；
步骤2：根据步骤1建立的三维模型，进行网格剖分，施加电压载荷和边界条件，利用有限元法进行恒定电场仿真；
步骤3：在换流站直流场中巡检路径上，选取n个典型位置，利用高压直流电场测量装置进行测量；
步骤4：将巡检区域按照测量点划分为n个区域，然后利用步骤3的测量结果对仿真结果进行修正；
步骤5：根据步骤4修正后的空间电场值，结合需要巡检的设备位置，规划智能机器人的巡检路径。
所述步骤1中，换流站直流场中的设备包括：
正极性高压直流母线部分的主要设备，其包括第一出线套管、第一隔离开关、第一平波电抗器、第一绝缘支柱、第一避雷器、第一直流电流互感器、第一阻波器、第一龙门架；
负极性高压直流母线部分的主要设备，其包括第二出线套管、第二隔离开关、第二平波电抗器、第二绝缘支柱、第二避雷器、第二直流电流互感器、第二阻波器、第二龙门架；
滤波回路部分的主要设备，其包括第一直流滤波器、第二直流滤波器；
中性线部分的主要设备，其包括直流断路器。
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、网格剖分：本专利所建立的模型不对称面的数量很多，零件数量庞大且细节较多，零件与零件间的尺寸差异也较大，剖分难度较大，无法使用扫掠进行剖分。采用用户控制网格剖分，控制网格的尺寸及各边上三角形单元的数量及分布，对每种元件逐一进行控制剖分；
步骤2.2、施加电压载荷和边界条件：
建立的换流站直流场运行方式包括：双极运行方式、单极大地回线运行方式、单极金属回线运行方式；根据不同的运行方式，电压载荷施加方式不同，在相应母线和设备设置对应的电压值；
当运行方式为双极运行方式时，给定地面、阀厅壁面、接地高架、接地的金属支架等0电位；外包尺寸大小为直流场x倍的空气包作为空气边界，设置为0电位；给定第一出线套管、第一隔离开关上的均压环、第一平波电抗器的外壳、第一绝缘支柱上的均压环、第一直流滤波器上的均压环、第一避雷器上的均压环、第一直流电流互感器上的均压环、第一阻波器上的均压环等+U电位；给定第二出线套管、第二隔离开关上的均压环、第二平波电抗器的外壳、第二绝缘支柱上的均压环、第二直流滤波器上的均压环、第二避雷器上的均压环、第二直流电流互感器上的均压环、第二阻波器上的均压环等-U电位。其中，第一、第二平波电抗器外壳部分为金属，外壳上各部分电位不同，根据电压分布，给定不同的电位值；
步骤2.3：利用有限元法进行恒定电场仿真，设置不同的运行方式进行仿真，计算直流场的空间电场分布。
所述步骤3中，在换流站直流场中巡检路径上选取n个典型位置，利用高压直流电场测量装置进行测量。在进行电场强度处理时，直流量在测量、放大、计算中比交流量难处理，必须使测量元件上得到的电力线数量产生周期性变化，这样才会使与之相应的感应电荷产生周期性变化，从而可以测出相应的直流电场强度。利用高压直流电场测量装置，将直流电场转化为周期性变化的交流量，测量装置在机器人本体高度范围内选择m个高度点进行测量，由于粒子流场等干扰因素，直流电场会不断变化，选取采样频率为f，每个点测量k个数据，分析统计规律，将k个测量数据从大到小进行排列，选择排在η％的数值作为测量点的电场值。
高压直流合成场强测量装置型号为TFMS-10，该装置采用TI公司的MSP430低功耗微控制器为主控芯片，为了实现无线通讯，将调理后的直流信号AD转换后变为数字信号，该值经过处理打包后由单片机经同步串口发送到nRF905无线模块，然后通过天线发射出去。直流电场有正负之分，为判断极性，该装置安装了一组与信号叶片结构相同的同步叶片。该装置采用场磨对直流电场进行测量，在直流电场作用下场磨旋转叶片的定片将产生一个与直流电场场强值成比例的感应电流，对该电流进行转换、滤波、调理后输出一个直流电压。该直流电压就代表了其旋转叶片表面附近的直流电场值。通过直流电场校准装置进行校准可以换算为实际线路下方电场值。
所述步骤4中，将巡检区域按照测量点划分为n个区域，然后利用测量结果对仿真结果进行修正。在进行有限元法恒定电场仿真时，由于没有考虑空间离子的影响，仿真结果会有一定误差，这时利用测量结果来对仿真结果进行修正，使仿真结果更加准确。如划分的区域A中测量点的实测值为Em，仿真值为Es，则区域A中所有点的电场仿真值均乘以比例系数p＝Em/Es进行修正。
所述步骤5中，根据修正后的空间电场值，结合需要巡检的设备位置，规划智能机器人的巡检路径。如重点关注的第一、第二平波电抗器，第一、第二直流滤波器、第一、第二隔离开关所在处的电场强度，设定电场强度在Ex以上的地方机器人不能通行，必须经过附近时，可根据电场强度采用绕行路线方式。
本发明一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，优点在于：
1)：采用本发明的方法，通过建立三维模型进行仿真计算，同时可方便的模拟直流输电的多种运行方式，可以获取多种运行方式下换流站直流场空间电场分布情况，并结合巡检机器人本身结构尺寸和巡检路径针对性的获取对应空间电场值。
2)：现有部分研究采用静电场进行计算，理论上是错误的，由于是直流，需采用恒定电场进行计算，而仅采用恒定电场计算又没有考虑空间离子影响，如果考虑空间离子，直流场设备众多，计算非常复杂，难以进行。考虑换流站直流场比直流输电线路受空间离子的影响更为复杂，本发明先采用恒定电场进行仿真计算，然后利用关键区域的实际测量数据进行修正，可以保证电场强度数据实际应用的准确度。
附图说明
图1为建立的换流站直流场的三维模型图。
图2为换流站直流场的实测点选择图。
图3为双极运行方式下换流站直流场距地面600mm平面的电场分布图。
图4为规划的智能机器人巡检路线图。
具体实施方式
下面参照附图并结合具体的实施例，对本发明作进一步的详细说明：
一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，根据换流站直流场设备布置，建立三维模型；利用有限元法进行恒定电场仿真，得到直流输电系统不同运行方式下的换流站直流场的空间电场分布；选择直流场典型位置利用高压直流电场测量装置进行实地测量，利用实测数值对仿真结果进行修正；根据修正后的机器人所处高度范围的直流场空间电场分布，规划智能机器人的巡检路径。
步骤1：如图1所示的本发明实施例建立的换流站直流场的三维模型图，如图1所示，直流场设备可分为四个部分：
正极性高压直流母线部分的主要设备1，其包括第一出线套管5、第一隔离开关6、第一平波电抗器7、第一绝缘支柱8、第一避雷器10、第一直流电流互感器11、第一阻波器12、第一龙门架13；
负极性高压直流母线部分的主要设备2，其包括第二出线套管14、第二隔离开关15、第二平波电抗器16、第二绝缘支柱17、第二避雷器19、第二直流电流互感器20、第二阻波器21、第二龙门架22；
滤波回路部分的主要设备3，其包括第一直流滤波器9、第二直流滤波器18；
中性线部分的主要设备4，其包括直流断路器23；
其中，第一、第二出线套管与阀厅相连，用来送出高压；第一、第二隔离开关用作改变电路连接和使线路或设备与电源隔离；第一、第二平波电抗器使输出的高压直流接近于理想直流；第一、第二绝缘支柱用于支撑输电导线；第一、第二避雷器可以保护高压直流输电导线和设备，当出现过电压并且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将过电压冲击电流导向大地，保护高压输电线路和设备绝缘；第一、第二直流电流互感器为光电式互感器，用于测量直流大电流；第一、第二阻波器用来阻止高频电流向其他分支泄漏，起减少高频能量损耗的作用；第一、第二龙门架用于换流站直流场末端；第一、第二直流滤波器用于阻碍并短路交流信号，与第一、第二平波电抗器一起构成滤波回路。
由于换流站直流场比较复杂且设备众多，为减小网格剖分的难度，将隔离开关、平波电抗器、直流电流互感器、直流滤波器、直流断路器等较复杂的设备作了适当简化，建立了这些设备的外壳部分，简化了内部结构，由于本发明仿真只对金属外壳加载电压，所以这些简化对仿真结果影响很小。阀厅等建筑由于外墙接地，只需建立外墙即可。
步骤2：根据所建立的三维模型，进行网格剖分，施加电压载荷和边界条件，利用有限元法进行恒定电场仿真，计算直流场的空间电场分布。仿真时需根据不同的运行方式进行设置，然后进行仿真计算，主要运行方式有双极运行方式、单极大地回线运行方式和单极金属回线运行方式。
以双极运行方式例，施加电压方法如下：
在极Ⅰ端直流系统高压回路上的母线、进线套管、平波电抗器、隔离开关等设备上加载电压+500kV，在极Ⅱ端上直流系统高压回路上的母线、进线套管、平波电抗器、隔离开关等设备上加载电压-500kV，所有中性线区域设备、接地极设备、地面、阀厅墙面、与地相接的金属部分等都加载低电位0kV。取距地面高度600mm平面上的电场强度如图2所示。图2中展示了双极性运行方式下，在距离换流站地面600mm高度的平面位置空间平面的电场分布情况。右边的色条代表电场强度数值的大小，单位为图中标注的kV/m，从截面的电场分布云图可知，双极性运行方式下，空间电场整体沿两极回路的轨迹分布，户外直流场两侧的空间电场分布在一次设备几何对称区段也具有较好的对称性。场强较大的区域主要集中在两极回路的出线套管、隔离开关、平波电抗器、绝缘支柱、避雷器、直流互感器、阻波器和龙门支架处。可根据电场数值大小判断危险区域，如图中深红色区域，然后结合智能机器人所能承受最大电场强度的要求，避开危险区域。图2仅显示了600mm高度的数值，对于机器人所在的不同高度都可以用同样的方法获得电场分布云图，并进行路径的规划，最后综合得到最合理的路径。
其它运行方式下也进行对应的电压设置和仿真计算：
当运行方式为单极大地回线运行方式时，给极Ⅰ的所有回路导线均施加+500kV电位，极Ⅱ的各段连接导线施加0电位，户外直流场的所有中性线也均设置0电位。在换流站户外直流场的外部包裹一层尺寸为200m×200m×100m的长方体空气包，长方体的各个表面电位赋值为0作为整个模型荷载的边界。
当运行方式为单极金属回线运行方式时，给极Ⅰ的所有回路导线均施加+500kV电位，与之一侧的整条中心线回路也赋值+500kV电位，极Ⅱ回路所有导线以及极Ⅱ侧中性线赋值0电位。边界条件的设置同单极大地回线运行方式的边界条件。
直流输电线路一般有正极性和负极性两条线路，这样在正常双极运行时，正极性是正向电流，负极性反向电流，电流不会经过大地，避免了大电流入地对沿线其它相关设备的干扰。又由于直流输电线路正极性和负极性可以互换，即进行两个极的极性反转。因此一般两个极用极Ⅰ和极Ⅱ表示。此处：
极Ⅰ：极I侧为说明书附图3中序号①②③所在一侧，极I侧投运时，由第一出线套管输出电压，沿着第一出线套管、第一隔离开关、第一平波电抗器、第一绝缘支柱、第一避雷器、第一直流电流互感器、第一阻波器、第一龙门架方向向外送电。
极Ⅱ：极II侧为说明书附图3中序号⑥⑦所在一侧，极II侧投运时，由第二出线套管输出电压，沿着第二出线套管、第二隔离开关、第二平波电抗器、第二绝缘支柱、第二避雷器、第二直流电流互感器、第二阻波器、第二龙门架方向向外送电。
步骤3：如图3所示，在换流站直流场中选取7个典型需要巡视的位置：位置①、位置②、位置③、位置④、位置⑤、位置⑥、位置⑦。利用高压直流电场测量装置进行测量，机器人高度为0.6m，下部分为移动部分和可转动云台，主体电路部分在0.35m～0.55m范围内，选取0.3m，0.4m，0.5m和0.6m四个高度点进行测量。进一步的，由于粒子流场等干扰因素，直流电场会不断变化，选取采样频率为0.1Hz，每个点测量100个数据，分析统计规律，将100个测量数据从大到小进行排列，选择排在80％的数值作为测量点的电场值。以距地面高度300mm，双极运行时直流电场部分测量值以及对应的仿真计算值如表1所示。
表1
通过表1中的数据对比分析，仿真结果和实际测量结果有一定误差，这就是由于前文中本专利优点中所说明的由于直流情况下，与导线极性相同的带电离子会被推离电极，从而在空间中分布有离子流，会在原来计算的标称场上叠加一个由于空间离子产生的电场，从而仿真和实测会有误差。但是与输电线路相比，由于直流场设备多，带电物体多，总体布置比输电线路复杂，因此空间离子流的分布也会随着不同设备而不同，实测结果的误差也不相同。因此选取这些有代表性的典型位置作为对比，根据这些不同的误差计算出不同的修正因素，分别适用于各自划分的区域，这样尽可能的使计算值经过修正后更接近实际电场值。
步骤4：将巡检区域按照测量点划分为7个区域，然后根据表1，利用测量结果对仿真结果进行修正；如划分的区域1为平波电抗器附近区域，测量点的实测值为10.11kV/m，仿真值为10.42kV/m，则区域1中所有点的电场仿真值均乘以比例系数p＝10.11/10.42＝0.97进行修正。
步骤5：根据修正后的空间电场值，结合需要巡检的设备位置，规划智能机器人的巡检路径，对于平波电抗器、直流滤波器、隔离开关等设备都需要巡检到位，在其路径上设定电场强度在30kV/m以上的地方机器人不能通行，考虑双极运行方式、单极大地回线运行方式和单极金属回线运行方式多种情况下机器人本体高度的空间电场情况，对相应区域进行绕行，如规划的线路如图4所示。
仿真数据进行修正处理后，圈选出巡检机器人所在高度范围内的场强值大于等于30kV/m的区域。在进行巡检路径规划时，遵循尽可能巡检到每个重要设备同时又不闯入大于等于指定临界值区域的原则。巡检路径的起点定位在距离极Ⅰ侧出线套管正东方向800mm位置，轨迹沿着极Ⅰ回路推进。如图4所示，在靠近第一平波电抗器的位置沿其作一弧线轨迹，然后在第一直流滤波器的位置沿正西方向依次巡检直至极Ⅰ侧中性线位置，然后沿着正南方向巡检极Ⅰ侧的直流滤波回路至极Ⅰ侧中性线的拐点，整体巡检轨迹按照图4所标注方向进行，能确保巡检机器人可以检测到户外直流场的所有主要电气设备，同时又能合理减少户外直流场环境下机器人在正常巡检工作中受到较强的电磁干扰。
Claims (4)
1.一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据换流站直流场的实际设备布置和结构尺寸，建立三维模型；
步骤2：根据步骤1建立的三维模型，进行网格剖分，施加电压载荷和边界条件，利用有限元法进行恒定电场仿真；
步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、网格剖分：采用用户控制网格剖分，控制网格的尺寸及各边上三角形单元的数量及分布，对每种元件逐一进行控制剖分；
步骤2.2、施加电压载荷和边界条件：
建立的换流站直流场运行方式包括：双极运行方式、单极大地回线运行方式、单极金属回线运行方式；根据不同的运行方式，电压载荷施加方式不同，在相应母线和设备设置对应的电压值；
当运行方式为双极运行方式时，给定地面、阀厅壁面、接地高架、接地的金属支架等0电位；外包尺寸大小为直流场x倍的空气包作为空气边界，设置为0电位；给定第一出线套管（5）、第一隔离开关（6）上的均压环、第一平波电抗器（7）的外壳、第一绝缘支柱（8）上的均压环、第一直流滤波器（9）上的均压环、第一避雷器（10）上的均压环、第一直流电流互感器（11）上的均压环、第一阻波器（12）上的均压环等+U电位；给定第二出线套管（14）、第二隔离开关（15）上的均压环、第二平波电抗器（16）的外壳、第二绝缘支柱（17）上的均压环、第二直流滤波器（18）上的均压环、第二避雷器（19）上的均压环、第二直流电流互感器（20）上的均压环、第二阻波器（21）上的均压环等-U电位；
其中，第一、第二平波电抗器外壳部分为金属，外壳上各部分电位不同，根据电压分布，给定不同的电位值；
步骤2.3：利用有限元法进行恒定电场仿真，设置不同的运行方式进行仿真，计算直流场的空间电场分布；
步骤3：在换流站直流场中巡检路径上，选取n个典型位置，利用高压直流电场测量装置进行测量；
所述步骤3中，利用高压直流电场测量装置，将直流电场转化为周期性变化的交流量，测量装置在机器人本体高度范围内选择m个高度点进行测量，由于粒子流场干扰因素，直流电场会不断变化，选取采样频率为f，每个点测量k个数据，分析统计规律，将k个测量数据从大到小进行排列，选择排在η%的数值作为测量点的电场值；
步骤4：将巡检区域按照测量点划分为n个区域，然后利用步骤3的测量结果对仿真结果进行修正；
步骤5：根据步骤4修正后的空间电场值，结合需要巡检的设备位置，规划智能机器人的巡检路径。
2.根据权利要求1所述一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，其特征在于：所述步骤1中，换流站直流场中的设备包括：
正极性高压直流母线部分的主要设备，其包括第一出线套管（5）、第一隔离开关（6）、第一平波电抗器（7）、第一绝缘支柱（8）、第一避雷器（10）、第一直流电流互感器（11）、第一阻波器（12）、第一龙门架（13）；
负极性高压直流母线部分的主要设备，其包括第二出线套管（14）、第二隔离开关（15）、第二平波电抗器（16）、第二绝缘支柱（17）、第二避雷器（19）、第二直流电流互感器（20）、第二阻波器（21）、第二龙门架（22）；
滤波回路部分的主要设备，其包括第一直流滤波器（9）、第二直流滤波器（18）；
中性线部分的主要设备，其包括直流断路器（23）；
其中，第一、第二出线套管与阀厅相连，用来送出高压；第一、第二隔离开关用作改变电路连接和使线路或设备与电源隔离；第一、第二平波电抗器使输出的高压直流接近于理想直流；第一、第二绝缘支柱用于支撑输电导线；第一、第二避雷器可以保护高压直流输电导线和设备，当出现过电压并且危及被保护设备绝缘时，避雷器立即动作，将过电压冲击电流导向大地，保护高压输电线路和设备绝缘；第一、第二直流电流互感器为光电式互感器，用于测量直流大电流；第一、第二阻波器用来阻止高频电流向其他分支泄漏，起减少高频能量损耗的作用；第一、第二龙门架用于换流站直流场末端；第一、第二直流滤波器用于阻碍并短路交流信号，与第一、第二平波电抗器一起构成滤波回路。
3.根据权利要求1所述一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，其特征在于：所述步骤4中，划分的区域A中测量点的实测值为Em，仿真值为Es，则区域A中所有点的电场仿真值均乘以比例系数p=Em /Es进行修正。
4.根据权利要求1所述一种换流站直流场智能巡检机器人巡检路径规划方法，其特征在于：所述步骤5中，第一、第二平波电抗器，第一、第二直流滤波器、第一、第二隔离开关所在处的电场强度，设定电场强度在Ex以上的地方机器人不能通行，必须经过附近时，可根据电场强度采用绕行路线方式。
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