CN108362983B - 变电站站域局部放电空间智能定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于变电站站域局部放电检测技术领域的一种变电站站域局部放电空间智能定位装置及方法。该装置由机械臂、四条连接臂和四个特高频天线组成的特高频天线组、可旋转机构与机器人平台；其中，机械臂通过可旋转机构固定于机器人平台上，特高频天线组的连接臂通过万向接头组固定于机械臂顶端，并能够以阵列形式展开；以阵列形式展开的特高频天线将特高频天线置于特高频信号最强的角度，用于配合机器人平台对电气设备的局部放电点定位；首先使装置的机械臂、特高频天线组状态初始化，旋转机械臂，寻找处于信号最强的方位角和俯仰角，通过四条连接臂旋转到将特高频天线以阵列形式展开，本发明解决了变电站站域局部放电空间定位巡检的问题。
Description
技术领域
本发明属于变电站站域局部放电检测技术领域，特别涉及一种变电站站域局部放电空间智能定位装置及方法。
背景技术
变电站包含了众多的输变电电气设备，一旦发生故障，会导致电网事故及大规模停电，给国民经济和社会稳定带来巨大的负面影响。为保障电气设备的安全、稳定运行，需及时发现变电站电气设备局部放电位置，目前常使用基于特高频法的局部放电定位系统对设备局部放电位置进行定位。但现阶段的局部放电定位方式尚未智能化地应用到变电站的站域巡检上，因此检测速度低、效率不高，严重制约着变电站内的巡检工作。因此研究设计一套能与机器人平台相配合，实现站内局部放电自主巡检定位的装置及其定位策略对于提高检测系统的效率具有重要意义。
近年来国内外对于变电站内局部放电定位开展了广泛的研究。文献《变电站全站设备故障预警系统的研制》(高兆丽等)和文献《基于空间电磁波检测的电气设备局部放电定位系统》(韩存等)都是借助人控车载式移动平台上的固定式的局部放电检测与定位系统进行局部放电定位，文献中的定位系统与本发明的区别在于本发明是基于机器人平台可自主、全方位、不间断巡检，同时装置的机械臂和连接臂通过可旋转、伸展的形式，达到定位装置体积小的目标，从而满足变电站内对安全间距的要求。
在中国专利CN107171247A，刘荣海等的《一种局部放电巡检机器人》中通过移动车体上的升降臂和升降臂顶部的水平移动台以及设置在水平移动台上的局部放电检测探头实现局部放电的检测。在专利CN105717432A，田妍等的《局部放电定位装置及方法》中涉及固定于固定支架上的固定杆，通过固定杆两端的两个定向天线两次测量的中垂线交点确定局部放电位置。在专利CN105445634A，王伟等的《一种局部放电空间定位的装置及方法》中通过平面内的四个天线对放电点粗略定位，重新布置天线后，对放电点精确定位，
综上所述，现阶段对传感器的阵列形式以及阵列的定位装置和方式法进行了深入研究，但目前并没有一套借助机器人等可移动平台通过调整机械臂的方位角和俯仰角确定局部放电信号的捕获位置，并在此位置控制连接臂将特高频天线以阵列形式展开，实现站域局部放电空间定位的装置及其策略，实现变电站内高效不间断巡检。
发明内容
本发明的目的是提供了一种变电站站域局部放电空间智能定位装置及方法，其特征在于，所述变电站站域局部放电空间智能定位装置包括：机械臂、特高频天线组、可旋转机构与机器人平台；其中，机械臂通过可旋转机构固定于机器人平台上，特高频天线组的连接臂通过万向接头组固定于机械臂顶端，并以阵列形式展开；以阵列形式展开的特高频天线将特高频天线置于特高频信号最强的角度，用于配合机器人平台对电气设备的局部放电点定位；所述特高频天线组由连接臂和特高频天线连接构成；所述由万向旋转支座和固定座组成。
所述可旋转机构使机械臂以机器人平台前进方向为起点向待测设备所在一侧自旋转180°。
所述可旋转机构能够使机械臂在竖直面内从竖直方向向电气设备另一侧的水平方向旋转0-90°。
所述特高频天线组包含第一至第四连接臂和第一至第四特高频天线；所述第一至第四连接臂的一端分别与第一至第四特高频天线连接，第一至第四连接臂的另一端分别与机械臂顶端的对应万向接头连接；因此第一至第四特高频天线能够在垂直方向向上、向下转动。
所述第二连接臂可绕与所述机械臂顶端的连接点从靠近所述机械臂的一侧向上旋转到与所述机械臂处于同一直线的上方位置，所述第一连接臂和所述第四连接臂可绕所述机械臂顶端的连接点从靠近所述机械臂的一侧向上旋转到与所述机械臂垂直的平面内成一直线；且与第二连接臂和第三连接臂分别构成“⊥”形。
所述特高频天线组位于初始位置时，所述第一特高频天线、第二特高频天线和第四特高频天线的信号接收面朝向机器人平台的前进方向，所述第三特高频天线的信号接收面与所述第一特高频天线、第二特高频天线和第四特高频天线的信号接收面垂直且向上，所述特高频天线组中的所述四条连接臂旋转成阵列结构后，所述第一特高频天线、第二特高频天线、第三特高频天线和第四特高频天线的信号接收面相互平行。
一种变电站站域局部放电空间智能定位装置的定位方法，其特征在于，采用布置在机器人平台上的定位装置，首先使装置的机械臂在水平方向旋转0-180°，以寻找信号最强的方位角，方位角确定后，机械臂在方位角确定的竖直面内从上向下旋转90°后，寻找信号最强的俯仰角，机械臂旋转到信号最强的方位角和俯仰角后，通过四条连接臂旋转到固定位置，达到在该位置将特高频天线以阵列形式展开对设备局部放电位置定位的目的，具体包括：
(1)机械臂、特高频天线组状态初始化；调整所述特高频天线组的所述第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂向下旋转到与所述机械臂靠近的位置；调整所述机械臂的状态与机器人平台上表面垂直，调整所述机械臂的方位角使所述第一连接臂末端的第一特高频天线的信号接收面朝向机器人平台的前进方向，即机器人平台朝向电气设备的方向；
(2)控制机械臂旋转到水平面内信号最强的方位角；所述机械臂在所述可旋转结构的带动下从机器人平台前进方向向电气设备所在一侧旋转180°，同时利用固定在所述第一连接臂下端的所述第一特高频天线采集信号，并把实时特高频信号的强度与对应的旋转角度通过二维数组进行保存；所述机械臂在所述可旋转结构的带动下以自身为旋转轴旋转到特高频信号最强处所对应的方位角的角度；
(3)控制机械臂旋转到竖直面内信号最强的俯仰角并控制特高频天线组以阵列形式展开；在所述可旋转结构的带动下所述机械臂从与机器人平台垂直的位置向电气设备所在另一侧的水平位置旋转90°，同时利用固定在所述第一连接臂下端的所述第一特高频天线采集信号，同时将实时特高频信号的强度与对应的角度通过二维数组保存下来；所述机械臂在所述可旋转结构的带动下，在竖直面内旋转到特高频信号最强处所对应的俯仰角的角度，所述特高频天线组的所述四条连接臂旋转到使所述四个特高频天线展开成阵列的形式；
(4)计算电气设备局部放电位置三维空间坐标；由所述机械臂臂长，所述机械臂旋转的方位角、俯仰角计算出机械臂顶端在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；由所述机械臂顶端的坐标，计算出所述特高频天线组中每个特高频天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；由所述特高频天线的三维空间坐标计算所述电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；将电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标转化到变电站站域的三维空间坐标系中。
本发明的有益效果是实现了基于机器人平台对现场电气设备的实时、快速、高效进行局放位置检测，进而解决了尚未借助机器人平台实现变电站站域局部放电自主巡检定位的问题。
附图说明
图1为变电站站域局部放电空间定位装置结构的示意图。
图2为特高频天线组展开后变电站站域局部放电空间定位装置的示意图。
图3为变电站站域局部放电空间定位装置的定位流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种变电站站域局部放电空间智能定位装置及方法，下面结合实施例和附图对本发明进行清楚、完整地描述。
实施例1
图1、图2是变电站站域局部放电空间智能定位装置一种变电站站域局部放电空间智能定位装置的示意图。
如图1和图2所示装置包括：机械臂、特高频天线组、可旋转机构与机器人平台；其中，机械臂10通过由万向旋转支座11和固定座12组成的可旋转机构固定于机器人平台13上，特高频天线组包含第一连接臂5的一端和第一特高频天线1连接、第二连接臂6的一端和第二特高频天线2连接、第三连接臂7的一端和第三特高频天线3连接、第四连接臂8的一端和第四特高频天线4连接；第一至第四连接臂的另一端分别与机械臂10顶端对应的万向接头9连接；因此第一至第四特高频天线能够在垂直方向向上、向下转动。所述特高频天线组的连接臂通过万向接头组固定于机械臂顶端，并以阵列形式展开；以阵列形式展开的特高频天线将特高频天线置于特高频信号最强的方位角的角度，用于配合机器人平台对电气设备的局部放电点定位。因此所述可旋转机构使机械臂10在水平面内以机器人平台13前进方向为起点向待测设备所在侧自旋转0-180°；并且能够使机械臂10在竖直面内从竖直方向向电气设备另一侧旋转0-90°。
如图2所示的以阵列形式展开的特高频天线，所述第一连接臂5可绕与所述机械臂10顶端的万向接头9从靠近机械臂10的一侧向上旋转到与所述机械臂10处于同一直线的上方位置，所述第一连接臂5和所述第四连接臂8可绕所述机械臂10顶端的万向接头9的连接点从靠近机械臂的一侧向上旋转到与机械臂垂直的平面内成一直线；且与第二连接臂6和第三连接臂7分别构成“⊥”形。
所述特高频天线组位于初始位置时，第一特高频天线1、第二特高频天线2和第四特高频天线4的信号接收面与机器人平台13的前进方向平行；第三特高频天线3的信号接收面与第一特高频天线1、第二特高频天线2和第四特高频天线4的信号接收面垂直且向上；所述特高频天线组中的四条连接臂旋转成阵列结构后，第一特高频天线1、第二特高频天线2、第三特高频天线3和第四特高频天线4的信号接收面相互平行。
所述机械臂和特高频天线组展开后，整个装置的高度满足变电站对高度限制的要求，整个装置与设备的距离满足变电站对最小间距的要求。
实施例2
图3所示为变电站站域局部放电空间定位装置的定位流程示意图。该流程图示出的步骤可以由一组可执行指令的计算机系统进行，但是，在实际执行情况下，可以以不同于此处的顺序执行；图中所示步骤如下：
步骤S101，机械臂和特高频天线组状态初始化；包括：调整特高频天线组的第一连接臂5、第二连接臂6、第三连接臂7和第四连接臂8向下旋转到与机械臂10靠近的位置；并将机械臂10调整到与机器人平台13上表面垂直的状态，再调整机械臂的方位角，使第一连接臂5末端的第一特高频天线1的信号接收面与机器人平台10的前进方向垂直，机械臂和特高频天线组状态初始化后的效果如图1所示。
步骤S102，机械臂旋转到水平面内信号最强的方位角，所述可旋转机构11带动机械臂10以自身为旋转轴在水平面从初始方向向电气设备所在一侧自旋转180°，使得第一连接臂5顶端的第一特高频天线1扫过设备180°，第一特高频天线1采集信号，并把实时特高频信号的强度与对应的方位角的角度通过二维数组进行保存；即可旋转机构11带动机械臂10旋转到水平面内特高频信号最强处所对应方位角的的角度。
步骤S103，机械臂旋转倒垂直面内信号最强的俯仰角；所述可旋转机构11带动机械臂10在方位角所确定的竖直面内从竖直位置向设备另一侧的90°范围旋转，同时第一特高频天线1采集信号，并将实时特高频信号的强度与对应的旋转角度通过二维数组保存下来；即机械臂10在竖直面内旋转到特高频信号最强处所对应的俯仰角的角度。
步骤S104，特高频天线组以阵列形式展开；所述特高频天线阵列的尺寸满足不同变电站内对于高度以及与设备间距的要求，特高频天线阵列的形式需满足高定位精度的要求。所述第二连接臂6绕与机械臂10顶端的万向接头9连接的连接点，从靠近机械臂10的一侧向上旋转到与机械臂10处于同一直线的上方位置；所述第一连接臂5、第三连接臂7和第四连接臂8绕与机械臂10顶端的万向接头9连接的连接点，从靠近机械臂10的一侧向上旋转到与机械臂10垂直的平面内，且旋转后的第一连接臂5和第四连接臂8在同一直线上，并与第二连接臂6构成“⊥”字形，旋转后的第三连接臂7与第一连接臂5、第二连接臂6和第四连接臂8共同构成的平面垂直，并且第一特高频天线1、第二特高频天线2、第三特高频天线3和第四特高频天线4的信号接收面相互平行，所述特高频天线组旋转到一定方位角和俯仰角后，其阵列展开后的效果如图2所示；
步骤S105，计算电气设备局部放电位置三维空间坐标，首先由机械臂臂长，所述机械臂旋转到的方位角、俯仰角计算出机械臂顶端在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；然后由所述机械臂顶端的坐标，计算出所述特高频天线组中每个特高频天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；接着由所述特高频天线的三维空间坐标计算所述电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标，最后将电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标转化到变电站站域的三维空间坐标系中。
结合上述步骤S101-S105，例如在实施例中，假设机器人平台到达变电站内某位置后，机器人平台(即机械臂与可旋转机构的连接处)在站域三维空间坐标中的坐标为(x0,y0,z0)，假设机器人平台的直角坐标系以机器人平台与机械臂的交点为原点(0,0,0)，机器人平台的前进方向为x轴正方向，指向设备一侧为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向，机械臂、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂的臂长度都为l，机械臂旋转的方位角为α、俯仰角为β。
那么所述机械臂顶端在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为：
(-lsinβcosα,-lsinβsinα,lcosβ)；
所述第一天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为：
(x1,y1,z1)＝(-2lsinβcosα,-2lsinβsinα,2lcosβ)；
所述第二天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为：
(x2,y2,z2)＝(-lsinβcosα+lsinα,-lsinβsinα-lcosα,lcosβ)
所述第三天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为：
(x3,y3,z3)＝(-lsinβcosα-lsinα,-lsinβsinα+lcosα,lcosβ)
所述第四天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为：
(x4,y4,z4)＝(-lsinβcosα-lcosβcosα,-lsinβsinα-lcosβsinα,lcosβ-lsinβ)
设局部放电源在机器人平台三维空间坐标系中的坐标为(x,y,z)，根据电磁波的传播特点可以列出方程组(1)
式中：c＝3·108m/s为光速，t0i(i＝1,2,3,4)为局部放电源的电磁波传输到各传感器的时间，L1-L4为放电源分别到四个特高频天线的距离；求解(1)式后得到局部放电源在机器人平台三维空间坐标系中的坐标(x,y,z)。
将局部放电源在机器人平台三维空间坐标系中的坐标(x,y,z)归算到站域三维空间坐标系中的结果为：(x+x0,y+y0,z+z0)，其中(x0，y0，z0)代表机器人平台在站域三维空间坐标系中的坐标。
Claims (5)
1.一种变电站站域局部放电空间智能定位装置，所述变电站站域局部放电空间智能定位装置包括：机械臂、特高频天线组、可旋转机构与机器人平台；其中，机械臂通过可旋转机构固定于机器人平台上，特高频天线组的连接臂通过万向接头组固定于机械臂顶端，并以阵列形式展开；以阵列形式展开的特高频天线将特高频天线置于特高频信号最强的角度，用于配合机器人平台对电气设备的局部放电点定位；所述特高频天线组由连接臂和特高频天线连接构成；所述可旋转机构由万向旋转支座和固定座组成；其特征在于，第一至第四连接臂的一端分别与第一至第四特高频天线连接，第一至第四连接臂的另一端分别与机械臂顶端的对应万向接头连接；因此第一至第四特高频天线能够在垂直方向向上、向下转动；
第二连接臂可绕与所述机械臂顶端的连接点从靠近所述机械臂的一侧向上旋转到与所述机械臂处于同一直线的上方位置，所述第一连接臂和所述第四连接臂可绕所述机械臂顶端的连接点从靠近所述机械臂的一侧向上旋转到与所述机械臂垂直的平面内成一直线；且与第二连接臂和第三连接臂分别构成“⊥”形。
2.根据权利要求1所述变电站站域局部放电空间智能定位装置，其特征在于，所述可旋转机构使机械臂以机器人平台前进方向为起点向待测设备所在一侧自旋转180°。
3.根据权利要求1所述变电站站域局部放电空间智能定位装置，其特征在于，所述可旋转机构能够使机械臂在竖直面内从竖直方向向电气设备一侧的水平方向旋转0-90°。
4.根据权利要求1所述变电站站域局部放电空间智能定位装置，其特征在于，所述特高频天线组位于初始位置时，第一特高频天线、第二特高频天线和第四特高频天线的信号接收面与机器人平台的前进方向平行，第三特高频天线的信号接收面与第一特高频天线、第二特高频天线和第四特高频天线的信号接收面垂直且向上，所述特高频天线组中的四条连接臂旋转成阵列结构后，第一特高频天线、第二特高频天线、第三特高频天线和第四特高频天线的信号接收面相互平行。
5.一种权利要求1所述变电站站域局部放电空间智能定位装置的定位方法，其特征在于，采用布置在机器人平台上的定位装置，首先使装置的机械臂在水平方向旋转0-180°，以寻找信号最强的方位角，方位角确定后，机械臂在方位角确定的竖直面内从上向下旋转90°后，寻找信号最强的俯仰角，机械臂旋转到信号最强的方位角和俯仰角后，通过四条连接臂旋转到固定位置，达到在该位置将特高频天线以阵列形式展开对设备局部放电位置定位的目的，具体包括：
(1)机械臂、特高频天线组状态初始化；调整所述特高频天线组的第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂和第四连接臂向下旋转到与所述机械臂靠近的位置；调整所述机械臂的状态与机器人平台上表面垂直，调整所述机械臂的方位角使第一连接臂末端的第一特高频天线的信号接收面朝向机器人平台的前进方向；
(2)控制机械臂旋转到水平面内信号最强的方位角，所述机械臂在所述可旋转结构的带动下从机器人平台前进方向向电气设备所在一侧旋转180°，同时利用固定在第一连接臂下端的第一特高频天线采集信号，并把实时特高频信号的强度与对应的旋转角度通过二维数组进行保存；所述机械臂在所述可旋转结构的带动下以自身为旋转轴旋转到特高频信号最强处所对应的方位角的角度；
(3)控制机械臂旋转到竖直面内信号最强的俯仰角并控制特高频天线组以阵列形式展开；在所述可旋转结构的带动下所述机械臂从与机器人平台垂直的位置向电气设备所在另一侧的水平位置旋转90°，同时利用固定在第一连接臂下端的第一特高频天线采集信号，同时将实时特高频信号的强度与对应的角度通过二维数组保存下来；所述机械臂在可旋转结构的带动下，在竖直面内旋转到特高频信号最强处所对应的俯仰角的角度，所述特高频天线组的四条连接臂旋转到使所述四个特高频天线展开成阵列的形式；
(4)计算电气设备局部放电位置三维空间坐标；由所述机械臂臂长，所述机械臂旋转的方位角、俯仰角计算出机械臂顶端在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；由所述机械臂顶端的坐标，计算出特高频天线组中每个特高频天线在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；由特高频天线的三维空间坐标计算电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标；将电气设备局部放电位置在机器人平台三维空间坐标系中的坐标转化到变电站站域的三维空间坐标系中。
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