高壓開(kāi)關(guān)柜遠(yuǎn)程局放試驗(yàn)可操作機(jī)器人設(shè)計(jì)

張言鋮　狄啟飛　王秀境　黃浩

摘要：高壓開(kāi)關(guān)柜是輸變電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)變電管理工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文首先分析高壓開(kāi)關(guān)柜中傳統(tǒng)局放測(cè)試存在的缺點(diǎn)，其次提出設(shè)計(jì)可操作機(jī)器人的技術(shù)方案，通過(guò)硬件與軟件部分的結(jié)合使用，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)器臂與視覺(jué)定位模塊進(jìn)行優(yōu)化，使得機(jī)器人能夠高效完成局放測(cè)試工作。最后項(xiàng)目取得顯著成果，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的安全測(cè)試提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：高壓開(kāi)關(guān)柜;遠(yuǎn)程局放試驗(yàn);可操作系統(tǒng);機(jī)器人設(shè)計(jì)

前言：

現(xiàn)階段，在10kV、35kV高壓開(kāi)關(guān)柜局放試驗(yàn)中，多使用人工手持超聲波探測(cè)儀方案。然而，該種方案經(jīng)過(guò)證實(shí)具有一定危險(xiǎn)性，會(huì)造成人員意外傷亡。隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，可設(shè)計(jì)機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，以機(jī)器人技術(shù)代替人工，確保局放試驗(yàn)工作具有較高的安全性與可控性。本文對(duì)局放機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)程控制方案進(jìn)行完善，相關(guān)內(nèi)容如下：

1項(xiàng)目提出的背景

開(kāi)關(guān)柜是重要電氣設(shè)備，其中包括儀表、自控、磁力開(kāi)關(guān)、各種接觸器等，分為高壓室開(kāi)關(guān)柜與低壓室開(kāi)關(guān)柜。其主要作用是控制與保護(hù)電力系統(tǒng)中的設(shè)備。在高壓開(kāi)關(guān)柜的具體運(yùn)行中，會(huì)存在局部放電現(xiàn)象，對(duì)絕緣介質(zhì)的性能造成不良影響。目前，在高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電測(cè)試中采取的方案是人工操作，其主要缺陷是勞動(dòng)強(qiáng)度大和安全系數(shù)低。針對(duì)開(kāi)關(guān)柜局放測(cè)試中存在的主要問(wèn)題，本項(xiàng)目研發(fā)了機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。

2機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思路

2.1系統(tǒng)主要構(gòu)成與功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)方案中，對(duì)機(jī)器人硬件部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)器人元件、相機(jī)、微機(jī)、無(wú)線(xiàn)AP、控制器與外接設(shè)備之間的配合應(yīng)用，為控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供了支持。通過(guò)對(duì)上述硬件部分的合理連接和配合使用，機(jī)器人系統(tǒng)操作更加穩(wěn)定，能夠做好局放試驗(yàn)作業(yè)。系統(tǒng)硬件詳細(xì)情況見(jiàn)表1：

根據(jù)表1，在遠(yuǎn)程控制機(jī)器人設(shè)計(jì)中，以TurtleBot 3 Burger作為系統(tǒng)的主體部分，其中機(jī)器人主體能夠承受的最大重量為15Kg。在具體設(shè)計(jì)方案中，相關(guān)人員在主體平臺(tái)上設(shè)計(jì)了十字型滑臺(tái)，在滑臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂端設(shè)計(jì)有局放儀夾具。該種設(shè)計(jì)方案能夠確保局放儀探頭結(jié)構(gòu)朝向X軸或Y軸方向移動(dòng)，而在z軸方向的移動(dòng)主要依靠機(jī)器人主體。

機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件部分包括操作系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、深度相機(jī)SDK與交互系統(tǒng)。其中操作系統(tǒng)為Ubuntu 16.04;機(jī)器人系統(tǒng)為ROS Kinetic;視覺(jué)系統(tǒng)使用了OpenCV-2.4.13;交互系統(tǒng)版本是OpenNI 2.2.0。此外，在機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)AP、機(jī)載小型微機(jī)和深度相機(jī)，相關(guān)部分的設(shè)計(jì)主要是為無(wú)線(xiàn)設(shè)備的連接提供技術(shù)支持，通過(guò)相關(guān)硬件部分的配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制目標(biāo)。

2.2機(jī)器臂與視覺(jué)定位

在項(xiàng)目測(cè)試中，為確保機(jī)器臂末端能夠到達(dá)開(kāi)關(guān)柜指定位置，將機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)了2個(gè)自由度，確保下半臂中心位置與開(kāi)關(guān)柜中心對(duì)齊，同時(shí)優(yōu)化長(zhǎng)度參數(shù)。為確保操作定位準(zhǔn)確，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也使用了柔性連接裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人定位偏差的合理糾正。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了帶有5個(gè)自由度的機(jī)器人裝置，在其控制單元上增加了機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)軌跡算法，同時(shí)采用了C+ +開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡更加合理，完成局放測(cè)試工作。

為確保機(jī)器人能夠準(zhǔn)確到達(dá)放電測(cè)試點(diǎn)，首先需要對(duì)機(jī)器臂的坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)試工作中的三維坐標(biāo)進(jìn)行分析，并利用無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別和磁導(dǎo)航裝置，提高機(jī)器人定位精準(zhǔn)度。在具體測(cè)試環(huán)節(jié)，通常情況下，需要將定位誤差控制1cm之內(nèi)。但是，在對(duì)開(kāi)關(guān)柜的縫隙進(jìn)行定位時(shí)，系統(tǒng)要求的精確度更高。為滿(mǎn)足最新要求，相關(guān)人員需要利用雙目視覺(jué)定位技術(shù)，通過(guò)與傳感裝置的配合，完成對(duì)機(jī)器人?？空`差的合理補(bǔ)充。

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電檢測(cè)的主要方法是超聲波，由于不同廠家生產(chǎn)的超聲波獨(dú)立傳感裝置的規(guī)格存在不同，在使用過(guò)程中，需要做好監(jiān)測(cè)端與數(shù)據(jù)處理端的集成化設(shè)計(jì)，使得內(nèi)部傳感器結(jié)構(gòu)更加合理，為后期安裝與使用提供便利。

2.3機(jī)器人應(yīng)用測(cè)試

傳統(tǒng)模式下，高壓開(kāi)關(guān)柜的局放故障的測(cè)試方式為人工，檢測(cè)人員需要手持專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備完成這一工作。為確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，相關(guān)人員需要在正式工作前對(duì)設(shè)備進(jìn)行校正處理，并做好各種安全防護(hù)。實(shí)際工作中，相關(guān)人員需要做好總體檢測(cè)與局部測(cè)試，使得局部放電問(wèn)題被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。這一檢測(cè)方式對(duì)人工產(chǎn)生的依賴(lài)較為嚴(yán)重，需要相關(guān)人員具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技能與豐富經(jīng)驗(yàn)，并且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿(mǎn)足目前高壓開(kāi)關(guān)柜的測(cè)試要求。

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人系統(tǒng)，完成對(duì)15個(gè)試點(diǎn)開(kāi)關(guān)柜的測(cè)試工作。在具體測(cè)試環(huán)節(jié)，相關(guān)人員在擬定路徑內(nèi)側(cè)約6cm的位置安裝了無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別標(biāo)識(shí)，將其作為機(jī)器人?？课恢?。同時(shí)根據(jù)不同開(kāi)關(guān)柜的測(cè)試要求，設(shè)計(jì)了多個(gè)?？奎c(diǎn)與充電區(qū)。技術(shù)人員將超聲波掃描軌跡與地點(diǎn)波檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)在開(kāi)關(guān)柜上，將機(jī)器人行進(jìn)速度調(diào)整到30cm/S，確保其有效完成測(cè)試任務(wù)。當(dāng)測(cè)試作業(yè)完成后，機(jī)器人進(jìn)入到充電區(qū)。本次測(cè)試結(jié)果顯示，每臺(tái)開(kāi)關(guān)柜的測(cè)試時(shí)間為3min，測(cè)試任務(wù)完成花費(fèi)了1小時(shí)15分鐘。與人工測(cè)試比較，機(jī)器人工作效率明顯提升，并且檢測(cè)工作更加安全可靠。

結(jié)束語(yǔ)：

本文研究了高壓開(kāi)關(guān)柜局部放電測(cè)試相關(guān)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了可操作機(jī)器人，用于解決傳統(tǒng)人工測(cè)試存在的弊端。遠(yuǎn)程可操作機(jī)器人使用后，局放測(cè)試工作開(kāi)展更加快速安全，為線(xiàn)路檢修工作提供了便利。機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用后，也能夠在早期識(shí)別絕緣子安全隱患，對(duì)減少高壓開(kāi)關(guān)柜故障產(chǎn)生了有益影響。

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