一种配电室开关柜智能型运维机器人和方法与流程

1.本发明属于配电室开关柜智能运维技术领域，涉及一种配电室开关柜智能型运维机器人和方法。


背景技术：

2.目前变电站大都是无人值守或者门卫看守，现场设备发生的紧急状况无法及时发现与处理。变电站配电室运行的监控，主要是靠调控运维中心人工值班监控，其需要监控的变电站和设备数量众多。因此调控运维中心监控人员难以实时监控所有变电站的设备，特别是配电室开关柜的运行数据以及对每个站的所有设备进行24小时不间断监控。目前开关设备的运维状况存在以下缺陷和不足：
3.1、变电站开关柜上传的数据大都仅局限于电压、电流、电量以及数据出现异常后的报警、发生保护动作后的报警。通过这些监控一般不能提前发现开关设备运行的安全隐患，因此需要把开关柜运行的其他参数：导电接触面的温度、整体开关柜的回路电阻、内部的局部放电情况(绝缘性能)、开关的机械特性(最后一次分合时间、速度、弹跳等)、动静触头的接触状态视频、接地刀闸的实际状态视频等实时传送，以便实时进行监控操作。
4.2、所监控的开关设备出现故障时大多只是靠报警来提示，等保护动作或者报警提示的时候，事故大都已经发生，或者进行了扩大。开关设备在出现故障前，运行数据大都先会出现异常，然后开关设备才有突发故障，然而运行数据出现异常时却无法及时发现。等开关设备出现了突发故障，调控值班员不能紧急分闸操作，很大程度上是依靠保护动作实现跳闸。设备出现故障或者保护跳闸后，还要通知运维操作人员，运维人员至少两人一个班组赶赴现场。从驻地到变电站需耗费时间，且运维人员到达现场处理时，会有人身安全威胁，甚至需要扩大停电范围。运维人员根据发生故障情况，汇报调控运维中心，然后通知检修人员处理，检修人员到达现场也需要一定的时间，大大降低了事故应急处理的效率，给电网运行和社会经济造成巨大损失。
5.3、倒闸操作时需运维人员至少两人一个班组赶赴现场进行操作。1)现状开关柜的小车断路器均采用手动操作及检修，由于原设备机械连锁繁琐，设备笨重，小车移动系统不灵活，在设备搬运过程中，操作人员很费力，有时出现伤害操作人员和损坏设备的事故；2)操作人员对设备操作顺序不了解，在设备操作过程中对设备造成了损坏；3)设备在操作过程中繁琐复杂，由于操作人员水平不同，对设备的了解情况不同，有时出现误操作，一旦出现误操作，对人身，设备及电网安全造成毁灭性破坏，4)线路上发生故障的时候，从驻地到变电站，检查加操作时长增加，故障处理效率低。
6.上述开关设备的运维状况存在的缺陷和不足结合电力系统技术发展趋势，电力系统运行越来越趋于无人化、智能化，对于电力设备的安全可靠的运行提出了更高的要求，迫切需要一种机器人不间断地对设备运行状态进行监控，遇到设备故障，迅速做出判断，并进行应急操作。
7.综上所述，智能运维机器人的出现不仅可以维护设备安全及运维人员的人身安
全，变电站应积极应用智能运维机器人开展工作，与运维人员互相补充建立协同机制，具有显著的经济效益和广泛的应用前景。


技术实现要素：

8.为解决现有技术中的不足，本技术提供一种配电室开关柜智能型运维机器人和方法，代替了传统的人力操作，设备操作方式、系统采样精度、计算算法以及处理方式等技术更先进，智能化、集成化程度更高。
9.为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
10.一种配电室开关柜智能型运维机器人，包括机械操作模块、行走模块、图像识别模块、传感模块和控制模块；
11.所述机械操作模块，用于基于机械臂和半解耦式操作头进行运维操作；
12.所述行走模块，用于基于3d视觉高精度避障算法实现机器人行走；
13.所述图像识别模块，用于基于摄像头与图像识别辅助机械操作模块和行走模块实现运维操作和运维机器人运行；
14.所述传感模块，用于通过采集安装在开关柜内的各种传感器及监测模块的信息，获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据；
15.所述控制模块，用于对开关柜内运行设备的运行数据进行实时监测与异常分析，发现设备故障时控制行走模块和机械操作模块对开关柜进行紧急分闸解锁及操作，切除故障设备，实现变电站配电室开关柜的巡检值守和运维操作。
16.本发明进一步包括以下优选方案：
17.优选地，所述机械操作模块中，机器臂在开关柜前有限的空间内实现沿x-y-z轴的自动移动，通过半解耦式操作头实现对开关柜面板操作按钮进行操作，并可在运维时将断路器由柜内抽出至底盘车上；
18.所述行走模块中，采用3d视觉高精度避障算法基于双目摄像头得到的周围环境深度图得出最优行走路径，使机器人对于外界的阻碍到物体的运动方向作出各种躲避障碍的动作，实现机器人行走；
19.所述图像识别模块中，基于双目摄像头采集的图像，识别开关柜二次仪表门设备进行相应的采集辅助机械操作模块实现运维操作；识别区域内周围环境输出行走路径，辅助机器人行走模块移动行走。
20.优选地，所述控制模块具体包括：
21.数据获取单元，用于通过与配电室后台服务器进行通讯获取开关设备的正常运行参数，以及基于开关柜内设备上的智能监测终端及传感器，通过标准通讯协议规约读取柜内设备实时运行数据和周围环境数据；
22.故障分析单元，用于通过实时运行数据与正常运行参数的对比，结合周围环境数据分析设备异常情况，在发现设备故障时并上报调控运维中心；
23.调控运维中心，即变电站监控中心，用于在故障分析单元上报设备故障时下发运维操作指令，以及基于接收到的实时影响对巡检和操作过程进行监督和管理；
24.倒闸操作单元，用于根据接收到的操作指令，基于多传感数据融合导航以及立体视觉的目标定位和站姿估计技术定位并控制行走模块使运维机器人运行至对应开关柜，并
控制机械操作模块按倒闸操作票及五防程序进行运维操作；
25.摄像单元，用于基于图像识别模块将操作过程的实时影像上传至调控运维中心；
26.巡检单元，用于根据预设时间控制机器人对配电室内主控及开关柜设备进行巡检，并将实时影像上传至调控运维中心。
27.优选地，所述数据获取单元通过标准的通讯接口，与配电室后台服务器进行通讯，通过一次系统图及设备定义，深入学习变电站系统的运行方式，获取开关设备的正常运行参数并存储；
28.以及基于传感模块，在开关设备运行过程中，通过标准通讯协议规约不间断监控读取开关柜的实时运行数据。
29.优选地，所述故障分析单元将数据获取单元读取实时运行数据与正常运行参数进行对比，结合周围环境数据分析判断设备运行状况，在发现设备故障时上报调控运维中心。
30.优选地，所述运维机器人集成转运车，用于辅助机械操作模块对手车断路器进行转运；
31.且所述机器人与转运车之间配置锁紧和牵引装置，当手车转运时两者合为一体，同步行走。
32.优选地，所述开关柜设有小车推进拉出传动机构和接地刀闸执行机构，且所述机构上装有驱动电动机和齿轮组；所述开关柜在仪表室柜门上加装控制器，控制柜内自动开启和关闭；所述开关柜还设有视频摄像头以监视断路器动静触头状态及地刀触头状态；开关柜上所设的各结构或部件信息全部通过无线方式接入机器人控制模块；
33.所述控制器通过无线传输方式获取开关柜内各设备的运行信息，并可以和配电室监控系统通信、通过远动服务器和上级调控运维中心进行通讯，便于进行远程操作，实现小车推进拉出和接地刀闸分合的电动操作。
34.优选地，所述传感模块通过采集安装在开关柜内的各种传感器及监测模块的信息，获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据，并将获取的数据无线传输至控制模块；
35.所述运行数据包括运行设备局部温度、开关特性、断路器主回路电阻和局放在线监测数据。
36.优选地，所述安装在开关柜内的各种传感器及监测模块包括：
37.无线测温传感器，用于对柜内断路器触头、母排搭接处以及电缆连接头的局部温度进行在线监测；
38.断路器主回路电阻在线监测模块，用于通过采集断路器上下断口的电流电压模拟量数据，实时监测开关柜断路器主回路电阻；
39.断路器机械特性在线监测模块，用于测量分合闸时间、速度、弹跳、电流、动作电压参数并形成开关特性曲线；
40.局放在线监测模块，用于实时监测设备的局部放电。
41.本技术还提供一种配电室开关柜智能型运维方法，所述方法包括：
42.步骤1：传感模块通过安装在开关柜内设备上的智能监测终端及传感器获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据；
43.步骤2：图像识别模块基于摄像头进行图像识别，用于辅助机械操作模块和行走模
块实现运维操作和运维机器人运行；
44.步骤3：控制模块对开关柜内运行设备的运行数据进行采集，通过软件系统进行数据计算和处理，实时监测与异常分析，输出指令控制机器人对开关柜各设备进行控制操作，发现异常进行报警处理并上传数据至上级主站。
45.本技术所达到的有益效果：
46.本发明能够及时发现运行数据异常，分析设备异常状态，通过感知设备及周围环境变化，判断设备突发故障。基于本发明智能机器人，运维人员无需到达现场就能实现倒闸操作，只需调控运维中心和调控运维中心值班人员下发指令操作，智能运维机器人够接受调控运维中心人员的指令，按倒闸操作票及五防程序实现对现运行开关柜的智能操作及控制，执行完毕后向调控运维中心人员和调控运维中心主管人员反馈，并把执行后的视频图像上传。达到真正的运维智能化。还能身获取的后台监控数据，24小时对开关设备运行进行监控，并定时对开关设备进行巡检，当开关设备发生紧急情况时，机器人便会根据识别到的故障信息，运行到故障设备前，完成紧急分闸解锁及操作动作，及时切除故障线路，然后上报调控运维中心主管人员及调控运维中心值班员。
47.本发明能够完成电气设备运行数据监控、开关柜的巡检、搬运小车、倒闸等操作，具有突发情况下的紧急分闸操作等功能，且全业务操作均可通过调控运维中心和调控运维中心的人员的指令来完成，几乎能够完成运行人员所有的工作任务，所有工作任务的完成均受运维主管人员的监督与管理。
48.本发明智能运维机器人具有独立的控制模块，与变电站原运行系统通过通讯接口通讯，能够接受调控运维中心的指令迅速进行正常的倒闸操作，大大缩短操作时间，可以实现变电站的24小时值守、定时巡检、故障应急处理，大大节省了人力成本，提高了效率；降低了由于人力监控处理不及时造成设备、电网事故扩大的可能性，避免了人力操作而发生人身安全事故的可能性。因此无论是从设备、电网安全考虑、还从人身安全考虑，都能够大大降低经济损失。
49.本发明机器人完全实现智能化，通过深入学习，熟悉掌握变电站开关设备的运维工作流程以及工作区域地图，控制模块基于指令，对开关设备进行操作，使之处于热备用、冷备用、检修等状态。必要时可以把开关小车由柜内抽出柜外，并放置指定位置。也可以把开关小车由指定位置放进柜内，使之处于接收到的指令的状态。本发明所有开关柜门等操作均符合五防连锁的要求，并把操作的实时影像进行上传，以便对巡检和操作过程进行监督和管理。
附图说明
50.图1是本发明一种配电室开关柜智能型运维机器人的结构正视图；
51.图2是本发明一种配电室开关柜智能型运维机器人的结构侧视图。
具体实施方式
52.下面结合附图对本技术作进一步描述。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技术的保护范围。
53.如图1和2所示，本发明的实施例1提供了一种配电室开关柜智能型运维机器人，在
本发明优选但非限制性的实施方式中，所述机器人包括机械操作模块、行走模块、图像识别模块、传感模块和控制模块；
54.所述机械操作模块，用于基于高机械刚度的机械臂和半解耦式操作头进行运维操作；
55.机器臂在开关柜前有限的空间内实现沿x-y-z轴的自动移动，通过半解耦式操作头实现对开关柜面板操作按钮进行操作，并可在运维时将断路器由柜内抽出至底盘车上
56.所述行走模块，用于基于3d视觉高精度避障算法实现机器人行走；
57.采3d视觉高精度避障算法基于双目摄像头得到的周围环境深度图得出最优行走路径，使机器人对于外界的阻碍到物体的运动方向作出各种躲避障碍的动作，实现机器人行走；
58.所述避障是指移动机器人在行走过程中，通过传感器感知到在其规划路线上存在静态或动态障碍物时，按照一定的算法实时更新路径，绕过障碍物，最后达到目标点；
59.所述图像识别模块，用于基于摄像头与图像识别辅助机械操作模块和行走模块实现运维操作和运维机器人运行；
60.基于双目摄像头采集的图像，识别开关柜二次仪表门设备进行相应的采集辅助机械操作模块实现运维操作；识别区域内周围环境输出行走路径，辅助机器人行走模块移动行走。
61.所述传感模块，用于通过采集安装在开关柜内的各种传感器及监测模块的信息，获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据；
62.例如：通过采集安装在断路器触头、母线搭接处以及电缆搭接处的无线测温模块数据获取触头表面的温度信息；通过采集安装在断路器室、电缆室及母线室的摄像头的信息获取各种设备的运行信息及小室内环境运行状况等。
63.进一步优选地，传感模块通过采集安装在开关柜内的各种传感器及监测模块的信息，获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据，并将获取的数据无线传输至控制模块；
64.所述运行数据包括运行设备局部温度、开关特性、断路器主回路电阻和局放在线监测数据。
65.具体的，所述安装在开关柜内的各种传感器及监测模块包括：
66.无线测温传感器，用于对柜内断路器触头、母排搭接处以及电缆连接头等的局部温度进行在线监测；
67.断路器主回路电阻在线监测模块，用于通过采集断路器上下断口的电流电压模拟量数据，实时监测开关柜断路器主回路电阻；
68.断路器机械特性在线监测模块，用于测量分合闸时间、速度、弹跳、电流、动作电压参数并形成开关特性曲线；
69.局放在线监测模块，用于实时监测设备的局部放电。
70.所述控制模块，用于对开关柜内运行设备的运行数据进行实时监测与异常分析，发现设备故障时控制行走模块和机械操作模块对开关柜进行紧急分闸解锁及操作，切除故障设备，实现变电站配电室开关柜的巡检值守和运维操作。
71.进一步优选地，所述控制模块具体包括：
72.数据获取单元，用于通过与配电室后台服务器进行通讯获取开关设备的正常运行参数，以及基于开关柜内设备上的智能监测终端及传感器，通过标准通讯协议规约读取柜内设备实时运行数据和周围环境数据；
73.所述数据获取单元通过标准的通讯接口，与配电室后台服务器进行通讯，通过一次系统图及设备定义，深入学习变电站系统的运行方式，获取开关设备的正常运行参数并存储；
74.以及基于传感模块，在开关设备运行过程中，通过标准通讯协议规约不间断监控读取开关柜的实时运行数据。
75.所述故障分析单元将数据获取单元读取到的开关柜的实时运行数据与正常运行参数进行对比，结合周围环境数据分析判断设备运行状况，在发现设备故障时上报调控运维中心。例如，监测到运行电流电压量等模拟量超出正常设定电流范围、监测到设备遥信状态发生变化、监测到各小室温度变化、监视到柜内设备运行异常等实时数据，当这些实时数据超出正常数据范围，会发出故障报警及设备动作soe，并上报调控运维中心。
76.调控运维中心，即变电站监控中心，用于在故障分析单元上报设备故障时下发运维操作指令，以及基于接收到的实时影响对巡检和操作过程进行监督和管理；
77.倒闸操作单元，用于根据接收到的操作指令，基于多传感数据融合导航以及立体视觉的目标定位和站姿估计技术定位并控制行走模块使运维机器人运行至对应开关柜，并控制机械操作模块按倒闸操作票及五防程序进行运维操作；如分合闸操作，将断路器拉出开关柜操作；
78.倒闸操作单元其实就是根据接收到的操作指令，基于3d视觉高精度避障算法和摄像头采集的数据，处理分析数据后并给出最优路径，进而控制行走模块按最优路径使运维机器人运行至对应开关柜前，并根据开关柜位置自动调整自身位置和开关柜对位整齐。
79.所述倒闸操作是按系统(操作软件)提前设置好的刀闸操作票及五防程序进行运维操作，控制机械操作模块按设置好的逻辑顺序进行操作。
80.停电检修阶段：机器人输出指令控制断路器进行分闸操作，并使断路器由工作位置移至实验位置，确认断路器完全分闸后控制接地刀闸自动闭合，并联动开关柜柜门使其自动打开，机械操作模块将手车断路器从开关柜内拉出，运送至指定区域进行检修；
81.检修完毕后送电阶段：将检修完毕的小车自动从指定区域运送至指定开关柜，并将其移入柜内定位于试验位置，机器人输出指令自动关闭柜门，确定断路器处于分闸状态，控制接地刀闸分闸，驱动断路器由实验位置运行至工作位置进行合闸送电操作。
82.进一步优选地，所述运维机器人集成转运车功能，用于辅助机械操作模块对手车断路器进行转运；
83.且所述机器人与转运车之间配置锁紧和牵引装置，当手车转运时两者合为一体，同步行走。
84.为配合机器人，对开关柜进行升级，具体的：
85.所述开关柜设有小车推进拉出传动机构和接地刀闸执行机构，且所述机构上装有驱动电动机和齿轮组，且所述开关柜在仪表室柜门上加装控制器，控制柜内自动开启和关闭；所述开关柜还设有视频摄像头以监视断路器动静触头状态及地刀触头状态；开关柜上所设的各结构或部件信息全部通过无线方式接入机器人控制模块；
86.所述机器人控制器通过无线传输方式获取开关柜内各设备的运行信息，并可以和配电室监控系统通信、通过远动服务器和上级调控运维中心进行通讯，便于进行远程操作，实现小车推进拉出和接地刀闸分合的电动操作。
87.摄像单元，用于基于图像识别模块将操作过程的实时影像上传至调控运维中心；
88.巡检单元，用于根据预设时间控制机器人对配电室内主控及开关柜设备进行巡检，并将实时影像上传至调控运维中心。
89.本发明运维机器人本身具有一套后台显示终端(电脑硬件+软件)，此终端具有标准通信接口，可以通过光纤网线以及无线等通信方式将实时信息经过分区加密后进入各分区，然后上传至各级上级服务器进行监视。基于所述机器人，本发明提供一种配电室开关柜智能型运维方法，包括：
90.步骤1：传感模块通过安装在开关柜内设备上的智能监测终端及传感器获取开关柜内运行设备的运行数据和周围环境数据；
91.步骤2：图像识别模块基于摄像头进行图像识别，用于辅助机械操作模块和行走模块实现运维操作和运维机器人运行；
92.步骤3：控制模块(控制器+人机界面)对开关柜内运行设备的运行数据进行采集，通过软件系统进行数据计算和处理，实时监测与异常分析，输出指令控制机器人对开关柜各设备进行控制操作，发现异常进行报警处理并上传数据至上级主站。
93.本发明能够及时发现运行数据异常，分析设备异常状态，通过感知设备及周围环境变化，判断设备突发故障。基于本发明智能机器人，运维人员无需到达现场就能实现倒闸操作，只需调控运维中心和调控运维中心值班人员下发指令操作，智能运维机器人够接受调控运维中心人员的指令，按倒闸操作票及五防程序实现对现运行开关柜的智能操作及控制，执行完毕后向调控运维中心人员和调控运维中心主管人员反馈，并把执行后的视频图像上传。达到真正的运维智能化。还能身获取的后台监控数据，24小时对开关设备运行进行监控，并定时对开关设备进行巡检，当开关设备发生紧急情况时，机器人便会根据识别到的故障信息，运行到故障设备前，完成紧急分闸解锁及操作动作，及时切除故障线路，然后上报调控运维中心主管人员及调控运维中心值班员。
94.本发明能够完成电气设备运行数据监控、开关柜的巡检、搬运小车、倒闸等操作，具有突发情况下的紧急分闸操作(紧急分闸操作是指在突发状况下，机器人输出指令控制机械操作模块对断路器进行分闸操作)等功能，且全业务操作均可通过调控运维中心和调控运维中心的人员的指令来完成，几乎能够完成运行人员所有的工作任务，所有工作任务的完成均受运维主管人员的监督与管理。
95.本发明智能运维机器人具有独立的控制模块，与变电站原运行系统通过通讯接口通讯，能够接受调控运维中心的指令迅速进行正常的倒闸操作，大大缩短操作时间，可以实现变电站的24小时值守、定时巡检、故障应急处理，大大节省了人力成本，提高了效率；降低了由于人力监控处理不及时造成设备、电网事故扩大的可能性，避免了人力操作而发生人身安全事故的可能性。因此无论是从设备、电网安全考虑、还从人身安全考虑，都能够大大降低经济损失。
96.本发明机器人完全实现智能化，通过深入学习，熟悉掌握变电站开关设备的运维工作流程以及工作区域地图，控制模块基于指令，对开关设备进行操作，使之处于热备用、
冷备用(热备用是指开关在工作位置，随时可以远程合闸的状态，冷备用是指开关在试验位置，具备运行条件，但是合闸前需要摇工作位置)、检修等状态。必要时可以把开关小车由柜内抽出柜外，并放置指定位置。也可以把开关小车由指定位置放进柜内，使之处于接收到的指令的状态。本发明所有开关柜门等操作均符合五防连锁的要求，并把操作的实时影像进行上传，以便对巡检和操作过程进行监督和管理。
97.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。