摘要：随着人们用电需求的不断增多，促进了我国电力产业的不断发展。电网设备的不断增多，为了安全的需要，许多设备开始部署在配电开关柜中，传统的方法采用人力来操作配电开关柜，但是这电工操作时容易发生安全事故，为电网公司和人民财产带来严重的损失。随着传感器、单片机、机器学习、机器人等技术的兴起和发展，配电开关柜开始引入先进的机器人，利用一个功能完善、操作灵活的机器人操作配电柜，既能够提高配电开关柜控制精准程度，又可以提高安全操作系数，保障电网企业对社会供电的稳定性，同时保证电网及其设备的安全性，具有重要的作用和意义。本文就配电开关柜机器人系统的设计与实现展开探讨。
关键词：配电开关柜；机器人；传感器；操作系统
电网的规模越来越大，设备越来越多，单纯依靠增加设备巡视人员的数量和巡视时间对电网设备进行管理和检测显然是不切实际的。另外，工作人员对电力设备进行故障检测、带电作业时，存在一定的安全隐患，威胁工作人员的生命安全。在这一背景下，采用智能辅助作业机器人不仅能够大大减少工作人员的工作负担，提高设备检测的精度，也能够减少人工操作，减少电力事故的发生。目前，各种电力巡线机器人已经得到了广泛应用。
1 高压开关柜概述
高压开关柜是以断路器为主的电气设备，其是根据电气一次主接线图的相关要求将控制器、保护器等高低压电器及母线、绝缘子等元件装配在一起形成能够在电力系统中接受和分配电能的一类装置。高压开关柜可根据电网运行要求将部分电力设备或者部分电路网络投入或者退出运行，也可将电力设备或者部分电路网络快速切除，进而确保电力系统的无故障运行，同时也可保证检修人员的安全。根据断路器的安装方式，可将高压开关柜分为移开式和固定式。移开式高压开关柜又称为手车式高压开关柜，柜体内的电器元件主要安装在可抽出的手车上，该型高压开关柜互换性较好，可提高供电系统的稳定性；固定式高压开关柜内的电器元件不可移动，但是操作简单，价格相对低廉，故常被应用于10kV及以下配电系统中。根据安装地点，可将高压开关柜分为户内式和户外式，因受户外环境的影响，户外式高压开关柜型号较少。根据柜体结构，可分为金属封闭铠装式、金属封闭间隔式、金属封闭箱式和敞开式等4种高压开关柜，其中金属封闭铠装式高压开关柜因具有运行安全可靠性高、互换性好、受地面水平影响小、检修方便、操作简单等优势而被越来越广泛地应用。
2 开关柜辅助作业机器人基本结构
本文设计的开关柜辅助作业机器人的本体结构如图1所示,辅助作业机器人主要包括移动车体和机械臂两大部分,采用分体式结构前者置于配电房内,后者可由操作人员随身携带。移动车体是机器人进行移动和新机采集的载体,主要包括机械系统、驱动电机、电机驱动控制系统、传感器模块、主控计算机、通讯装置等。主控计算机是机器人系统的控制核心。主控计算机根据激光雷达、惯性测量单元等传感器的信息,获取机器人所处的位置,根据目标指令对机器人运行路径进行规划,选择移动到指定开关柜的最优路线。传感器模块是机器人进行障碍感知和现场信息采集的关键设备。除了进行机器人定位导航的激光雷达和惯性测量单元,传感器模块还包括超声波传感器和温湿度传感器。超声波传感器采用时间测量原理,测量精度高,能够获取周围障碍物位置信息,辅助机器人避障。温湿度传感器可以实时获取配电开关柜的温度和湿度信息,更好的了解开关柜的环境。机械臂具有6个自由度,能够高效灵活的完成开关柜分合闸以及更换断路器等设备的工作,是机器人最主要的工作单元。机械臂通过逆运动学分析得到各个关节在相应时刻的转动量或者平移量,合理的规划机械臂的角位移曲线、角速度曲线以及角加速度曲线,有效地减少了机械臂在运动过程中的冲击和振动,使机械臂的工作寿命得以延长。
3 机器人系统硬件模块实现的功能
3.1工控机控模块
对该模块来说，无论是主CPU控制系统还是继电器控制组，亦或是散热器组控制系统等都属于其重要组成部分。对主CPU控制系统来说，其占据机器人中枢控制器的重要作用，能够通过协调机器人之间的子系统，实行进一步的运作，从而能够和上位机之间实施最终的数据交换，促进相应功能的实现和完成，最终促进智能移动的产生;一般而言，机器人的控制功能离不开继电器控制组的作用，其通过对主CPU控制系统控制命令的接收，促进不同系统的不同操作实现;就散热器组控制系统而言，其在各系统工作温度的监控中扮演着重要作用，一旦条件属于高温触发状态，只要最终散热设备正常启动，就能够促进各系统工作温度的正常运行。
3.2电源管理模块
电源管理模块包括高容量高功率聚合物锂电池组、智能充电控制设备、锂电池充电接入设备以及电池电量监控系统。电源管理模块是整个机器人系统的心脏部分，实现电池的充放电控制，电池的电压，电流和电量的信息采集，以及电池的保护功能，也为其他各个模块提供电源。其在整体系统中主要实现如下功能:采用了高功率高容量聚合物锂电池，为保证机器人各个系统能源供给;监控电池组电量，估算电量是否满足操作任务，当电量不足以完成任务时，会向主控CPU控制系统发送需要充电的信号，以此来保证正常的运行;监测锂电池组充电进度，若完成充电，会及时断开电池与充电器的连接，并具备涓流充电和快速充电等功能;进行锂电池充电接入设备与锂电池充电器的物理连接，并完成智能充电控制系统的相应控制动作。
图1开关柜辅助作业机器人的结构
3.3运动控制模块
对运动控制模块来说，其主要由五大部分组成，无论是大功率高速直流电机还是电机驱动控制系统，无论是行程定位自适应编码还是解码控制系统，亦或是行程探测编码设备都在其组成过程中扮演着十分重要的角色。对电机驱动控制系统来说，主CPU是其接收控制指令的主要系统，有助于促进电机变速运行的实行，从而有助于机器人促进自身快速启动功能的实现，除此之外，机器人稳速行进和慢速停止等功能的实现也离不开对主CPU的使用;就大功率高速直流电机而言，其在机器人牵引能力的提供上作用突出，为机器人的良好运行提供了十分重要的条件。
结语
配电开关柜辅助作业机器人能够利用传感器和机械臂实时采集开关柜的运行状态数据,对开关柜进行状态监控,通过双目视觉对开关对进行带电作业,及时发现设备的安全隐患,为高压开关柜的设备维护和故障检测、抢修提供了有力工具,极大提高了设备安全稳定运行的能力。在开关柜出现故障时,代替工作人员进行危险作业,保障了电力职工的生命安全。当然,该机器人的设计上还有很多值得改善的地方。机器人采用了传统的无线遥控方式对机器人的运动路径和机械臂操作进行控制,更进一步地可以利用机器人的摄像头和超声波传感器等设备自动定位机器人的位置,实现机器人的自动循迹和作业,提高机器人的自动化水平。
参考文献
[1]杨杰.飞滑式巡线机器人控制系统设计与实现[D].北京:华北电力大学,2015.
[2]封尚.输电线路巡线机器人系统研究与开发[D].南京:南京航空航天大学,2015.
论文作者:孙强,袁虎
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/26
标签：开关柜论文; 机器人论文; 作业论文; 控制系统论文; 高压论文; 设备论文; 操作论文; 《电力设备》2019年第7期论文;