一種螺栓聯結狀態檢測及帶電鎖緊裝置設計

陳 昊，陳瑋光，史俊祎，黃祖榮，朱 凱，黃 冰

(1.國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102；2.國網安徽省電力有限公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000)

0 引言

隨著我國電力建設的發展、智能電網建設的推進，變電站數量、輸電線路長度不斷增加，運維檢修工作量也隨之增大。與此同時，對用電可靠性的要求也在不斷提高。在此背景下，保障電力系統各環節的安全可靠運行是輸變電運維檢修領域的重要研究課題。

變電站和電力線路作為電力系統運行的關鍵組成部分，其安全可靠運行的一項重要保障措施就是巡視檢查電力線路以及設備的螺栓聯結狀態。現有的巡視手段主要包括人工現場巡視和無人機巡視，這些方法主要是通過觀察現場電力設備有無放電痕跡、機械聯結結構有無脫落來判斷其聯接狀態，判斷手段相對單一，且不能達到提前管控的目的。更為重要的是，巡視過程中如發現由于螺栓聯結不牢固引發放電等現象，需要停電才能進行檢修，耗費較多的人力、物力和財力，影響供電可靠性。

為有效提高設備巡視質量，及早發現變電站、線路及其設備的異常螺栓聯結狀態并在帶電狀態下完成緊固工作，設計出一種基于嵌入式系統的螺栓聯結狀態檢測及帶電鎖緊裝置，可在設備帶電的情況下遠距離送入帶電作業位置緊固螺栓。

遠距離螺栓鎖緊裝置主要由機械結構和操控部分組成。機械結構主要由遠距離鎖緊結構和絕緣桿聯結件組成，操控部分包括操作終端和基于嵌入式的電批控制系統。在遠距離緊固螺栓過程中，為使機械結構轉動平穩、緊固不抖動，在傳統PID基礎上，提出了一種適應性更強的動態PID控制算法。該算法通過扭矩傳感器得到的實時扭矩與目標扭矩的誤差和誤差變化率來動態調整傳統算法中的參數，用來適應不同的工況、動態目標環境。實用效果表明，該裝置可以高效對準螺母，平滑地緊固螺栓，實現螺栓聯結狀態的檢測和修復。

1 遠距離螺栓鎖緊裝置結構

遠距離螺栓鎖緊裝置的結構如圖1所示，整套系統由控制電路和操控終端組成，其中控制電路又包括操作系統、壓力傳感器、動態PID算法實現、轉速控制、電批旋轉控制、扭矩數據處理和人機交互組成。

控制電路安裝在電批上方的控制盒內，其主控系統是以飛思卡爾公司K60系列微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)為主控芯片。緊固裝置安裝的場所經常屬于強電磁干擾的地點，要求硬件除能夠實現保護功能外，還能夠在強干擾的環境下長期運行。該裝置中外圍電路采用模塊化設計，分為電源供電、模擬量采集、CPU及決策控制、動作輸出模塊和顯示面板。

軟件系統基于MQX嵌入式的多任務調度平臺開發，鎖緊結構可以通過電批的旋轉快速對準螺母，通過扭矩的檢測來判斷螺栓聯接狀態。在螺栓緊固過程中，系統通過對扭矩傳感器采集的實時數據與歷史扭矩數據進行算法處理，計算出電批的轉速參數，通過壓力傳感器檢測螺栓聯結狀態、基于動態PID算法實時控制電批轉速，使整個帶電鎖緊裝置能夠平穩地緊固螺栓。

2 控制系統軟件設計

遠距離螺栓鎖緊裝置的控制程序是在CodeWarrior的編譯環境下MQX嵌入式系統編程。主程序結構分為系統調度、驅動和應用層3個層次系。其中，系統調度屬于MQX系統的底層設計。應用層程序按照功能主要分為無線通信、數據處理、算法控制和輸出控制等。對各個功能模塊分別建立C文件和H文件，并分開調試。在各模塊調試成功后，統一由任務調度程序再進行統一協調，最終生成螺栓聯結狀態檢測及帶電鎖緊的軟件程序。每個獨立的功能由相應的函數文件實現，由主程序調度執行。

控制系統的主程序流程如圖2所示，控制電路通電后首先啟動MQX系統，完成內部時鐘、定時器、中斷以及無線通信的初始化，然后進入主程序，等待操作終端的無線控制信號。控制數據分為旋轉和鎖緊信號，裝置屬于遠距離操作，在電批夾頭由于角度問題無法夾住螺母的情況下，可以通過操控機發送旋轉信號，使電批夾頭低速旋轉，直到螺母與夾頭匹配即可夾住螺母。在收到鎖緊信號時，則進入相應中斷服務函數，通過檢測螺栓的扭矩，做出相應的動作鎖緊螺栓。為使緊固過程中機械結構轉動平穩、緊固不抖動，此時應用動態PID控制算法。

2.1 傳統PID

裝置屬于遠距離操作，在螺栓緊固過程中要求轉動平穩，避免出現抖動，即在電機轉動的過程中，接近目標扭矩時的轉速要小，避免出現突然停轉時的頓挫感。

傳統增量式PID控制器如下式所示：

式中：u(k)為控制輸出，應用到螺栓鎖緊裝置中，即為電機的轉速控制；e(k)為扭矩誤差；KP，KI，KD分別為比例、積分、微分系數。

由于u(k)，e(k)量綱的不同，如果使用固定的系數，難以保證緊固過程運行平穩，且在不同的運行工況情況下，可能出現異常增速的情況。為達到更為理想的控制效果，參數值動態調整是一種可行的方法。

2.2 動態參數調整策略

定義扭矩誤差e(k)為：

式中：t(k)為經過扭矩傳感器反饋的實時扭矩；Tref(k)為設定的扭矩目標值。

由于控制量是電機的轉速，在理想狀態下，達到設定扭矩時轉速為零。則需要建立目標轉速與扭矩誤差的對應關系函數。通過實驗表明，扭矩誤差和目標轉速成三次方關系時，能夠取得較好的控制效果，目標轉速Vref(k)為：

式中：Kv為扭矩轉速轉換系數。

速度誤差e＇(k)由目標轉速Vref(k)和實際轉速V(k)定義：

定義誤差變化率Δe＇(k)為：

經過實測表明，當取KD=0時，可得到較好的輸出效果，即該裝置可以采用PI控制系統，式(1）的控制策略可以表示為：

為了讓系統以較快的速度達到輸出目標值，引入一個調節速率理想值的概念。綜合考慮系統穩定性等各方面因素，根據經驗設計符合實際的理想調節速率，用r表示。在該系統中，實際調節速率的大小可以通過Δe＇(k)的絕對值衡量。

在調節過程中，目標轉速是基于扭矩的動態過程，為了設計KP，KI的調整策略，首先應分析比例、積分參數之間的關系，二階系統的典型轉速階躍相應曲線如圖3所示。

將圖3中轉速階躍相應曲線分為I～V 5個區域，由理論基礎可知：當轉速標幺值在I，Ⅲ，Ⅴ區域時，即Δe＇(k)*e＇(k)＜0時，轉速輸出值正在趨近于目標值，如果正在以理想調節速率調整，應保持參數不變，如果調整速率過快，為了避免超調，應當減弱控制，反之應當增加；當轉速標幺值在Ⅱ，Ⅳ區域時，即Δe＇(k)*e＇(k)＞0時，轉速輸出值正在遠離目標值，應該增加控制，扭轉偏離的狀況。

根據上述分析和式(6)可知，Δe＇(k)*e＇(k)＜0時，減小KP或者增大KI都能增強控制作用，反之增大KP或者減小KI都能減弱控制作用。另一個方面，當Δe＇(k)*e＇(k)＞0時，增大KP或者減少KI都能增強控制作用，反之減小KP或者增大KI都能減弱控制作用。

由上述分析，提出如下兩條參數的調整策略。

（1）Δe＇(k)*e＇(k)＜0時，k時刻的控制量可以表示為：

式中：a為調節系數，主要用來在線調節控制參數KP，KI。

由公式(7)可知。當實際變化速率超過理想速率，即Δe＇(k)＞r時，使得KP減小，KI增大，從而減弱控制；當實際變化速率小于理想速率，即時，使得KP增大，KI減小，增加控制。

（2）當Δe＇(k)*e＇(k)＞0時，k時刻的控制量可以表示為：

由公式(8)可知，KP，KI同時增大以抑制誤差的方向。

在遠距離螺栓鎖緊裝置的實驗調試過程中，經正交試驗對比，最終將調節參數確定為a=0.5，r=20。此時，調節精度和速度的平衡可以達到滿意的水平。

3 裝置的機械結構

運行中的變電設備、線路的螺栓松動時，考慮到檢修人員作業安全性，需要進行遠距離帶電鎖緊。為提高工作安全性，遠距離螺栓鎖緊采用模塊化設計，單獨設計了一種包含絕緣桿、聯結結構、鎖緊部分和控制盒在內的機械結構。螺栓緊鎖裝置結構如圖4所示。

絕緣桿用以保持人與高電壓的隔離，防止直接接觸帶電設備。鎖緊部分主要包括經過改裝的直筒型電批和內六角夾頭。直筒型電批上部開有走線孔，原來的按壓開關保持常閉，動力電路中間剪斷加長，經走線孔引出至控制系統。聯結結構將電批位置固定，并和絕緣桿通過螺紋連接在一起。控制盒內有4.8 V電池包、控制電路板和無線信號接收器。遙控器為一按壓觸發式無線信號發射器。這種結構可以讓檢修工作人員以無線遙控方式在地面上對高處變電設備或線路的螺栓等緊固件進行鎖緊操作。此外，可在電批固定座與絕緣桿之間增加一對轉接法蘭，使裝置適應不同方向的螺栓。兩個法蘭通過12個螺栓孔連接固定，這樣鎖緊裝置可以在豎直平面內通過兩個法蘭之間錯位安裝來調整電批的方向，最小錯位角度為30°，共可以調整出12個不同方向。實際固定時，只需要使用其中的4個螺栓孔即可實現可靠連接。

4 工程應用

2018年9月，將基于上述設計的螺栓聯結狀態檢測及帶電鎖緊裝置應用于江蘇南京地區220 kV雙閘變電站110 kV隔離開關螺栓緊固(帶數百伏感應電)，2019年1月裝置在500 kV東善橋變35 kV間隔的現場應用情況如圖5所示，試驗結果表明達到了設計預期。

進一步將該裝置應用于南京、宿州(安徽)多條10 kV線路試用，試驗結果表明達到了設計預期。將該裝置與人工鎖緊螺栓的平均用時進行了對比，結果為：對變電站和線路的螺栓進行緊固時，人工鎖緊一處螺栓的平均時間分別需要7 min和19 min，而使用本裝置僅僅需要3 min和11 min，在保證作業安全性的同時，大幅縮短了工作時間。

5 結論

(1) 針對變電設備、輸電線路及其附屬設備上螺栓檢測及緊固問題，提出帶電螺栓緊固的解決方案并完成了裝置研制。實用效果表明，該裝置能夠實現螺栓聯結狀態的準確檢測，螺母的高效對準，螺栓的平滑鎖緊，以及螺栓聯結狀態的檢測和修復。

(2) 提出了一種動態PID算法，該算法能夠很好的解決動態目標的控制系統參數設置問題，附加計算量較小，對傳統PID調節精度和速度的矛盾有顯著的調和作用。

(3) 該螺栓聯結狀態檢測及帶電鎖緊裝置，可在設備帶電的情況下進行螺栓緊固操作，顯著提高了作業安全性和工作效率。