本发明涉及共振磁耦合无线输电技术领域，具体涉及一种基于共振磁耦合的变电站智能巡检机器人无线供能系统及方法。
背景技术：
在电力行业，机器人在变电站巡检、输电线路巡检等方面得到了越来越广泛的应用。传统的变电站值班员进行人工巡检，受巡检人员的责任心、经验及技能水平、外部工作环境、生理及心理状况等影响较大，存在漏巡、漏检的可能性，并存在较大的巡视过程风险，效率低下。另一方面，由于无人值班变电站增多，许多变电站的距离也较远，在站内出现事故或大风、大雪及雷雨后因集控站无法出车不能及时巡视时，造成集控站值班员不能及时了解现场设备状态，存在隐患，危及电网的安全运行。特别是无法及时了解出现问题的变电站情况，失去优先处理的机会。巡检机器人的应用，正好可以弥补人工巡检及时性、可靠性差的弊端，在恶劣条件下还可以降低巡检人员的人身伤害风险。
随着机器人在变电站巡检中的不断应用，充电问题成为制约其长期自主巡检的关键因素。目前变电站巡检机器人主要采用电池组供电，续航能力只有几小时，随后机器人导航至充电口，完成对接，进行有线方式充电。此过程对机器人导航定位精度要求高，且可能存在充电口卡住机器人难以重新开始巡检等问题。另外，有线充电方式易磨损，易触电，多次插拔后可能造成电能传输不可靠等问题。因此，亟需一种巡检机器人的无线充电技术解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于共振磁耦合的变电站智能巡检机器人无线供能系统及方法，上述系统及方法解决了传统接触式充电磨损、机械故障、接触不良等问题。
为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于共振磁耦合的变电站智能巡检机器人无线供能系统，它包括充电房电源发射模块、机器人电能接收模块和机器人控制模块，其中，所述充电房电源发射模块包括交流电源、整流模块、逆变模块、第一阻抗匹配模块和发射线圈，所述机器人电能接收模块包括变电站智能巡检机器人电池、整流稳压模块、第二阻抗匹配模块和接收线圈，所述交流电源的交流电能信号输出端连接整流模块的信号输入端，整流模块的信号输出端连接逆变模块的信号输入端，逆变模块的信号输出端通过第一阻抗匹配模块连接发射线圈的信号输入端；
所述接收线圈的信号输出端通过第二阻抗匹配模块连接整流稳压模块的信号输入端，整流稳压模块的信号输出端连接变电站智能巡检机器人电池的电能输入端，变电站智能巡检机器人电池的电能输出端连接机器人控制模块的供电接口，所述发射线圈与接收线圈之间为共振磁耦合状态。
一种上述系统的变电站智能巡检机器人无线供能方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：交流电源向整流模块输送工频电流；
步骤2：整流模块将工频电流转换为功率为90～110W的直流电源信号，并将功率为90～110W的直流电源信号输送给逆变模块；
步骤3：逆变模块将90～110W的直流电源信号转换为260～280W的PWM电源信号，再将功率为260～280W的PWM电源信号逆变为功率为200～220W的正弦波电源信号；
步骤4：所述逆变模块输出的正弦波电源信号通过第一阻抗匹配模块驱动发射线圈发射频率范围为80kHZ～1MHz的正弦波电源信号，接收线圈采用共振磁耦合的形式接受上述频率范围为80kHZ～1MHz的正弦波电源信号；
步骤5：所述整流稳压模块通过第二阻抗匹配模块从接收线圈接收到功率为170～187W的正弦波电源信号，整流稳压模块还用于向变电站智能巡检机器人电池的电能输入端输送功率为136～149.6W的直流电能信号，从而为变电站智能巡检机器提供电能。
所述发射线圈为螺旋型发射线圈，接收线圈为螺旋型接收线圈。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明首次将共振磁耦合无线输电技术应用到机器人充电中，解决传统接触式充电磨损、机械故障、接触不良等问题。
2、发射线圈和接收线圈均采用多层螺旋型线圈结构。该结构可有效增大线圈电感，多层螺旋型线圈上下层之间内外的错位连接可以有效改善电容分布，最终达到增强磁场，增大磁共振无线输电系统的有效传输距离和提升效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
1—充电房电源发射模块、1.1—交流电源、1.2—整流模块、1.3—逆变模块、1.4—第一阻抗匹配模块、1.5—发射线圈、2—机器人电能接收模块、2.1—变电站智能巡检机器人电池、2.2—整流稳压模块、2.3—第二阻抗匹配模块、2.4—接收线圈、3—机器人控制模块、3.1—陀螺仪、3.2—工控机、3.3—交换机、3.4—硬盘录像机、3.5—功率放大器、3.6—超声板、3.7—AP网桥。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计了一种基于共振磁耦合的变电站智能巡检机器人无线供能系统，如图1所示，它包括充电房电源发射模块1、机器人电能接收模块2和机器人控制模块3，其中，所述充电房电源发射模块1包括交流电源1.1、整流模块1.2、逆变模块1.3、第一阻抗匹配模块1.4和发射线圈1.5，所述机器人电能接收模块2包括变电站智能巡检机器人电池2.1、整流稳压模块2.2、第二阻抗匹配模块2.3和接收线圈2.4，所述交流电源1.1的交流电能信号输出端连接整流模块1.2的信号输入端，整流模块1.2的信号输出端连接逆变模块1.3的信号输入端，逆变模块1.3的信号输出端通过第一阻抗匹配模块1.4连接发射线圈1.5的信号输入端；
所述接收线圈2.4的信号输出端通过第二阻抗匹配模块2.3连接整流稳压模块2.2的信号输入端，整流稳压模块2.2的信号输出端连接变电站智能巡检机器人电池2.1的电能输入端，变电站智能巡检机器人电池2.1的电能输出端连接机器人控制模块3的供电接口，所述发射线圈1.5与接收线圈2.4之间为共振磁耦合状态。发射线圈1.5与接收线圈2.4之间电磁耦合发生谐振，完成电能从发射线圈1.5到接收线圈2.4之间的传输。
上述技术方案中，所述发射线圈1.5为螺旋型发射线圈，接收线圈2.4为螺旋型接收线圈。
上述技术方案中，所述发射线圈1.5和接收线圈2.4具备相同的谐振频率，发生磁共振，谐振频率在80kHZ～1MHz之间，优选为96kHZ。接收线圈安装在机器人底部。
上述技术方案中，所述机器人控制模块3包括陀螺仪3.1、工控机3.2、交换机3.3、硬盘录像机3.4、功率放大器3.5、超声板3.6、AP(AP，AccessPoint，无线访问节点、会话点或存取桥接器)网桥3.7，所述变电站智能巡检机器人电池2.1的电能输出端通过232总线连接机器人控制模块3的工控机3.2的供电接口，所述陀螺仪3.1的信号通信端通过USB接口连接工控机3.2的陀螺仪信号接口，超声板3.6的信号通信端通过485总线连接工控机3.2的超声板信号接口，交换机3.3的第一接口通过LAN(Local Area Network，局域网)总线连接工控机3.2的交换机接口，交换机3.3的第二接口通过有源以太网POE连接AP网桥3.7的信号通信端，交换机3.3的第三接口通过LAN总线连接硬盘录像机3.4的视频信号通信端，硬盘录像机3.4的功放接口通过音频线连接功率放大器3.5的通信端。所述陀螺仪3.1用于实现变电站智能巡检机器人的导航定位，工控机3.2用于实现变电站智能巡检机器人的总体控制；超声板3.6用于获取目标至超声波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，实现机器人超声波的导航，防变电站智能巡检机器碰撞和跌落；巡检机器人与监控后台采用AP网桥3.7通讯，监控后台通过防火墙与调度中心通讯，考虑到信息安全，AP网桥3.7对数据进行加密传输，并针对接入设备进行MAC地址过滤，防止外来设备接入；巡检监控服务器为双网卡配置，网卡1接入AP网桥3.7，网卡通过防火墙接入调度专用网，使得网络攻击无法进入电力系统专用网络。硬盘录像机3.4(DVR)，它是一套进行图像存储处理的计算机系统，具有对图像/语音进行长时间录像、录音、远程监视和控制的功能。主要进行机器人巡检过程中图像存储。功率放大器3.5用于将机器人的声音外放。交换机3.3用于实现视频数据、AP网桥传输数据与工控机之间的交互通信。
上述技术方案中，所述整流模块1.2用于将工频电流转换为功率为90～110W，电压为14V的直流电源信号。
上述技术方案中，所述逆变模块1.3用于将90～110W的直流电源信号转换为260～280W(优选为270W)的PWM电源信号，再将功率为260～280W的PWM电源信号逆变为功率为200～220w(优选为210W)的正弦波电源信号。
上述技术方案中，所述逆变模块1.3输出的正弦波电源信号通过第一阻抗匹配模块1.4驱动发射线圈1.5发射频率范围为80kHZ～1MHz(优选为95khz)的正弦波电源信号，接收线圈2.4采用共振磁耦合的形式接受上述频率范围为80kHZ～1MHz的正弦波电源信号。
上述技术方案中，所述整流稳压模块2.2用于通过第二阻抗匹配模块2.3从接收线圈2.4接收到功率为170～187W(优选178.5W)的正弦波电源信号，整流稳压模块2.2还用于向变电站智能巡检机器人电池2.1的电能输入端输送功率为136～149.6W(优选142.8W)的直流电能信号(整流稳压模块2.2将170～187W(优选178.5W)的正弦波电源信号转换为功率为136～149.6W(优选142.8W)的直流电能信号)。
上述技术方案中，所述发射线圈1.5和接收线圈2.4的圈数相等均为20圈。发射线圈1.5和接收线圈2.4采用多层线圈结构，可有效增大线圈电感，另外，螺旋型发射线圈的上下层之间内外的错位连接可以有效改善电容分布，最终达到增强磁场，增大磁共振无线输电系统的有效传输距离和提升效率。传输距离可达到几厘米到几米，传输效率更高。
一种上述系统的变电站智能巡检机器人无线供能方法，它包括如下步骤：
步骤1：交流电源1.1向整流模块1.2输送工频电流(市电)；
步骤2：整流模块1.2将工频电流转换为功率为90～110W，14V的直流电源信号，并将功率为90～110W的直流电源信号输送给逆变模块1.3；
步骤3：逆变模块1.3将90～110W的直流电源信号转换为260～280W的PWM电源信号，再将功率为260～280W的PWM电源信号逆变为功率为200～220W的正弦波电源信号；
步骤4：所述逆变模块1.3输出的正弦波电源信号通过第一阻抗匹配模块1.4驱动发射线圈1.5发射频率范围为80kHZ～1MHz的正弦波电源信号，接收线圈2.4采用共振磁耦合的形式接受上述频率范围为80kHZ～1MHz的正弦波电源信号；
步骤5：所述整流稳压模块2.2通过第二阻抗匹配模块2.3从接收线圈2.4接收到功率为170～187W的正弦波电源信号，整流稳压模块2.2还用于向变电站智能巡检机器人电池2.1的电能输入端输送功率为136～149.6W的直流电能信号，从而为变电站智能巡检机器提供电能。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。