輸電線路清障裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋丹靜　王德龍　韋賢亮　孔繁業(yè)

摘要：輸電線路清障機(jī)構(gòu)是當(dāng)前線路維護(hù)中的重點(diǎn)研究對(duì)象之一，是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)。文章從實(shí)用性出發(fā)，研究了一種輸電線路巡線清障裝置，采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外加圓形鋸盤清障的工作方式，利用視頻信息采集與傳輸、地面遙控等方式對(duì)巡線過程的裝置動(dòng)作操控以及對(duì)是否清理障礙物等做出決策。

關(guān)鍵詞：輸電線路；清障裝置；巡線裝置；機(jī)電一體化；動(dòng)作操控 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP242 文章編號(hào)：1009-2374（2015）28-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.011

1 概述

高壓輸電線路是長距離輸配電的主要方式，由于線路長期暴露在自然環(huán)境中，會(huì)受到各種惡劣天氣等不可控因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致線路元件故障，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此輸電線路巡檢就成了一項(xiàng)基礎(chǔ)但非常重要的工作。但隨著輸電線路數(shù)量的爆炸式增長，輸電線路的布線也更加復(fù)雜，靠傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)不足以滿足線路巡檢需要。因此研發(fā)自動(dòng)化的輸電線路巡檢裝置就具有很強(qiáng)的必要性，同時(shí)也成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)、高等院校等也在巡線機(jī)器人方面做出了很多研究，但很大程度上遭遇機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和自主控制方面的難題，在機(jī)器人自主控制方面面臨實(shí)用化障礙，但輸電線路的巡線清障需要已經(jīng)非常迫切。因此本文從實(shí)際出發(fā)，即以輸電線路巡線清障裝置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于地面操控的巡線清障裝置，并從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度對(duì)該裝置的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之滿足輸電線路巡線清障的需求。

2 巡線清障裝置的總體功能設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中的主要設(shè)計(jì)任務(wù)為：采用遠(yuǎn)程遙控方式，代替線路運(yùn)行人員對(duì)導(dǎo)線異物進(jìn)行帶電消除，并對(duì)探視圖像進(jìn)行分析和判斷，及時(shí)對(duì)線路進(jìn)行探傷并完成異物消除工作，項(xiàng)目的實(shí)施可解決輸電線路檔距中間漂浮異物無法帶電消除的問題，大幅提高線路清障的效率，全面提高線路的可靠性和安全穩(wěn)定性。

為完成上述設(shè)計(jì)任務(wù)，本文中所設(shè)計(jì)的巡線清障裝置可簡(jiǎn)稱為線路異物清障車系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱清障車），該裝置是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、遙控、通信、多傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。在上述各子系統(tǒng)中，關(guān)鍵問題之一是機(jī)械機(jī)構(gòu)、地面遙控等，現(xiàn)分別對(duì)各主要功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，各主要部分的組成如圖1所示：

在完成系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)分別對(duì)各主要部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清障車在線路上的工作方式特殊，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其工作環(huán)境的特殊性。在本次設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)要求包括：（1）從實(shí)用的角度要求機(jī)構(gòu)小巧、緊湊、輕質(zhì)，便于攜帶及上下線操作，在故障情況下，應(yīng)防止除異物清障車摔落；（2）從運(yùn)動(dòng)控制的角度要求機(jī)構(gòu)的自由度盡量少，能實(shí)現(xiàn)解耦控制，并且具有符合要求的控制精度。由于清障裝置還應(yīng)具備清障功能，故在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，按行走機(jī)構(gòu)和清障機(jī)構(gòu)兩部分來進(jìn)行描述。

3.1 清障裝置行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清障裝置的行走機(jī)構(gòu)的主要功能是完成在輸電線路上的穩(wěn)定行走和翻越障礙，在功能設(shè)計(jì)方面主要包括：（1）具有三個(gè)速度等級(jí)和前進(jìn)、后退兩個(gè)方向功能，線上清障機(jī)采用雙輪支撐同側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得上線更為容易，同時(shí)配合大摩擦系數(shù)的行走輪及大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，使車體具備一定的爬坡和制動(dòng)能力；（2）行走輪經(jīng)2個(gè)電機(jī)分別同時(shí)驅(qū)動(dòng)，提高裝置在線路上行走的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以確保動(dòng)力可靠，不至于出現(xiàn)一個(gè)輪被卡的情況；（3）電機(jī)具備自鎖性，當(dāng)馬達(dá)沒電的情況下可自動(dòng)鎖定，無法轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）減速箱輸出軸方向與馬達(dá)軸方向垂直設(shè)計(jì)，便于安裝帶動(dòng)設(shè)備；（5）在輸電線路帶電運(yùn)行情況下對(duì)輸電線路進(jìn)行檢測(cè)，抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)；（6）設(shè)備體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、功能齊全、操作方便、安全可靠。

3.2 清障裝置的清障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)孛娌僮魅藛T確定需要進(jìn)行清障操作時(shí)，就需要用清障裝置的清障機(jī)構(gòu)來完成該工作。在本設(shè)計(jì)中，清障裝置的主要清理任務(wù)是清理輸電線路檔距中間漂浮異物，在設(shè)計(jì)時(shí)采用可地面控制的圓形鋸盤來實(shí)現(xiàn)。其工作原理是采取高速直流電機(jī)帶動(dòng)圓鋸片，利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)將異物打碎，同時(shí)增加鋸齒功能；對(duì)該圓形鋸盤采用遠(yuǎn)程遙控控制方式，以電子調(diào)速模塊控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小型圓盤鋸的控制。

4 視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中清障車工作流程為：首先通過絕緣斗臂車或人工爬到線塔上用吊裝的方式將小車安裝到相線上；然后地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)或者控制裝置發(fā)出開機(jī)控制命令，清障車本體計(jì)算機(jī)在接收到運(yùn)行命令后，驅(qū)動(dòng)清障車沿輸電線行走；行走過程中，檢測(cè)裝置不斷檢測(cè)前方異物的情況，同時(shí)視頻對(duì)線路進(jìn)行拍攝，拍到的圖像通過無線設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛妫孛婀ぷ骰緦?duì)線路情況進(jìn)行判斷，決定是否對(duì)線路上的異物進(jìn)行清除；對(duì)清障車本身的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，決定是否對(duì)清障車的運(yùn)動(dòng)給予干預(yù)。

由其工作流程可見，清障車傳回的視頻信息對(duì)于地面人員決策至關(guān)重要。因此本設(shè)計(jì)中很自然地就需要設(shè)計(jì)視頻系統(tǒng)。在視頻系統(tǒng)中，主要的組成部件是攝像頭和無線通信模塊。其中攝像頭方面為了滿足地面控制需要，需滿足高清需求，這方面可供選用的USB攝像頭是比較多的，很容易滿足設(shè)計(jì)要求。在無線通信模塊方面，主要是選用具有多功能支持的WIFI模塊，支持IEEE802.1 1b/g無線標(biāo)準(zhǔn)、支持基礎(chǔ)網(wǎng)和自組網(wǎng)、支持多種ICMP、DHCP、DNS和HTTP等。這方面可供設(shè)計(jì)選型的無線通信模塊也比較多，本次設(shè)計(jì)中選用的是Marvel 8686wifi模塊。

5 地面操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由前文對(duì)清障車的工作流程描述可見，清障車要完成其設(shè)計(jì)任務(wù)的另一關(guān)鍵環(huán)節(jié)是地面操作人員依據(jù)清障車傳回的視頻數(shù)據(jù)做出決策，因此地面操控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)之一。本文中所設(shè)計(jì)的地面操作系統(tǒng)主要通過接收清障車返回的視頻數(shù)據(jù)，地面操作人員依據(jù)視頻信息做出決策，以手柄/按鍵的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)線上清障車的運(yùn)動(dòng)或清障操作。地面操控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示：

在地面操控系統(tǒng)中，需要以一個(gè)高性能的處理器為核心，并為無線網(wǎng)卡、視頻接收、控制信息發(fā)送、顯示屏等附屬部件提供數(shù)量充足、性能穩(wěn)定的接口。在本文的設(shè)計(jì)中，主要的硬件接口預(yù)留為：（1）LCD、LED、觸摸屏，接口該類接口是顯示清障車傳回?cái)?shù)據(jù)的關(guān)鍵部件；（2）網(wǎng)絡(luò)接口，這類接口包括以太網(wǎng)接口和無線網(wǎng)卡接口，其中以太網(wǎng)接口與處理器直接相連，無線網(wǎng)卡則通過中間USB接口間接與處理器相連；（3）電源接口；（4）串口，為了為系統(tǒng)容量擴(kuò)充留下余地，還特地留了Nor Flash接口、Nand Flash接口以及SDRAM接口。

6 結(jié)語

輸電線路巡線裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電控制問題，涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)、地面控制等多個(gè)方面，是值得深入研究的問題。本文從實(shí)用的角度設(shè)計(jì)了基于地面操控的巡線清障裝置，在巡線裝置返回實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的視頻數(shù)據(jù)的前提下由地面控制人員決定裝置的行走和清障動(dòng)作，可滿足實(shí)用需要，以后將考慮進(jìn)一步提高裝置的智能化水平，以具備自我控制的巡線機(jī)器人作為研究目標(biāo)。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）