CN113517651B - 无线传感器型电缆沟综合预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统运行维护领域，具体为无线传感器型电缆沟综合预警装置及方法。该装置在巡检机器人的本体上设置控制器、电源模块、传感采集模块和数据传输模块。传感采集模块包括电动伸缩杆和探头固定座，所述电动伸缩杆的一端和巡检机器人本体连接，所述电动伸缩杆的伸缩端和探头固定座固定连接，所述探头固定座上设有传感器用以采集信息。本发明在慢速行驶以及安装在伸缩机构上的探头可以减少内部气体的扰动，准确测出环境中各气体的含量。同时公开的一种深度预警电缆沟故障隐患的方法，应用上述装置通过对环境信息和电气信息的采集和分析对故障作出较早的预警。

Description

无线传感器型电缆沟综合预警装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行维护领域，具体为无线传感器型电缆沟综合预警装置及方法。

背景技术

电缆沟是用以敷设电力或通信电缆的地下管道或沟道，也是被敷设电缆设施的外围保护结构。随着城市不断发展，变电站电缆沟、电缆半层以其占地面积小、隐蔽性高等优点在电网建设中获得了广泛的应用。然而目前电缆沟的巡检工作往往依靠人工来完成，通过人工检查手段对电缆运行情况及电缆运行环境进行巡检。而人工巡检需人力开启厚重的电缆沟盖板开展测温巡视，大部分电缆沟道防水、防火、通风能力不足，沟道内空气浑浊，可能存在有害气体，电缆击穿易产生瞬间大电流，对周围人员造成人身伤害，因此，需要一种能够代替人工来进行电缆沟巡检的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了具有准确检测电缆沟内部参数及时发出预警信息的无线传感器型电缆沟综合预警装置。

本发明要解决的技术问题的技术方案是：无线传感器型电缆沟综合预警装置，包括巡检机器人本体，其特征在于：所述巡检机器人本体设有控制器、电源模块、传感采集模块和数据传输模块，所述电源模块、传感采集模块、数据传输模块和控制器电气连接，电缆沟盖板的下部设有轨道，所述巡检机器人沿所述轨道移动；所述传感采集模块包括电动伸缩杆和探头固定座，所述电动伸缩杆的一端和巡检机器人本体连接，所述电动伸缩杆的伸缩端和探头固定座固定连接，所述探头固定座上设有温湿度传感器、VOC气体浓度传感器、氧气浓度传感器和二氧化硫气体浓度传感器；所述电动伸缩杆用以将传感器伸入巡检机器人无法到达的位置，所述巡检机器人本体上还设有水位检测装置；巡检机器人在电缆沟内部缓慢移动过程中采集电缆沟内部的环境参数和电气参数，当所述环境参数或电气参数超过设定阈值时向上位机系统或服务器发出预警信息。

更好的，所述巡检机器人设有检测舵机或云台，电动伸缩杆的端部和检测舵机或者云台固定连接。

更好的，所述轨道的上部的两侧设有向上开口的滑槽，两个滑槽的中部间隔设置固定杆，所述固定杆的上端用以与电缆沟盖板的底部连接；所述轨道安装在电缆沟盖板的下部，所述巡检机器人本体设有电动滚轮，所述电动滚轮嵌在滑槽内部；所述轨道的终端设有环形的调头轨道。

更好的，所述电动滚轮的前部设有盖板检测装置，所述盖板检测装置包括弹性探测杆、设置在弹性探测杆端部的移动滚轮，设置于弹性探测杆下部的检测开关；所述弹性探测杆的端部和巡检机器人本体固定连接；

在前部轨道缺失时，弹性探测杆向下移动触发检测开关；控制器检测到检测开关被触发时停止向前移动并发出盖板异常的报警信息。

更好的，所述轨道为安装在电缆沟盖板下部的永磁铁；所述巡检机器人本体设有移动机构；所述移动机构包括第一吸附组件和第二吸附组件，所述第一吸附组件和第二吸附组件通过转向舵机转动连接；

所述第一吸附组件包括两个轴承固定板和吸附轨道；所述轴承固定板的两侧分别通过轴承与滚轴连接，滚轴的两端设置有滚轮，所述轴承固定板的中部设有驱动电机用以驱动滚轮转动；所述吸附轨道相对的侧面设置有滑动槽；所述滚轮安装在滑动槽的内部；所述滑动槽的宽度大于滚轮的直径；所述吸附轨道的上部设有电磁吸附装置，所述电磁吸附装置为绕设有线圈绕组的铁芯；所述铁芯与永磁铁吸附用以将巡检机器人挂设在盖板上；

需要移动时，给线圈绕组通入电流使铁芯上端产生与永磁铁下端相同的极性，进而使铁芯与永磁铁脱离；

所述第二吸附组件和第一吸附组件的结构相同，所述巡检机器人本体安装在第二吸附组件的下部。

更好的，所述铁芯的上部设有位置检测凹槽，所述位置检测凹槽内部设有破损检测开关，在电磁吸附装置的铁芯与永磁铁吸附时，触发破损检测开关；

所述破损检测开关与控制器电气连接，所述破损检测开关动作后，控制器发出轨道异常报警信号，并向管理人员发送盖板异常的预警信息。

更好的，所述滑动槽的外侧设有挡板用以防止滚轮滑出。

一种深度预警电缆沟故障隐患的方法，应用无线传感器型电缆沟综合预警装置，巡视过程中：

检测到温度、湿度、VOC气体浓度、二氧化硫气体浓度达到报警阈值时，给服务器发送预警信号和位置信息，提示维修维护人员维修；

检测完成后所有位置的检测数据未达到报警阈值时：

首先，对环境参数做区域平均值计算；

然后，判断各检测点的环境参数与平均值的差值是否大于区域预警阈值；

之后，将环境参数与环境参数平均值的差值大于区域预警阈值的所有检测点标定为再次预警检测区域；

最后，在第一次巡检完成后对再次预警检测区域进行第二次检测，并发送区域预警信息。

更好的，所述巡检机器人在进行再次预警检测区域检测时，控制检测舵机或者云台将探头固定座对区域内的角落位置进行环境参数的检测；并确定在再次预警检测区域内部的环境参数最高值，进而确定故障预警点，并进行故障预警报警。

本发明的有益效果为：

1、可以代替人工对电缆沟进行巡视，降低了工作人员的劳动强度.

2、慢速行驶以及安装在伸缩机构上的探头可以减少内部气体的扰动，准确测出环境中各气体的含量。

3、伸缩机构和云台机构可以使探头伸向较为紧凑的空间内部如两个电缆之间的位置、拐角处的角落里等，准确测试环境参数和电气参数。

4、轨道固定在盖板的下部，巡检机器人可以在行驶中检测盖板的完整程度，及时发现盖板受损的情况。

附图说明

图1是本发明一种轨道式移动的机器人的实施例的示意图。

图2是本发明一种轨道式移动的机器人检测盖板的实施例的示意图。

图3是本发明一种蠕动式移动的机器人的实施例的立体图。

图4是本发明一种蠕动式移动的机器人的实施例的主视图。

图5是本发明一种蠕动式移动的机器人的实施例的示意图。

图6是本发明一种用以盖板检测的实施例的示意图。

图7是本发明一种实施例的轨道的示意图。

图中：

553、破损检测开关；610、盖板；502、第二吸附组件；501、第一吸附组件；552、位置检测凹槽；551、铁芯；550、电磁吸附装置；541、滑动槽；535、驱动电机；532、滚轮；531、滚轴；540、吸附轨道；530、轴承固定板；520、转向舵机；510、永磁铁；433、检测开关；432、移动滚轮；431、弹性探测杆；420、固定杆；410、滑槽；210、检测舵机；120、探头固定座；110、电动伸缩杆。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。

无线传感器型电缆沟综合预警装置，包括巡检机器人本体，所述巡检机器人本体设有控制器、电源模块、传感采集模块和数据传输模块，所述电源模块、传感采集模块、数据传输模块和控制器电气连接。巡检机器人本体设有移动机构用以在电缆沟内部移动。为了减少对内部空气的扰动，提高检测的准确度，传感采集模块包括电动伸缩杆110和探头固定座120。在需要检测角落、高处或特定的位置如电缆接头等位置时，可以通过电动伸缩杆110将探头移动到巡检机器人本体无法到达的位置。其中所述电动伸缩杆110的一端和巡检机器人本体连接，可以是铰接连接或者通过云台或者舵机连接。所述电动伸缩杆110的伸缩端和探头固定座120固定连接。所述探头固定座120上设有温湿度传感器、VOC气体浓度传感器、氧气浓度传感器和二氧化硫气体浓度传感器；所述巡检机器人本体上还设有水位检测装置。水位检测装置可以为水位探测仪、液位仪等。巡检机器人在特定的时间循环对电缆沟进行检测，也可以在收到检测指令后启动对电缆沟的检测。在不检测的状态，巡检机器人在电缆沟的初始位置，初始位置可以电缆沟的一个端点。在进行巡检作业时，首先控制电动伸缩杆向电缆沟预行驶方向伸出，并采集环境数据信息。在电动伸缩杆110全部伸出之后，再控制巡检机器人缓慢在电缆沟内部移动，完成对整个电缆沟的巡检。在巡检过程中将环境数据实时传输到上位机系统。通过缓慢的移动以及可以伸缩的探头可以大大降低机械结构的运动产生的气流的扰动，进而可以提高检测的准确度。

上述的传感器用以检测环境参数和电气参数，上述参数可以反应电缆沟内部电缆发生的变化，进而可以通过参数的变化确定电缆出现的问题，同时出于对电缆的防护，还需要保持电缆沟盖板610的完好，因此需要对电缆沟的盖板的情况进行检测。

为了能够实现对电缆沟盖板覆盖情况的检测，防止因电缆沟盖板的破损导致电缆的损坏，同时方便巡检机器人在电缆沟内部有序的移动，在电缆沟的内部设置了巡检机器人移动的轨道。将巡检机器人的移动轨道设置在盖板的下部。所述轨道设置在电缆盖板的下部且与电缆盖板的下部固定连接。所有的电缆盖板的下部都设有轨道，所有的轨道组成一个长的轨道。此时，除了可检测盖板之外还可以防止在电缆沟积水的情况下，对巡检机器人造成的破坏，起到保护巡检机器人的作用。有以下两种方式的轨道以及与轨道配合的移动机构：

实施例1

如图1所示，所述轨道的上部的两侧设有向上开口的滑槽410，两个滑槽410的中部间隔设置固定杆420，所述固定杆420的上端用以与盖板610的底部连接。轨道的整体形状为一段条状的块体，在其长度方向上开设滑槽410，滑槽410上部的开口用以插接滚轮。所有的盖板下部的一段轨道拼接成一个长的轨道。固定杆420的长度方向和轨道的长度方向垂直，在固定杆的上端可以设置折边并在折边上开设通孔，通过螺丝与电缆沟盖板610进行固定。同时轨道与电缆沟盖板的底部之间存在可放置滚轮的间隙。

巡检机器人本体设有电动滚轮，所述电动滚在轨道的滑槽内部滑动。如图1所示，电动滚轮包括驱动电机、与驱动电机转轴连接的轮子。为了保证受力均衡，在巡检机器人本体的左侧设置一个侧方的滚轮，侧方的滚轮在轨道外侧壁上滚动，对巡检机器人本体起到支撑作用，同时减小电动电动滚轮的轮子与滑槽的摩擦力。

电缆沟道和道路一样，同样存在交叉口，对于交叉口的位置，需要实现直行轨道与分支轨道的连接。以在直行轨道和分支轨道垂直交叉为例，分支轨道和直行轨道组成T形交叉口，其中竖直方向上的为直行轨道，与之垂直的水平的轨道为分支轨道。由上文可知轨道包括设置在两侧的两个滑槽，因此分支轨道的端部会存在两个端口。这两个端口需要连接直行轨道上的一个滑槽。因此在执行轨道上需要将滑槽打断，直线形的滑槽被打断之后同样产生两个端口，为了实现轨道滑槽的对接，即直行轨道中部断开的两个端口与分支轨道端部的端口的顺滑连接，在两个端口之间设置圆滑的弧形的滑槽以实现直行轨道的滑槽与分支轨道的滑槽的连接。

为了实现巡检机器人的调头，如图7所示，所述轨道的终端设有环形的调头轨道。这种轨道下巡检机器人的行走路线是根据轨道确定的。

此时，为了实现电缆盖板的检测，如图2所示，所述电动滚轮的前部设有盖板检测装置，所述盖板检测装置包括弹性探测杆431、设置在弹性探测杆431端部的移动滚轮432，设置于弹性探测杆431下部的检测开关433。所述弹性探测杆431的端部和巡检机器人本体固定连接。正常状态下，由于移动滚轮432的支撑作用，弹性探测杆431与检测开关433处在脱离的状态，在前部的盖板被打开，或者是盖板断裂之后，轨道的位置会发生变化，如图2所示，正常状态下，电缆沟盖板之间的间隙会很小，当电缆沟的盖板610被掀开之后，此处的轨道就会消失，消失的轨道会与先前的轨道之间产生一个落差，进而在移动滚轮脱离轨道之后，就会失去轨道的支撑而下移，下移的移动滚轮432带动弹性探测杆431下移，移动滚轮432向下移动触发检测开关433。检测开关可以是自复位按钮开关、感应开关、接近开关、行程开关等。在前部轨道缺失时，弹性探测杆431向下移动触发检测开关433；控制器检测到检测开关433被触发时停止向前移动并发出盖板损害的报警信息。

实施例2

所述轨道包括安装在盖板下部的永磁铁510，每个盖板的下部设有至少四个永磁铁，永磁铁成两行排列。电缆沟盖板紧邻且连接的排列以实现对电缆沟的覆盖，位于盖板下部的永磁铁在盖板连续排列的情况下形成点状连续的轨迹，进而形成一个可以吸附巡检机器人并辅助巡检机器人移动的轨道。所述移动机构包括上下设置的第一吸附组件501和第二吸附组件502，所述第一吸附组件501和第二吸附组件502通过转向舵机520转动连接。两个吸附组件通过转向舵机可以产生任意的转弯角度，进而可以实现在电缆沟交叉口的转向。第一吸附组件和第二吸附组件在结构上相同，在尺寸上设有差异。第一吸附组件和第二吸附组件通过交替吸附的方式进行移动。

所述第一吸附组件包括两个轴承固定板530和吸附轨道540；

所述轴承固定板530的两侧分别通过轴承与滚轴531连接，滚轴531的两端设置有滚轮532，所述轴承固定板530的中部设有驱动电机535用以驱动滚轮532转动。所述吸附轨道540相对的侧面设置有长度方向为水平方向的滑动槽541。所述滚轮532安装在滑动槽541的内部且可以在滑动槽内部滚动。所述滑动槽的槽口的高度大于滚轮的直径，此时，滚轮与滑动槽的底部抵接时，滚轮的上部和滑动槽的上部之间存在间隙。更好的，所述滑动槽541的外侧设有挡板用以防止滚轮滑出。所述吸附轨道540的上部设有电磁吸附装置550，所述电磁吸附装置550为绕设有线圈绕组的铁芯551；所述铁芯与永磁铁510吸附用以将巡检机器人挂设在盖板上。

需要移动时，给线圈绕组通入电流使铁芯上端产生与永磁铁下端相同的极性，进而使铁芯与永磁铁脱离；所述第二吸附组件和第一吸附组件的结构相同，所述巡检机器人本体安装在第二吸附组件的下部。

其移动的过程中：

第一吸附组件通过电磁吸附装置550吸附永磁铁。第二吸附组件的电磁吸附装置550通电使其极性与永磁铁510相同，解除对第二吸附组件的电磁吸附装置550的吸附作用，此时，第二吸附组件的滚轮532的上部与滑动槽541的上部抵接，控制滚轮可以使第二吸附组件向前移动，之后断开第二吸附组件的电磁吸附装置550的电源。在第二吸附组件到达特定位置时，与下移盖板的永磁体吸附并固定。

之后，控制第一吸附组件的电磁吸附装置550通电，解除第一吸附组件的吸附作用，此时在重力的作用下，第二吸附组件的滚轮532与第二吸附组件的滑槽410的下部抵接，此时启动第二吸附组件的驱动电机，就可以实现巡检机器人本体以及第一吸附组件整体的向前移动，在移动到第二吸附组件的前端之后，可以控制第一吸附组件利用上述的控制方法向前移动，第一、二吸附组件通过交替的移动可以实现巡检机器人的向前移动，由于滚轮在移动的过程中，滚轮通过与滑槽上部和下部的抵接实现两者相对移动的换向，进而减小了对驱动电机的换向的需求，同时降低的控制难度。

更好的，为了实现对盖板以及轨道的检测，所述铁芯551的上部设有位置检测凹槽552，所述位置检测凹槽552内部设有破损检测开关553，在电磁吸附装置的铁芯与永磁铁吸附时，触发破损检测开关553。所述破损检测开关553与控制器电气连接，所述破损检测开关553动作后，控制器发出轨道异常报警信号，并向管理人员发送盖板异常的预警信息。

上述两个行走的方式不仅可以实现对电缆沟的内部环境的巡视监控还可以实现对电缆沟盖板的巡视，可以及时发现电缆沟盖板的损坏以及被打开的情况。

本发明还公开了一种深度预警电缆沟故障隐患的方法，该方法可以在未检测到参数大于阈值时确定可能存在的隐患以及隐患发生的位置。通过对发现的隐患进行及时的排查以消除事故。具体的，包括以下步骤：

检测到温度、湿度、VOC气体浓度、二氧化硫气体浓度达到报警阈值时，给服务器发送预警信号和位置信息，提示维修维护人员维修。由于巡检机器人采用的通信方式具有带宽较窄的问题，一般采用4G信号、NB-IoT信号，上述通信方式不是存在通过信道带宽窄的问题就是存在通信费用高的问题。而在变配电区域整体覆盖wifi信号，同样会产生较高的成本，同时电缆沟内部的信号也不会太好。因此，将预警信息的检测设置在巡检机器人本体上，在检测的参数超过报警阈值的时候发生预警信息和位置信息。如果在检测完成后所有位置的检测数据未达到报警阈值时，为了实现故障的预警，采取以下措施：

首先，对环境参数做区域平均值计算。如电缆高温会产生二氧化硫等气体，此时对所有位置的二氧化硫气体的浓度进行求和，之后计算出平均值。

然后，判断各检测点的环境参数与平均值的差值是否大于区域预警阈值。在产生二氧化硫等气体时，二氧化硫气体会在电缆沟内部扩散，因此局部的浓度可能达不到报警的阈值，因此计算出平均值，然后选出大于区域预警阈值的地点。

之后，将环境参数与环境参数平均值的差值大于区域预警阈值的所有检测点标定为再次预警检测区域。

最后，在第一次巡检完成后对再次预警检测区域进行第二次检测，此时在检测的过程中，可以适当调低环境参数的阈值或者电气参数的阈值，在检测到达到阈值时发出预警信号或者发送区域预警信息，提示维护人员对该区域进行检查。

进一步，为了实现对故障以及故障位置的确定，在所有的位置的检测数据进行分析，判定浓度的变化，对某一特定的区段满足正态分布曲线时，并对参数数据位于高位的地点进行检测或预警。

为了对标定的再次预警检测区域内部进行详细的检测，在所述巡检机器人设有检测舵机210或云台，电动伸缩杆110的端部和检测舵机210或者云台固定连接。此时，电动伸缩杆110的端部可以伸向更多的位置进行准确的检测。

所述巡检机器人在进行再次预警检测区域检测时，控制检测舵机210或者云台将探头固定座120对区域内的角落位置进行环境参数的检测；并确定在再次预警检测区域内部的环境参数最高值，进而确定故障预警点，并进行故障预警报警。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡依本发明的要求范围所述的形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.无线传感器型电缆沟综合预警装置，包括巡检机器人本体，其特征在于：

所述巡检机器人本体设有控制器、电源模块、传感采集模块和数据传输模块，所述电源模块、传感采集模块、数据传输模块和控制器电气连接，电缆沟盖板的下部设有轨道，所述巡检机器人沿所述轨道移动；

所述传感采集模块包括电动伸缩杆（110）和探头固定座（120），所述电动伸缩杆（110）的一端和巡检机器人本体连接，所述电动伸缩杆（110）的伸缩端和探头固定座（120）固定连接，所述探头固定座（120）上设有温湿度传感器、VOC气体浓度传感器、氧气浓度传感器和二氧化硫气体浓度传感器；所述电动伸缩杆（110）用以将传感器伸入巡检机器人无法到达的位置，所述巡检机器人本体上还设有水位检测装置；

所述轨道为安装在电缆沟盖板（610）下部的永磁铁（510）；所述巡检机器人本体设有移动机构；所述移动机构包括第一吸附组件（501）和第二吸附组件（502），所述第一吸附组件（501）和第二吸附组件（502）通过转向舵机（520）转动连接；

所述第一吸附组件包括两个轴承固定板（530）和吸附轨道（540）；所述轴承固定板（530）的两侧分别通过轴承与滚轴（531）连接，滚轴（531）的两端设置有滚轮（532），所述轴承固定板（530）的中部设有驱动电机（535）用以驱动滚轮（532）转动；所述吸附轨道（540）相对的侧面设置有滑动槽（541）；所述滚轮（532）安装在滑动槽（541）的内部；所述滑动槽的宽度大于滚轮的直径；所述吸附轨道（540）的上部设有电磁吸附装置（550），所述电磁吸附装置（550）为绕设有线圈绕组的铁芯（551）；所述铁芯与永磁铁（510）吸附用以将巡检机器人挂设在盖板上；

需要移动时，给线圈绕组通入电流使铁芯上端产生与永磁铁下端相同的极性，进而使铁芯与永磁铁脱离；

所述第二吸附组件和第一吸附组件的结构相同，所述巡检机器人本体安装在第二吸附组件的下部；

巡检机器人在电缆沟内部缓慢移动过程中采集电缆沟内部的环境参数和电气参数，当所述环境参数或电气参数超过设定阈值时向上位机系统或服务器发出预警信息。

2.根据权利要求1所述的无线传感器型电缆沟综合预警装置，其特征在于：

所述巡检机器人设有检测舵机（210）或云台，电动伸缩杆（110）的端部和检测舵机（210）或者云台固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的无线传感器型电缆沟综合预警装置，其特征在于：

所述铁芯（551）的上部设有位置检测凹槽（552），所述位置检测凹槽（552）内部设有破损检测开关（553），在电磁吸附装置的铁芯与永磁铁吸附时，触发破损检测开关（553）；

所述破损检测开关（553）与控制器电气连接，所述破损检测开关（553）动作后，控制器发出轨道异常报警信号，并向管理人员发送盖板异常的预警信息。

4.根据权利要求3所述的无线传感器型电缆沟综合预警装置，其特征在于：

所述滑动槽（541）的外侧设有挡板用以防止滚轮滑出。

5.一种深度预警电缆沟故障隐患的方法，其特征在于：

应用权利要求4所述的无线传感器型电缆沟综合预警装置，巡视过程中：

检测到温度、湿度、VOC气体浓度、二氧化硫气体浓度达到报警阈值时，给服务器发送预警信号和位置信息，提示维修维护人员维修；

检测完成后所有位置的检测数据未达到报警阈值时：

首先，对环境参数做区域平均值计算；

然后，判断各检测点的环境参数与平均值的差值是否大于区域预警阈值；

之后，将环境参数与环境参数平均值的差值大于区域预警阈值的所有检测点标定为再次预警检测区域；

最后，在第一次巡检完成后对再次预警检测区域进行第二次检测，并发送区域预警信息。

6.根据权利要求5所述的一种深度预警电缆沟故障隐患的方法，其特征在于：

所述巡检机器人在进行再次预警检测区域检测时，控制检测舵机（210）或者云台将探头固定座（120）对区域内的角落位置进行环境参数的检测；

并确定在再次预警检测区域内部的环境参数最高值，进而确定故障预警点，并进行故障预警报警。

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