CN111913182B - 一种变电站运检机器人及其带电区域隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站运检机器人及其带电区域隔离方法，旨在解决变电站运检过程中难以做到带电区域准确隔离的技术问题。其包括：机器人本体和带电区域隔离装置，带电区域隔离装置包括超声波传感模块、图像识别模块、电场测量模块、声光报警模块和控制模块，根据超声波测距、电场测距和图像识别规划机器人行动路线，控制机器人报警或闭锁。本发明能够主动隔离变电站带电区域，提升了电力行业巡检装备的整体智能化水平、保障了作业人员人身安全、缩短了停电检修时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种变电站运检机器人及其带电区域隔离方法，属于变电站智能运检技术领域。
背景技术
继电保护装置校验、一次设备电气试验是变电站内开展的一项保证电网安全稳定运行的必要工作，需要在一次设备停电的情况下进行，试验仪器是通常重达30～40kg的精密仪器。在变电站检修过程中，一般使用人工或者智能化水平极低的运输设备运输试验仪器，这类运输方式存在以下不足：
(1)变电站内电气环境复杂，停电区域与带电区域相互交错，现有运输设备不具备隔离带电区域的硬件结构与方法，作业人员易误闯带电区，工作时存在很大安全隐患；
(2)目前变电站采用的隔离带电区域的方法有：人工设置物理围栏方法，带电感应式隔离法等，设置物理围栏需要大量人力物力，且有一定的误入风险(如围栏倒塌等)，对于常规运输设备，单一的带电感应法通过感应电场强度确定带电区域，在精度上存在短板；
(3)现有运输设备电路部分简陋，不具备定制化电源供电能力，受站内环境的限制只能从固定位置的电源箱外接电源线获取电源，且需考虑不同型号仪器的输出功率对电源箱的影响，试验工作经常受到外界干扰，占用了大量停电检修时间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中变电站运检过程中难以做到带电区域准确隔离的不足，提供一种变电站运检机器人及其带电区域隔离方法，利用超声波测距、图像识别、电场强度测距等技术测量机器人本体到带电区域的距离，并根据距离控制机器人运动，实现运检机器人的带电区域主动隔离功能。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种变电站运检机器人，包括机器人本体和带电区域隔离装置，所述带电区域隔离装置包括：
超声波传感模块：用于发射和接收超声波；
电场测量模块：用于测量机器人本体周边电场强度；
图像识别模块：用于采集机器人本体周边环境图像；
控制模块：用于根据超声波传感模块发射和接收超声波的时间差测算机器人本体与带电区域的距离，根据机器人本体周边电场强度测算机器人本体与带电设备的距离，根据机器人本体周边环境图像对机器人本体进行视觉定位和导航；当根据机器人本体与带电区域的距离或者机器人本体与带电设备的距离或者机器人本体周边环境图像判定机器人本体超出设定区域时，还用于输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
报警模块：用于响应报警指令，输出报警。
结合第一方面，进一步的，所述超声波传感模块包括至少一个超声波发射模块和多个超声波感应模块，所述超声波发射模块安装在机器人本体上，用于发射超声波信号，所述超声波感应模块均匀设置在变电站停电区域与带电区域的交界处，用于接收超声波信号。
结合第一方面，进一步的，所述电场测量模块包括微型电场探头、放大滤波模块、MCU模块和Lora模块，所述微型电场探头用于探测机器人本体周边工频电场强度，微型电场探头输出的电压信号经放大滤波模块放大、滤除高频电磁干扰分量后，输出至MCU模块的ADC端口，所述MCU模块采集ADC端口的电压信号，利用软件滤波消除电压信号的外部干扰，滤波后的电压信号由Lora模块传输至控制模块。
结合第一方面，进一步的，变电站运检机器人还包括供电装置，所述供电装置包括蓄电池组、功率调节模块、Boost斩波模块和逆变滤波模块，所述蓄电池组输出的直流电经功率调节模块功率调节后输入Boost斩波模块，Boost斩波模块输出5V、48V和400V直流电，其中，400V直流电输入逆变滤波模块，经过逆变滤波后输出220V交流电。
结合第一方面，进一步的，所述逆变滤波模块包括全桥逆变电路和LC滤波电路，所述全桥逆变电路的输入端连接400V直流电，全桥逆变电路的输出端连接所述LC滤波电路的一端，LC滤波电路的另一端输出220V交流电。
第二方面，本发明提供了一种用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，所述方法至少包括步骤A、步骤B和步骤C中的任意两个步骤：
步骤A：根据机器人本体与带电区域间超声波的往返时间测算机器人本体与带电区域的距离R1，若R1超出设定阈值，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤B：测量机器人本体周边电场强度，根据电场强度测算机器人本体与带电设备的距离R2，若R2超出设定安全距离，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤C：采集机器人本体周边环境图像，根据机器人本体周边环境图像对机器人进行实时视觉定位，当机器人本体超出设定工作区域时，输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令。
结合第二方面，进一步的，所述方法还包括如下步骤：
根据机器人运检工作需求预先设置机器人工作区域，并从变电站数据库中提取工作区域图像数据；
利用安装在机器人本体上的图像识别模块实时采集机器人周围环境图像，基于图像识别技术对采集到的环境图像和工作区域图像数据进行匹配，获得机器人本体当前位置，实现实时视觉定位；
根据机器人本体当前位置和预先设置的机器人工作区域生成机器人行动路线，实现机器人本体导航。
结合第二方面，进一步的，测量距离R1的方法包括如下步骤：
在机器人本体上安装超声波发射模块，沿停电区域与带电区域的交界处均匀设置多个超声波感应模块，利用超声波发射模块向超声波感应模块发射超声波信号，超声波感应模块接收到超声波信号后，根据超声波信号发射到接收的时间差计算机器人本体到带电区域的距离R1。
结合第二方面，进一步的，测量距离R2的方法包括如下步骤：
在机器人本体上安装电场测量模块，基于低频电厂强度测量技术，利用电场测量模块中微型电场探头的U型铜质导体感知微电流，实时测量机器人本体周边电场强度，将机器人本体周边电场强度与电场-距离关系库中的数据比较，获取机器人本体与带电设备的距离R2。
结合第二方面，进一步的，所述安全距离包括报警阈值T1和闭锁阈值T2，当距离R1或R2低于报警阈值T1时，输出报警指令；当距离R1或R2低于闭锁阈值T2时，输出报警指令与机器人闭锁指令。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提出了一种变电站运检机器人及其带电区域隔离方法，运检机器人通过图像识别技术定位机器人本体位置并进行导航，在机器人运检过程中，通过超声波和电场强度实时测量机器人本体与带电区域的距离，通过图像识别进行机器人视觉定位，避免机器人本体靠近或误入带电区域，实现了对带电区域的主动隔离。
与现有技术中的带电区域隔离设备或方法相比，本发明自动化程度更高，进行多维度数据测量，距离测量的精准度更高，提升了电力行业巡检装备的整体智能化水平、保障了作业人员人身安全、缩短了停电检修时间，具有重要意义。
本发明机器人的供电装置通过蓄电池供电，不收受站内环境的限制，提供多组交流、直流量输出，可以适用各种试验仪器的需求，提高运检效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种变电站运检机器人的结构示意图。
图2是本发明实施例所提供的电场测量模块的结构示意图。
图3是本发明实施例所提供的供电装置的电路示意图。
图4是本发明实施例所提供的一种适用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法的步骤流程图。
图中：1是机器人本体，2是带电区域隔离装置，3是供电装置，201是超声波传感模块，202是图像识别模块，203是电场测量模块，204是报警模块，205是控制模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种变电站运检机器人，如图1所示，包括机器人本体1、带电区域隔离装置2和供电装置3，带电区域隔离装置和供电装置分别安装在机器人本体上，带电区域隔离装置用于在机器人本体运动过程中帮助机器人本体主动隔离带电区域，机器人本体用于运输变电站检测所需的试验仪器，供电装置用于给机器人本体、带电区域隔离装置和试验仪器供电。
带电区域隔离装置包括超声波传感模块201、图像识别模块202、电场测量模块203、报警模块205和控制模块205，超声波传感模块主要用于发射和接收超声波；电场测量模块用于测量机器人本体周边电场强度；图像识别模块用于采集机器人本体周边环境图像；控制模块用于根据超声波传感模块发射和接收超声波的时间差测算机器人本体与带电区域的距离，根据机器人本体周边电场强度测算机器人本体与带电设备的距离，根据机器人本体周边环境图像对机器人本体进行视觉定位和导航；当根据机器人本体与带电区域的距离或者机器人本体与带电设备的距离或者机器人本体周边环境图像判定机器人本体超出设定区域时，还用于输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；报警模块用于响应报警指令，输出报警。
超声波传感模块包括至少一个超声波发射模块和多个超声波感应模块，超声波发射模块安装在机器人本体上，可以定时向外发射超声波信号，多个超声波感应模块均匀设置在变电站停电区域与带电区域的交界处，一般等距离的固定安装在停电区域的安全围栏上，超声波感应模块用于接收超声波发射模块发射的超声波信号。控制模块根据超声波发射到接收的时间差就可以计算出当前时刻超声波发射模块到超声波感应模块的距离，即机器人本体到带电区域的距离。图像识别模块选用全景摄像头，全景摄像头实时采集机器本体周围360°的环境图像，并通过有线或无线方式将图像传输到控制模块。
本发明实施例中的电场测量模块如图2所示，包括微型电场探头2031、放大滤波模块2032、MCU模块2033、Lora模块2034、电池电压采集模块2035、锂电池2036，其中，微型电场探头工作在无源状态，用于探测机器人本体周边工频电场强度，微型电场探头输出的微弱电压信号经放大滤波模块放大，并滤除高频电磁干扰分量后，输出至MCU模块的一个ADC端口，MCU模块采集该ADC端口的电压信号，利用软件滤波消除电压信号的外部干扰，滤波后的电压信号由Lora模块传输至控制模块，实现电场强度数据的无线透传。放大滤波模块、Lora模块、MCU模块由锂电池供电，为了实时掌握锂电池电压情况，电池电压采集模块通过电阻分压的方式将锂电池电压转换为MCU可读取的ADC信号，传输到MCU模块的另一个ADC端口。当锂电池馈电时，锂电池可以通过充电保护模块2037和外部电源接口2038连接外部电源，进行锂电池充电操作。控制模块获得电场强度数据后，将测量的电场强度与系统内录入的数据匹配，可以直接测算出当前时刻机器人本体与带电设备的距离。
如图3所示，本发明实施例中的供电装置包括蓄电池组301、功率调节模块302、Boost斩波模块303和逆变滤波模块304，蓄电池组输出的直流电经功率调节模块功率调节后输入Boost斩波模块，Boost斩波模块输出5V、48V和400V直流电，其中，400V直流电输入逆变滤波模块，经过逆变滤波后输出220V交流电。功率调节模块包括多个可调多功率管，逆变滤波模块包括全桥逆变电路和LC滤波电路，全桥逆变电路的输入端连接400V直流电，全桥逆变电路的输出端连接LC滤波电路的一端，LC滤波电路的另一端输出220V交流电。本发明供电装置可以给机器人本体和试验仪器提供高电能质量电源，通过调节并联功率管可以实现仪器用电的功率自适应调节，满足变电站运检过程中的不同电量需求。以继电保护工作为例，供电装置不仅可以为精密试验仪器提供电源，还可以增强试验仪器模拟复杂工况下的电压、电流多次变化、开入量翻转的过程，提升了继电保护装置调试中的复杂网故障模拟能力。以500kV线路保护装置为例，新增可模拟故障类型15种(如线路故障跳闸后零序电流模拟，同杆双回线转换故障模拟等)，提升了继电保护工作质量。
在机器人开始工作前，由工作人员或者机器人控制系统为机器人设置工作区域和目标工作位置，控制模块根据机器人本体到带电区域的距离、机器人本体到带电设备的距离、机器人本体周围环境图像和机器人工作区域信息等来确定机器人位置、控制机器人在工作区域内运动，机器人离开工作区域或者靠近带电区域都会进行报警，并根据情况锁定机器人，避免机器人误入带电区域。
在变电站中，开关场内带电体较多，电场复杂程度在保护室之上，通过电场测量模块和超声波传感模块可以多维度测量距离，更精准的判断开关场的带电区域，提高测量精度。此外，变电站内的开关场一般处于室外开放区域，在变电站与5G基站合建的情况下，可以在机器人上安装5G通信模块，支持边缘计算，工作人员携带北斗或者GPS定位装置，利用5G通信和定位技术实现工作人员运动轨迹的精准描述，确保工作人员在安全区域内活动，如果工作人员脱离安全区域，机器人自动报警。
本发明还提供了一种适用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，如图4所示，该方法至少包括步骤A、步骤B和步骤C中的任意两个步骤：
步骤A：根据机器人本体与带电区域间超声波的往返时间测算机器人本体与带电区域的距离R1，若R1超出设定阈值，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤B：测量机器人本体周边电场强度，根据电场强度测算机器人本体与带电设备的距离R2，若R2超出设定安全距离，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤C：采集机器人本体周边环境图像，根据机器人本体周边环境图像对机器人进行实时视觉定位，当机器人本体超出设定工作区域时，输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令。
在步骤A中，测量距离R1的方法包括如下步骤：
在机器人本体上安装超声波发射模块，沿停电区域与带电区域的交界处均匀设置多个超声波感应模块，利用超声波发射模块有规律的向超声波感应模块发射超声波信号，超声波感应模块接收到超声波信号后，根据超声波信号发射到接收的时间差计算机器人本体到带电区域的距离R1。
在步骤B中，测量距离R2的方法包括如下步骤：
预先测量变电站内各测点的电场强度以及位置坐标，根据位置坐标计算各测点之间的距离，将电场强度和距离录入电场-距离关系库。在机器人本体上安装电场测量模块，基于低频电厂强度测量技术，利用电场测量模块中微型电场探头的U型铜质导体感知微电流，实时测量机器人本体周边电场强度，将机器人本体周边电场强度与电场-距离关系库中的数据比较，获取机器人本体与带电设备的距离R2。
为了更好的实现带电区域隔离效果，本发明根据变电站内道路的宽度、带电区域大小等设置安全距离，安全距离包括报警阈值T1和闭锁阈值T2，在本发明实施例中，报警阈值T1取值为0.2m，闭锁阈值T2取值为0.5m。将距离R1或R2分别与报警阈值T1和闭锁阈值T2比较，当距离R1或R2低于报警阈值T1时，输出报警指令，执行报警指令可以控制机器人本体上的报警模块进行声光报警；当距离R1或R2低于闭锁阈值T2时，输出报警指令与机器人闭锁指令，在控制机器人本体报警的同时，机器人闭锁指令可以闭锁机器人本体并切断机器人的动力电源，使机器人停止运动。在实际操作过程中，执行完机器人闭锁指令后，可以由相关人员将停止运动的机器人移走，也可以由启动命令重新启动机器人并控制机器人远离带电区域，实现变电站运检机器人的带电区域主动隔离。
在本发明实施例中，带电区域隔离方法还包括如下步骤：
步骤D、根据机器人运检工作需求预先设置机器人工作区域，并从变电站数据库中提取工作区域图像数据。具体的，在变电站运检工作中，利用变电站内部影像、变电站建筑图纸等构建变电站数据库，在工作人员为运检机器人开具变电站第一(二)种工作票时，可以根据当前的机器人运检工作需求(如检测区域、检测设备、检测内容、试验仪器等)，由人工或系统预先设置机器人工作区域，并从变电站数据库中提取工作区域图像数据。
步骤E、机器人开始工作后，利用安装在机器人本体上的图像识别模块实时采集机器人周围环境图像，基于图像识别技术对采集到的环境图像和工作区域图像数据进行匹配，获得机器人本体当前位置，实现机器人实时视觉定位。
步骤F、根据机器人本体当前位置和预先设置的机器人工作区域生成机器人行动路线，实现机器人本体导航，具体的路径规划算法可使用现有技术中的成熟算法。
本发明通过实时视觉定位和导航功能判断机器人本体是否在设置的工作区域内，当机器人本体超出设定工作区域时，输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令，实现带电区域主动隔离。本发明适用于变电站运检工作，一方面可以自动规划运动路线，另一方面在运输过程中能够主动感知并隔离带电区域，避免误入带电区域，而且本发明机器人具有单独的供电装置，不受变电站环境限制，可以有效提高停电检修效率。除了变电站运检领域，本发明机器人还可以应用于地下矿井勘探，在满足基础运输功能的同时，其视觉定位可以保障工作人员的安全，增配瓦斯告警功能提升工作安全性；本发明机器人还可以应用于抗击疫情工作，自适应供电功能可以实现各种医疗设备的临时供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种变电站运检机器人，
其特征在于，包括机器人本体和带电区域隔离装置，所述带电区域隔离装置包括：
超声波传感模块：用于发射和接收超声波；
电场测量模块：用于测量机器人本体周边电场强度；
所述电场测量模块包括微型电场探头、放大滤波模块、MCU模块和Lora模块，所述微型电场探头用于探测机器人本体周边工频电场强度，微型电场探头输出的电压信号经放大滤波模块放大、滤除高频电磁干扰分量后，输出至MCU模块的ADC端口，所述MCU模块采集ADC端口的电压信号，利用软件滤波消除电压信号的外部干扰，滤波后的电压信号由Lora模块传输至控制模块；
图像识别模块：用于采集机器人本体周边环境图像；
控制模块：用于根据超声波传感模块发射和接收超声波的时间差测算机器人本体与带电区域的距离，根据机器人本体周边电场强度测算机器人本体与带电设备的距离，根据机器人本体周边环境图像对机器人本体进行视觉定位和导航；当根据机器人本体与带电区域的距离或者机器人本体与带电设备的距离或者机器人本体周边环境图像判定机器人本体超出设定区域时，还用于输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
控制模块获得电场强度数据后，将测量的电场强度与系统内录入的数据匹配，可以直接测算出当前时刻机器人本体与带电设备的距离；
报警模块：用于响应报警指令，输出报警。
2.根据权利要求1所述的一种变电站运检机器人，其特征在于，所述超声波传感模块包括至少一个超声波发射模块和多个超声波感应模块，所述超声波发射模块安装在机器人本体上，用于发射超声波信号，所述超声波感应模块均匀设置在变电站停电区域与带电区域的交界处，用于接收超声波信号。
3.根据权利要求1所述的一种变电站运检机器人，其特征在于，变电站运检机器人还包括供电装置，所述供电装置包括蓄电池组、功率调节模块、Boost斩波模块和逆变滤波模块，所述蓄电池组输出的直流电经功率调节模块功率调节后输入Boost斩波模块，Boost斩波模块输出5V、48V和400V直流电，其中，400V直流电输入逆变滤波模块，经过逆变滤波后输出220V交流电。
4.根据权利要求3所述的一种变电站运检机器人，其特征在于，所述逆变滤波模块包括全桥逆变电路和LC滤波电路，所述全桥逆变电路的输入端连接400V直流电，全桥逆变电路的输出端连接所述LC滤波电路的一端，LC滤波电路的另一端输出220V交流电。
5.一种用于权利要求1至4任一项所述变电站运检机器人的带电区域隔离方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤A、步骤B和步骤C中的任意两个步骤：
步骤A：根据机器人本体与带电区域间超声波的往返时间测算机器人本体与带电区域的距离R1，若R1超出设定阈值，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤B：测量机器人本体周边电场强度，根据电场强度测算机器人本体与带电设备的距离R2，若R2超出设定安全距离，则输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令；
步骤C：采集机器人本体周边环境图像，根据机器人本体周边环境图像对机器人进行实时视觉定位，当机器人本体超出设定工作区域时，输出报警指令或者输出报警指令与机器人闭锁指令。
6.根据权利要求5所述的一种用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：
根据机器人运检工作需求预先设置机器人工作区域，并从变电站数据库中提取工作区域图像数据；
利用安装在机器人本体上的图像识别模块实时采集机器人周围环境图像，基于图像识别技术对采集到的环境图像和工作区域图像数据进行匹配，获得机器人本体当前位置，实现实时视觉定位；
根据机器人本体当前位置和预先设置的机器人工作区域生成机器人行动路线，实现机器人本体导航。
7.根据权利要求5所述的一种用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，其特征在于，测量距离R1的方法包括如下步骤：
在机器人本体上安装超声波发射模块，沿停电区域与带电区域的交界处均匀设置多个超声波感应模块，利用超声波发射模块向超声波感应模块发射超声波信号，超声波感应模块接收到超声波信号后，根据超声波信号发射到接收的时间差计算机器人本体到带电区域的距离R1。
8.根据权利要求5所述的一种用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，其特征在于，测量距离R2的方法包括如下步骤：
在机器人本体上安装电场测量模块，基于低频电厂强度测量技术，利用电场测量模块中微型电场探头的U型铜质导体感知微电流，实时测量机器人本体周边电场强度，将机器人本体周边电场强度与电场-距离关系库中的数据比较，获取机器人本体与带电设备的距离R2。
9.根据权利要求5所述的一种用于变电站运检机器人的带电区域隔离方法，其特征在于，所述安全距离包括报警阈值T1和闭锁阈值T2，当距离R1或R2低于报警阈值T1时，输出报警指令；当距离R1或R2低于闭锁阈值T2时，输出报警指令与机器人闭锁指令。
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