一种变电站巡检机器人混合供电系统的制作方法

1.本公开设计一种供电系统，具体涉及一种变电站巡检机器人混合供电系统。


背景技术：

2.目前，变电站巡检机器人在电网得到了大规模运用，并在一定程度上代替了人工巡视，但是依然存在许多限制其自动化程度继续提高的因素，具体包括：1、变电站巡检机器人采用磷酸铁锂电池供电，其电池管理系统采用集中式管理，未考虑每块电池随着时间变化后的差异；2、智能巡检机器人对全站设备进行一次全面巡视需要4～5小时，所采用的动力源为蓄电池，正常情况下充满电可工作4小时左右，无法满足工作需要，解决办法就是再投入一台巡检机器人，两台相互配合，该方案加大了前期投入成本；3、考虑机器人直插式充电方式的诸多不便，将无线充电技术应用于机器人充电领域，基于磁耦合谐振技术，实现非接触式充电，该方案虽然降低了巡检机器人的充电难度，进一步提高了自动化程度，但是依然无法实现实时供电。
3.针对以上问题，亟需找到一种新的方案以对巡检过程中的机器人进行不间断供电。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种变电站巡检机器人混合供电系统，该系统能够实现对巡检机器人在巡检过程中进行24小时无间断动态无线供电。
5.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
6.一种用于变电站巡检机器人的混合供电系统，包括：
7.无线供电模块，
8.所述无线供电模块包括发射端和接收端，其中，
9.所述发射端包括能量发射电路，能量发射电路的输入端连接站用变，输出端连接有若干能量发射导轨，
10.所述接收端包括能量拾取电路，能量拾取电路的输入端连接能量发射导轨，输出端连接能量调整电路的输入端，能量调整电路的输出端连接巡检机器人，巡检机器人内设置有电池供电模块。
11.优选的，所述若干能量发射导轨中的每段导轨包括发射线圈、谐振补偿电容、供电开关、放电开关和放电电阻。
12.优选的，所述能量发射电路包括第一整流滤波电路、直流斩波电路和高频逆变电路。
13.优选的，所述能量拾取电路包括拾取线圈和拾取谐振电容。
14.优选的，所述能量调整电路包括第二整流滤波电路、超级电容和直流调压电路。
15.优选的，所述能量发射导轨上还设置有定位开关。
16.优选的，所述系统还包括信号捕捉模块。
17.优选的，所述系统还包括控制器。
18.优选的，所述电池供电模块包括蓄电池。
19.与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
20.1、通过将多导轨无线供电与蓄电池剩余电量估计相结合，实现了对巡检机器人灵活供电；
21.2、能够基于多导轨供电的无线供电实现分段供电，减少了电能损耗。
附图说明
22.图1是本公开一个实施例提供的一种变电站巡检机器人混合供电系统的结构示意图；
23.图2是本公开一个实施例提供的能量发射导轨的结构示意图；
24.图3是本公开一个实施例提供的能量发射电路的结构示意图；
25.图4是本公开一个实施例提供的能量拾取电路的结构示意图；
26.附图中标记说明如下：
27.1、站用变；2、发射端(2-1、第一整流滤波电路；2-2直流斩波电路；2-3高频逆变电路)；3、接收端(3-1、能量拾取电路；3-2能量调整电路)；4、巡检机器人；5、电池供电模块。
具体实施方式
28.下面将参照附图图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
29.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
30.为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
31.一个实施例中，如图1所示，一种用于变电站巡检机器人的混合供电系统，包括：
32.无线供电模块，
33.所述无线供电模块包括发射端2和接收端3，其中，
34.所述发射端包括能量发射电路，能量发射电路的输入端连接站用变，输出端连接有若干能量发射导轨，
35.所述接收端3包括能量拾取电路3-1，能量拾取电路3-1的输入端连接能量发射导轨，输出端连接能量调整电路3-2的输入端，能量调整电路3-2的输出端连接巡检机器人，巡检机器人内设置有电池供电模块5。
36.由于巡检机器人需要24小时不间断巡视，因此需要对其进行持续供电。而单纯采用蓄电池供电，因其存在充电时间长、充电自动化程度低及供电时间短，因此不能满足巡检机器人的供电要求。本实施例通过将无线供电与电池供电两种供电方式相结合，使得巡检机器人在轨期间，不仅可以从导轨获得所需电能，还可以由导轨对蓄电池充电，使得巡检机器人在因特殊巡视需要脱轨后还可以使用电池进行供电，以保证巡检机器人有着充足电力完成巡视并返回无线供电导轨。另外，现有技术中所采用的单段导轨由于一直带电，会有由于感应电的产生所带来的安全隐患，而且导轨较长时会增大原边、副边漏感，从而产生较大的电压降并降低系统效率，针对单导轨供电存在的问题，本实施例在无线供电的基础上进一步采用多导轨无线供电的方式。
37.另一个实施例中，如图2所示，所述若干能量发射导轨中的每段导轨包括发射线圈、谐振补偿电容、供电开关、放电开关和放电电阻。
38.本实施例中，发射线圈ln与谐振补偿电容cn串联构成第一回路，放电开关sn与放电电阻rn串联后构成第二回路，第一回路和第二回路并联后与供电开关kn串联。
39.需要说明的是，每段导轨都具备供电、放电和待机三种状态，当巡检机器人进入第一段导轨，此时供电开关k1闭合，导轨发射线圈电感l1与谐振补偿电容c1配合，将导轨发射线圈l1补偿到谐振状态，则第一段导轨进入供电状态。当巡检机器人离开第一段导轨后，供电开关k1断开，放电开关s1闭合，发射线圈l1与谐振补偿电容c1中的剩余能量通过放电电阻r1放电，第一段导轨进入放电状态。其余导轨的工作原理如上，不再赘述。
40.另一个实施例中，如图3所示，所述能量发射电路包括第一整流滤波电路2-1、直流斩波电路2-2和高频逆变电路2-3。
41.本实施例，第一整流滤波电路、直流斩波电路和高频逆变电路依次串联，第一整流滤波电路将从站用变1获得的电能进行整流滤波处理后通过直流斩波电路进行升压处理，最后经过高频逆变电路逆变为高频交流电输入能量发射导轨。
42.另一个实施例中，如图4所示，所述能量拾取电路包括拾取线圈和拾取谐振电容。
43.另一个实施例中，如图4所示，所述能量调整电路包括第二整流滤波电路、超级电容和直流调压电路。
44.本实施例中，能量拾取电路获得由能量发射导轨输送的电能量后，经过第二整流滤波电路得到直流电并由超级电容进行存储，当巡检机器人需要无线供电或电池供电模块需要充电时，超级电容中所存储的电能经直流调压电路调压后输入巡检机器人的电机或电池供电模块。
45.另一个实施例中，每段能量发射导轨上设置有定位开关。
46.本实施例中，由于采用的多导轨线圈需要分段开合，因此需要检测巡检机器人的位置，本实施例通过在导轨上设置定位开关ir来实现对机器人进行定位，当机器人进入定位开关ir的感应距离内时，定位开关ir产生感应并将机器人的位置转换为可用输出信号。
47.另一个实施例中，所述系统还包括信号采集模块。
48.本实施例中，信号采集模块包括信号采集器和信号存储器，当定位开关ir感应到机器人的位置并转换为可用输出信号后，信号采集器采集该信号并由存储器进行存储。
49.另一个实施例中，所述系统还包括控制器。
50.本实施例中，当信号采集模块将采集到的定位开关ir的输出信号发送至控制器
后，控制器控制相应导轨的继电器闭合，从而使得导轨线圈带电，此时其他段导轨线圈回路断开。
51.另一个实施例中，所述电池供电模块包括蓄电池。
52.本实施例中，当发生特殊情况导致巡检机器人需要离开无线供电导轨时，此时需要对soc(电池剩余电荷量)进行估计，本实施例采用卡尔曼滤波算法来实现电池剩余电量估计。电池soc的计算公式一般为：
[0053][0054]
其中：q
n-电池总容量；
[0055]qc-电池剩余容量；
[0056]qi-电池实际是用电量；
[0057]
η-电池效率。
[0058]
其次是电池的模型需要准确描述，而常用的动力电池数学模型为：
[0059][0060]
其中：e
k-电池在k时刻的端电压；
[0061]
r-电池电阻值；
[0062]ik-电池在k时刻的电流；
[0063]
soc
k-电池在k时刻的剩余电量。
[0064]
k0、k1、k2、k3、k4则根据实验数据通过系统参数辨识得到，其值为：
[0065]
表1系数表
[0066][0067]
建立了电池模型之后，采用卡尔曼滤波算法进行soc估计，其采用电池前一时刻的soc估计值和当前时刻的观测值来更新当前的soc估计状态方程，得到当前时刻soc估计值，状态与观测方程为：
[0068][0069]
其中：x
k-k时刻状态向量；
[0070]
x
k-1-k-1时刻状态向量；
[0071]yk-1-k-1时刻观测向量；
[0072]uk-1-k-1时刻控制向量；
[0073]ak-1-k-1时刻状态转移矩阵；
[0074]bk-1-k-1时刻控制输入矩阵；
[0075]ck-1-k-1时刻观测矩阵；
[0076]wk-1-k-1时刻过程噪声；
[0077]vk-1-k-1时刻观测噪声。
[0078]
由于电池的soc具有如(4)所示关系：
[0079][0080]
其中：i
k-放电电流值，在这里取负；
[0081]
soc
k-k时刻电池剩余电荷量；
[0082]
soc
k-1-k-1时刻电池剩余电荷量；
[0083]
δt-采样时间；
[0084]qn
一电池额定容量。
[0085]
根据公式(4)可得卡尔曼滤波估计soc的状态和观测方程：
[0086][0087]
对soc
k-1
求偏导：
[0088][0089]
其值相当于观测矩阵c，接着是时间和量测更新方程：
[0090][0091]
其中：soc
k/k-1-k-1时刻对k时刻的soc估计；
[0092]
soc
k-1/k-1-k-1时刻的soc值；
[0093]
p
k/k-1-k-1时刻对k时刻的估计误差；
[0094]ak/k-1-k-1时刻的状态转移矩阵；
[0095]
q-k-1时刻w的方差阵。
[0096][0097]
其中：k
k-k时刻卡尔曼增益；
[0098]ck-k时刻的观测矩阵；
[0099]
r-k-1时刻v的方差阵；
[0100]
soc
k/k-k时刻的soc值；
[0101]ek-1-电池在k-1时刻的端电压；
[0102]
e-单位矩阵。
[0103]
通过方程(4-8)即可得到电池的实时soc值。
[0104]
上述基于kalman的电池soc估计，减少了对电池的依赖，避免了低电量时由于“跳电”造成的安全隐患，并可以准确获得soc估计值，从而能够避免巡检机器人因没有足够电量回到导轨而造成事故。
[0105]
尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。