摘 要

為解決智能化選煤廠中供配電系統(tǒng)遠(yuǎn)程分合閘操作問(wèn)題，提高選煤廠智能化水平，提出并應(yīng)用了一種智能操作機(jī)器人遠(yuǎn)程停送電方案，通過(guò)機(jī)器人技術(shù)、視頻分析技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤廠10 kV 高壓配電柜及660 V低壓配電柜的遠(yuǎn)程分合閘操作、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能巡檢、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。智能操作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及操作流程滿足選煤廠停送電操作的使用要求，可以提高操作人員的安全性和工作效率，推動(dòng)選煤廠高低壓供配電系統(tǒng)的智能化。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第12期“選煤廠智能化建設(shè)成果專欄”

第一作者：王宇涵，高級(jí)工程師，主要從事選煤廠智能化的相關(guān)研究工作。E-mail：390665865@qq.com

作者單位：中選智控（天津）科技有限公司

引用格式：王宇涵，楊尚凱，鄭晨.配電室操作機(jī)器人在西灣選煤廠的應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(12):49-53.

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選煤廠遠(yuǎn)程停送電系統(tǒng)是智能化選煤廠建設(shè)的重要組成部分，在現(xiàn)有的遠(yuǎn)程停送電系統(tǒng)建設(shè)中，主要為配電室配置智能操作機(jī)器人和配電柜增加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。針對(duì)選煤廠智能供配電的建設(shè)需求，在神延煤炭西灣露天煤礦選煤廠（簡(jiǎn)稱西灣選煤廠）供配電智能化建設(shè)中，選擇采用智能操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高壓柜及低壓柜斷路器的分合閘、智能巡檢等系列停送電操作，完成選煤廠配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程停送電功能。

西灣選煤廠供配電設(shè)備原狀

1.1 高壓配電柜

西灣選煤廠10 kV高壓系統(tǒng)配電柜采用KYN28-12型戶內(nèi)金屬鎧裝抽出式開關(guān)設(shè)備，結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、緊湊，性能優(yōu)越，安全可靠，具有“五防”機(jī)械聯(lián)鎖功能，為目前應(yīng)用最多的高壓柜型置。

該柜型主要有儀表室、斷路器室、母線室及電纜室4個(gè)部分。儀表室門主要安裝各類儀表及操作按鈕，斷路器室布置高壓真空斷路器，電纜室用于饋線電纜連接和安裝接地開關(guān)裝置。使用中通過(guò)安裝在儀表室的狀態(tài)指示燈和斷路器室觀察窗查看高壓真空斷路器工作狀態(tài)。

日常檢修停電操作時(shí)，電工需要逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)“分、合閘”旋鈕使斷路器分閘，通過(guò)搖動(dòng)底盤車搖出高壓真空斷路器，通知集控室完成停電操作；需要檢修線路時(shí)，需進(jìn)行接地開關(guān)合閘操作，以上操作過(guò)程中，操作電工需對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行確認(rèn)。

1.2 低壓配電柜

西灣選煤廠低壓系統(tǒng)配電柜以MNS型配電柜為主，該柜型具有大聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，具有隔離位、試驗(yàn)位、連接位、抽出位，機(jī)構(gòu)與斷路器分合閘手柄有機(jī)械閉鎖，保證抽屜單元只有在斷路器分閘情況下才能抽出，避免操作人員誤操作，確保操作人員人身安全。該型低壓配電柜里的抽屜單元尺寸為標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，寬度為600 mm，高度最小為200 mm，最大高度為600 mm，每臺(tái)配電柜配置的抽屜單元數(shù)量不一致，最多為9個(gè)抽屜單元。

在傳統(tǒng)的日常生產(chǎn)檢修中，操作電工對(duì)檢修回路進(jìn)行停電操作，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)斷路器手柄分閘，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)右邊聯(lián)鎖小手柄至抽出位，解鎖機(jī)械閉鎖，然后將抽屜單元拉出到隔離位置，通知崗位工停電完成。其中，600 mm（24E）抽屜單元含內(nèi)置元件總質(zhì)量較重，需電工人力拉至隔離位。

停送電操作機(jī)器人實(shí)施方案

西灣選煤廠現(xiàn)有3個(gè)10 kV高壓配電室，共計(jì)52臺(tái)KYN28-12型中置式高壓柜，另有3個(gè)低壓配電室，共計(jì)低壓配電回路545個(gè)。每個(gè)配電室配置1臺(tái)智能操作機(jī)器人，共計(jì)6臺(tái)智能操作機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)選煤廠的遠(yuǎn)程停送電操作和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

2.1 西灣選煤廠高壓柜操作機(jī)器人

根據(jù)選煤廠高壓開關(guān)柜的日常巡檢操作情況，在高壓配電室中使用輪式巡檢操作機(jī)器人。機(jī)器人搭載多種傳感器及機(jī)械臂，進(jìn)行信息收集處理，并對(duì)旋鈕按鈕等進(jìn)行相關(guān)操作，完成巡檢任務(wù)和通信交互的功能。

高壓智能巡檢操作機(jī)器人系統(tǒng)主要包括六軸機(jī)械臂、云臺(tái)相機(jī)、快拆把手、充電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)，以及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)與環(huán)境信息智能監(jiān)測(cè)為一體系統(tǒng)，10 kV高壓柜操作機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 10 kV高壓柜操作機(jī)器人結(jié)構(gòu)

巡檢操作機(jī)器人采用激光自主導(dǎo)航，定位精度±10 mm，主要?jiǎng)幼鲉卧捎昧S機(jī)械手臂，負(fù)載質(zhì)量為10 kg，在手臂末端安裝有2種快速把手，根據(jù)指令類型自由切換，機(jī)械手臂自主完成遠(yuǎn)方/就地旋鈕操作、斷路器分合閘操作、斷路器底盤車等操作，高清云臺(tái)相機(jī)完成配電室內(nèi)各類巡檢任務(wù)，包括指示燈、表計(jì)識(shí)別、壓板開關(guān)、分合閘指示、安全帽識(shí)別、帶電指示以及環(huán)境溫濕度等功能。高壓柜操作機(jī)器人主要操作功能包括以下3個(gè)方面。

（1）遠(yuǎn)方/就地旋鈕動(dòng)作

機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)配電柜位置后，根據(jù)巡檢系統(tǒng)指令，獲取開關(guān)柜上待處理按鈕圖像，進(jìn)行按鈕、旋鈕的識(shí)別，再在執(zhí)行配電柜位置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)“遠(yuǎn)方/就地”旋鈕的動(dòng)作，左右動(dòng)作45°。

（2）分、合閘動(dòng)作

機(jī)器人根據(jù)系統(tǒng)指令，操作流程為自動(dòng)定位至需要操作的配電柜前、基于圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)攝像頭對(duì)開關(guān)柜面板識(shí)別，自動(dòng)判斷當(dāng)前開關(guān)柜斷路器位置及動(dòng)作狀態(tài)；經(jīng)視頻遠(yuǎn)程2次確認(rèn)無(wú)誤后，通過(guò)鉗形操作末端旋轉(zhuǎn)旋鈕執(zhí)行停送電操作，即向左旋轉(zhuǎn)45°為分閘，向右旋轉(zhuǎn)45°為合閘。

（3）斷路器底盤車操作

機(jī)器人在到達(dá)目標(biāo)配電柜位置，識(shí)別動(dòng)作位置，根據(jù)動(dòng)作種類，選擇對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)式操作末端，進(jìn)行斷路器手車搖入、搖出操作，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為搖入，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為搖出。

2.2 西灣選煤廠低壓柜操作機(jī)器人

根據(jù)選煤廠低壓配電設(shè)備情況，低壓系統(tǒng)采用輪式操作機(jī)器人，搭載多種位置傳感器，在機(jī)械末端進(jìn)行信息收集處理及對(duì)手柄、機(jī)構(gòu)旋鈕、抽屜等進(jìn)行相關(guān)操作，完成操作任務(wù)和通信交互的功能。操作機(jī)器人采用激光自主導(dǎo)航功能，操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械末端可自主完成手柄分合閘操作、機(jī)構(gòu)旋鈕操作、配電抽屜抽拉等配電停送電操作任務(wù)，低壓開關(guān)柜（抽屜）操作機(jī)器人如圖2所示。

圖2 低壓開關(guān)柜（抽屜）操作機(jī)器人

低壓開關(guān)柜（抽屜）操作機(jī)器人主要由三軸直交機(jī)器人、機(jī)器抓手、行進(jìn)底盤車、相機(jī)、充電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)以及若干套在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。工作時(shí)，主要通過(guò)X/Y/Z軸直交機(jī)器人與機(jī)器抓手配合實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜每個(gè)抽屜單元的定位、分合動(dòng)作及抽拉動(dòng)作。機(jī)器人行駛方向?yàn)閄軸，垂直于柜子面的方向?yàn)閅軸，機(jī)器人升降的部分為Z軸，行進(jìn)底盤車主要完成操作配電柜的行走、定位動(dòng)作，低壓操作機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 低壓操作機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

（1）機(jī)器人操作步驟

根據(jù)西灣選煤廠低壓系統(tǒng)停送電操作要求及低壓配電柜柜型特點(diǎn)，操作機(jī)器人主要操作動(dòng)作分為3種：分合閘操作手柄的旋轉(zhuǎn)、機(jī)構(gòu)旋鈕的正反轉(zhuǎn)、配電抽屜單元的抽拉和推入。

（2）機(jī)器人動(dòng)作流程

系統(tǒng)發(fā)送預(yù)先設(shè)定好的任務(wù)站點(diǎn)、操作高度、旋鈕類型（正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)），抽拉方式（機(jī)器人推、拉抽屜單元）。機(jī)器人移動(dòng)至目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)，三軸平臺(tái)升降至抽屜單元操作高度；機(jī)器人停止至目標(biāo)站點(diǎn)后，通過(guò)采集激光傳感器的數(shù)據(jù)信息，調(diào)整自身位置至機(jī)器人與柜體平面基本平行；視覺定位后，三軸平臺(tái)自動(dòng)調(diào)整至視覺二維碼中心，三軸平臺(tái)移動(dòng)至預(yù)備操作點(diǎn)；視覺拍照旋鈕開關(guān)，獲取旋鈕狀態(tài)，確保操作前的目標(biāo)低壓柜各回路狀態(tài)與系統(tǒng)一致；機(jī)器人集成平臺(tái)的旋鈕伸縮桿伸出，按照系統(tǒng)指令做自動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手柄90°，實(shí)現(xiàn)斷路器合、分閘操作；機(jī)器人集成平臺(tái)的旋鈕伸縮桿伸出，按照系統(tǒng)指令做自動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)小手柄90°，投入、解鎖抽屜單元機(jī)械閉鎖；機(jī)器人按照預(yù)制的動(dòng)作流程，抓取低壓配電柜把手，抓取完成之后，將抽屜拉出或者推入。

（3）通信系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)包含通信管理機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、無(wú)線AP基站等。機(jī)器人與定點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)搭建的無(wú)線AP基站內(nèi)，基站將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)程后臺(tái)服務(wù)器內(nèi)。服務(wù)器按照不同的數(shù)據(jù)算法，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化、處理，最終把最直觀的數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)在后臺(tái)控制系統(tǒng)內(nèi)，方便使用者進(jìn)行查看，根據(jù)需要后臺(tái)管理系統(tǒng)也可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。操作機(jī)器人后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 操作機(jī)器人后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)場(chǎng)景

停送電操作機(jī)器人使用效果及便利性

高、低壓操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了配電室無(wú)人化巡檢、智能化告警、可視化管理，高壓開關(guān)柜、低壓配電柜停送電的無(wú)人化操作，代替人工的停送電操作，降低人工巡檢和操作的勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)系數(shù)，減少95%的人工巡檢次數(shù)，提升目標(biāo)巡檢區(qū)域設(shè)備運(yùn)行的安全性和運(yùn)維效率。根據(jù)需求建立完整的智能化巡檢管理體系，提升選煤廠的智能化運(yùn)營(yíng)與管理水平，高壓配電室操作機(jī)器人場(chǎng)景如圖5所示，低壓配電室操作機(jī)器人場(chǎng)景如圖6所示。

圖5 高壓配電室操作機(jī)器人場(chǎng)景

圖6 低壓配電室操作機(jī)器人場(chǎng)景

停送電操作機(jī)器人存在的問(wèn)題

（1）機(jī)器人定位系統(tǒng)受外界條件影響較大

如操作機(jī)器人正常運(yùn)行要求配電室地面必須平整無(wú)斷面，本體無(wú)任何晃動(dòng)，保證機(jī)器人定位程序順利執(zhí)行，否則容易出現(xiàn)機(jī)器人定位錯(cuò)誤，無(wú)法正常完成操作任務(wù)，甚至無(wú)法完成機(jī)器人充電動(dòng)作。

（2）機(jī)器人操作效率還有待提高

為保證操作機(jī)器人準(zhǔn)確地完成操作，每個(gè)操作動(dòng)作完成后，機(jī)器人操作部位都會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)重新確定動(dòng)作基準(zhǔn)值，造成動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)，如出現(xiàn)配電回路停電操作延時(shí)，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。

（3）高壓柜中接地開關(guān)無(wú)法完成機(jī)器人操作

高壓柜中主流柜體為KYN28型，接地開關(guān)操作需要較大力量，人工操作十分吃力，目前機(jī)械抓手輸出力矩?zé)o法滿足接地開關(guān)的動(dòng)作要求。

（4）低壓抽屜柜少量抽屜單元無(wú)法正常操作

低壓抽屜柜中最低抽屜單元距地面高度約為160 mm，低壓操作機(jī)器人行走底盤高度為了滿足行走及定位要求，高度高于低壓柜最低抽屜單元位置，造成機(jī)器人抓手無(wú)法觸及抽屜旋鈕部位。低壓柜最高位置抽屜單元，當(dāng)機(jī)器人抽出時(shí)重心高度較高，會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人Z軸搖擺的情況，出于安全考慮，無(wú)法對(duì)最高位置抽屜單元進(jìn)行操作。

停送電操作機(jī)器人的改進(jìn)措施

（1）在配電柜或配電回路上安裝定位標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)物理定位反饋，提高機(jī)器人定位準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；以此為基礎(chǔ)，通過(guò)在行走中完成動(dòng)作姿態(tài)和減少初始動(dòng)作定位環(huán)節(jié)的方式，提高機(jī)器人的工作效率。在技術(shù)成熟、成本降低的情況下，增加配電室的機(jī)器人配備數(shù)量，降低回路的停送電操作時(shí)間。

（2）目前的機(jī)器人后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)多以開放第三方接口的形式接入選煤廠停送電管理系統(tǒng)，其應(yīng)該與選煤廠停送電流程相結(jié)合，將選煤廠停送電管理流程引入后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)平臺(tái)方式完成選煤廠停送電操作，提高停送電操作機(jī)器人動(dòng)作的工作效率和可靠性。

結(jié) 語(yǔ)

選煤廠配電室操作機(jī)器人在西灣選煤廠高低壓配電室的應(yīng)用，有效解決傳統(tǒng)運(yùn)維模式的安全、效率痛點(diǎn)，提升了配電室運(yùn)維的智能化水平。雖然目前在復(fù)雜場(chǎng)景適配、成本控制和系統(tǒng)兼容性等方面仍存在不足，但通過(guò)技術(shù)升級(jí)、模式創(chuàng)新和系統(tǒng)集成，機(jī)器人的應(yīng)用前景廣闊。未來(lái)，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，配電室操作機(jī)器人將實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)、更全面的運(yùn)維服務(wù)，推動(dòng)選煤廠電力運(yùn)維向智能化、無(wú)人化轉(zhuǎn)型。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡(jiǎn)介

《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

刊載欄目：企業(yè)/團(tuán)隊(duì)/人物專訪政策解讀視角·觀點(diǎn)智能示范礦井對(duì)話革新·改造學(xué)術(shù)園地、專題報(bào)道等。

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