變電站智能巡檢機(jī)器人的拓展應(yīng)用研究

趙建平，于文海，許賢厚，侯東方

(國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著智能化、現(xiàn)代化、數(shù)字化的到來，智能巡檢機(jī)器人在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的推廣及運(yùn)用，如國(guó)防、變電站以及工業(yè)等[1-4]。其中，變電站的智能巡檢機(jī)器人的巡檢方式主要以紅外成像和激光遙測(cè)技術(shù)為主，而對(duì)電場(chǎng)檢測(cè)方面的融入并不多見，因此，關(guān)于這方面的檢測(cè)還需通過人力的方式來完成[5-8]。若這類工作人員長(zhǎng)期暴露在400、500 kV以下變電站中，那么就會(huì)給人體造成不同程度的負(fù)面影響，如血壓偏高、食欲不振以及脈搏加快等，增加患癌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了提高智能巡檢機(jī)器人的巡檢的多樣性，本文將組式系統(tǒng)(1個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī))融入到智能巡檢機(jī)器人中，使其具備更多巡檢技能，逐步全面取代人為的巡檢工作，減少變電站巡檢工作對(duì)巡檢人員身體帶來的影響[9]。具體而言，針對(duì)組式系統(tǒng)將要應(yīng)用的環(huán)境(變電站)，將從組式系統(tǒng)硬件、程序方面開始著手研究，以設(shè)計(jì)研究出能夠克服強(qiáng)電磁干擾，且擁有高強(qiáng)度作業(yè)能力的組式系統(tǒng)。使之更能滿足智能巡檢機(jī)器人巡檢作業(yè)的需要，成為變電站巡檢的一大重要推動(dòng)力。

1 組式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 組式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在整個(gè)組式系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)是其中設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，此處對(duì)組式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了分析，具體如下所述。

1.1.1 差分式放大電路

為了確保輸入信號(hào)的有效性，需要對(duì)傳感器收集得到的信號(hào)進(jìn)行前置放大處理。因?yàn)閭鞲衅髟谑占盘?hào)時(shí)，會(huì)受到傳感器本身的影響，且干擾情況基本一致，所以可借助差分式放大電路對(duì)信息號(hào)進(jìn)行前置放大處理。根據(jù)實(shí)際情況，本文選擇AD公司的AD620儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大處理。其對(duì)應(yīng)的差分式放大電路如圖1所示。

圖1中，匹配傳感器的輸入阻抗由R4表示，利用R5、R6、R7、R8可將浮地信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地信號(hào)，為AD620差分放大處理提供便利。利用C8、C9將信號(hào)中的干擾信號(hào)過濾掉，利用R12優(yōu)化AD620差分放大處理效果，增益效果由GA表示，可利用式(1)計(jì)算得到。

圖1 差分式放大電路Fig.1 Differential amplifier circuit

(1)

1.1.2 可控比例放大電路

為了確保A/D轉(zhuǎn)換的有序進(jìn)行，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可控比例放大電路對(duì)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理。為了擴(kuò)大系統(tǒng)幅值的響應(yīng)范圍，本文借助ADG1611實(shí)現(xiàn)了組式系統(tǒng)的可控增益功能。同時(shí)，為了確保系統(tǒng)結(jié)論的準(zhǔn)確性，利用了OP07C精密運(yùn)算放大器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理，由此完成AD滿量程電壓與輸入信號(hào)間的相互匹配。具體電路情況如圖2所示。

圖2 可控比例放大電路Fig.2 Controllable proportional amplifier circuit

圖2中，由OP07C放大器完成比例放大電路的構(gòu)建，并對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了放大處理。同時(shí)，ADG1611投切反饋電阻由Rf表示，放大倍數(shù)可由式(2)計(jì)算得到。

GD=Rf/k

(2)

1.1.3 帶通濾波電路

由于組式系統(tǒng)是在高壓工頻電場(chǎng)中進(jìn)行作業(yè)的，所以存在較強(qiáng)的電磁干擾。為克服這類環(huán)境的影響，選擇了三階巴特沃斯有源濾波電路，進(jìn)行帶通濾波，去除50 Hz以外的干擾信號(hào)。帶通濾波電路情況如圖3所示。

圖3 帶通濾波電路Fig.3 Band-pass filter circuit

1.1.4 單片機(jī)處理器選擇

為進(jìn)一步弱化工作環(huán)境對(duì)組式系統(tǒng)的干擾，需要選擇合適的單片機(jī)進(jìn)行處理。通過對(duì)市場(chǎng)單片機(jī)處理器的了解，最終選擇了C8051F40單片機(jī)作為組式系統(tǒng)的核心處理器。該單片機(jī)擁有VDD監(jiān)視器、片內(nèi)電壓比較器、溫度傳感器、片內(nèi)上電復(fù)位等功能，能夠有效應(yīng)對(duì)環(huán)境問題帶來的影響。

1.1.5 人機(jī)交互電路

人機(jī)交互電路模塊主要由3大模塊組成：①按鍵控制電路模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的“開關(guān)機(jī)”“選擇/確認(rèn)”、“下一機(jī)號(hào)數(shù)”、“上一機(jī)號(hào)數(shù)”功能；②LCD液晶顯示電路模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的顯示功能；③過限聲報(bào)警電路模塊，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供提供報(bào)警功能。人機(jī)交互電路如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互電路Fig.4 Human-machine interaction circuit

1.1.6 無(wú)線通信模塊

為實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的信息互通，選擇BL100無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊作為組式系統(tǒng)無(wú)線通信模塊。其中，BL100無(wú)線數(shù)據(jù)傳話模塊具有體積小、接口靈活、低功耗、便于集成、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。用戶完全可根據(jù)自身需求，對(duì)模塊的發(fā)射功率、串行速率以及通信速率等參數(shù)進(jìn)行靈活配置，是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最佳選擇。BL100無(wú)線通信模塊如圖5所示。

圖5 BL100無(wú)線通信模塊實(shí)物Fig.5 Physical diagram of BL100 wireless communication module

組式系統(tǒng)與BL100無(wú)線數(shù)傳模塊是通過UART串口進(jìn)行連接的，屬于半雙工主從通信制式，波特率為9 600 b/s。系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，主機(jī)會(huì)沿著BART串口對(duì)從機(jī)進(jìn)行逐一查詢，從而了解電場(chǎng)值的實(shí)際情況，判斷是否存在過限行為，若存在問題則立即報(bào)警，為后續(xù)的跟進(jìn)處理提供幫助。

1.1.7 PCB電路板設(shè)計(jì)

結(jié)束系統(tǒng)硬件電路原理設(shè)計(jì)后，便可開展PB電路板的設(shè)計(jì)工作。這是將原理變?yōu)閷?shí)物的一個(gè)重要過程，電路板設(shè)計(jì)是否合理，能夠直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)確保布局元器件的合理性，同時(shí)，兼顧電路板的抗干擾功能和電磁兼容功能，如此才能有效應(yīng)對(duì)特殊環(huán)境帶來的干擾。最終設(shè)計(jì)完成的PCB電路板如圖6所示。

圖6 PCB電路板Fig.6 PCB circuit board

1.2 組式系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

結(jié)束硬件電路設(shè)計(jì)后，對(duì)組式系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 主程序軟件設(shè)計(jì)流程

從機(jī)工作步驟如下：首先，使系統(tǒng)進(jìn)入延時(shí)開機(jī)狀態(tài)，使之初始化階段，而后不斷完成每個(gè)電路模板的自檢工作；其次，結(jié)束自檢作業(yè)后，利用控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC0)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；最后，結(jié)束轉(zhuǎn)換作業(yè)后，利用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在利用LCD液晶展示處理后得到的電場(chǎng)值同時(shí)，將其傳輸至主機(jī)當(dāng)中，假如發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)出現(xiàn)過限問題，那么從機(jī)便會(huì)馬上發(fā)出警報(bào)，并將該問題上傳至主機(jī)。從機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 從機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程Fig.7 Slave master programming flow

主機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收工作，對(duì)從機(jī)傳輸?shù)碾妶?chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重監(jiān)控，具體工作步驟如下：①使系統(tǒng)進(jìn)入延時(shí)開機(jī)狀態(tài)，并初始化；②將查詢從機(jī)地址信號(hào)傳遞到從機(jī)當(dāng)中，由從機(jī)進(jìn)行應(yīng)答；③當(dāng)?shù)刂泛瞬闊o(wú)誤后，主機(jī)展示從機(jī)的電場(chǎng)值，反之則命令從機(jī)再次發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行二次核對(duì)，當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)存在過限問題時(shí)，則會(huì)立刻報(bào)警。主機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 主機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程Fig.8 Host main program design process

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)

為能夠進(jìn)行合理的A/D轉(zhuǎn)換，此處對(duì)ADC0進(jìn)行了合理配置，即利用控制寄存器(ADC0CN)中的AD0BUSY對(duì)ADC0進(jìn)行干預(yù)，實(shí)現(xiàn)ADC0的A/D轉(zhuǎn)換，在結(jié)束一個(gè)周期的采樣后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體轉(zhuǎn)換流程如圖9所示。

圖9 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程Fig.9 A/D conversion program design flow

1.2.3 液晶顯示程序的設(shè)計(jì)

結(jié)束從機(jī)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換程序軟件設(shè)計(jì)后，便能對(duì)用于展示電場(chǎng)強(qiáng)度值的LCD液晶顯示程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。即LCD液晶顯示程序設(shè)定依照高低順序一次顯示6位數(shù)值，同時(shí)所選定的電壓等級(jí)及其安全距離均可在屏幕中顯現(xiàn)出來。此外，若未出現(xiàn)新的電場(chǎng)強(qiáng)度值時(shí)，屏幕中的數(shù)值不會(huì)發(fā)生變動(dòng)，反之則會(huì)更新。LCD液晶顯示程序軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 LCD液晶顯示程序設(shè)計(jì)流程Fig.10 LCD display program design flow

1.2.4 通信程序設(shè)計(jì)

在組式系統(tǒng)中，通信程序軟件主要負(fù)責(zé)從機(jī)與主機(jī)間信息間的互通。UART串行口中斷程序是通信程序中的主要組成部分，從機(jī)啟動(dòng)后，便會(huì)立即進(jìn)行偵聽作業(yè)，若接收到主機(jī)尋址信息后，便會(huì)中斷程序。通信程序軟件具體設(shè)計(jì)流程如圖11所示。

圖11 通信程序設(shè)計(jì)流程Fig.11 Communication program design flow

1.2.5 電場(chǎng)過限報(bào)警程序設(shè)計(jì)

電壓等級(jí)不同，組式系統(tǒng)從機(jī)報(bào)警值則會(huì)不同。若對(duì)輸電線路進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)置的電場(chǎng)強(qiáng)度限值高于實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，那么則可認(rèn)為作業(yè)人員進(jìn)行帶電作業(yè)是安全的，此時(shí)的蜂鳴器無(wú)作為。反之，蜂蜜器則會(huì)發(fā)聲報(bào)警，起到提醒作用，避免作業(yè)人員觸電問題的發(fā)生。主機(jī)報(bào)警與否的關(guān)鍵在于從機(jī)電場(chǎng)數(shù)據(jù)是否超出了設(shè)定的場(chǎng)強(qiáng)限值。電場(chǎng)過限報(bào)警流程如圖12所示。

圖12 電場(chǎng)過閑報(bào)警程序設(shè)計(jì)流程Fig.12 Program design flow of electric field idle alarm

2 組式系統(tǒng)電場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

對(duì)加裝在智能巡檢機(jī)器人上的組式高壓電場(chǎng)測(cè)量安全距離報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了電場(chǎng)測(cè)量性能實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證了其測(cè)量的效果[10-11]。此處通過理論推導(dǎo)的方式對(duì)變電站中的單相輸電導(dǎo)線空間電場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，如圖13所示。其中，H、τ為導(dǎo)線到地面的距離及其附帶的電荷，E為測(cè)點(diǎn)P(x，y)處的空間電場(chǎng)，同時(shí)以地面作為零電位的參考面[12-13]。

圖13 單相導(dǎo)線空間電場(chǎng)的示意Fig.13 A schematic diagram of space electric field of a single-phase conductor

此時(shí)令導(dǎo)線的半徑、長(zhǎng)度分別為r、L，空氣中的介電常數(shù)和導(dǎo)線對(duì)地電位分別為ε0、U，那么電荷量τ和電容C的表達(dá)式分別可由式(3)和式(4)所示。

τ=CU

(3)

(4)

在忽略外界因素的干擾下，令R代表導(dǎo)線軸心到半徑方向上P點(diǎn)的距離，且距離L遠(yuǎn)大于r時(shí)，那么P點(diǎn)的電荷量τ與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間聯(lián)系可由式(5)所示。

(5)

假設(shè)地面計(jì)算點(diǎn)與導(dǎo)線表面計(jì)算點(diǎn)間的電勢(shì)差為U相，即導(dǎo)線相電壓可由式(6)進(jìn)行表達(dá)，與此同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電荷量τ可由式(7)進(jìn)行表達(dá)。

(6)

(7)

經(jīng)過整理代入簡(jiǎn)化后，R的空間電場(chǎng)強(qiáng)度E可由式(8)進(jìn)行表達(dá)。

(8)

為了檢驗(yàn)組式系統(tǒng)對(duì)變電站電場(chǎng)單相輸電導(dǎo)線測(cè)量效果，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)。其中，導(dǎo)線對(duì)地的高度、長(zhǎng)度以及半徑分別為1 200、2 000、5 mm，借助升壓變壓器對(duì)導(dǎo)線的電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)[14-15]，此時(shí)便可將該系統(tǒng)測(cè)量出來的結(jié)果與常規(guī)測(cè)量器測(cè)量出來的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，如圖14所示。同時(shí)，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)給出了相應(yīng)的誤差曲線，如圖15所示。

圖14 實(shí)驗(yàn)室中2種測(cè)量?jī)x器測(cè)量的結(jié)果情況Fig.14 Results measured by two measuring instruments in the laboratory

圖15 相對(duì)誤差情況Fig.15 Relative error

從圖14和圖15可以看出，組式系統(tǒng)測(cè)量出來的結(jié)果與常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)量出來的結(jié)果大致相近，雖然存在一定的誤差，但是總體的擬合效果較好，存在較高的線性相關(guān)，由此表明組式系統(tǒng)測(cè)量具有較高的準(zhǔn)確性，能夠?qū)⒃撓到y(tǒng)加裝到智能巡檢機(jī)器人中使用。

3 實(shí)地電場(chǎng)測(cè)量

通過上一節(jié)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)組式系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了初步的檢驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境與變電站的實(shí)際環(huán)境是存在一定的差異性的。基于此，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)組式系統(tǒng)測(cè)量的精度，本文以X變電站為例，進(jìn)行了實(shí)地電場(chǎng)測(cè)量。當(dāng)天測(cè)量的氣溫為22 ℃、陰天多云、相對(duì)濕度為45%。測(cè)量點(diǎn)的選擇在兩鐵塔中間部位，并以第1個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為投影點(diǎn)縱向排開，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)間的間距為1.2 m，測(cè)量點(diǎn)設(shè)置的高度為1.6 m，以智能巡檢機(jī)器人作為載體，縱向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值變化。組式系統(tǒng)測(cè)量?jī)x器測(cè)量得到的結(jié)果與常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)量得到的結(jié)果如圖16所示，對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差曲線如圖17所示。

圖16 實(shí)地中2種測(cè)量?jī)x器測(cè)量的結(jié)果情況Fig.16 Results measured by two measuring instruments in the field

圖17 相對(duì)誤差情況Fig.17 Relative error

從圖16和圖17可以看出，具有組式系統(tǒng)的智能巡檢機(jī)器測(cè)量得到的結(jié)果與常規(guī)測(cè)量器儀器側(cè)出來的結(jié)果大致相同，同時(shí)對(duì)應(yīng)的誤差也保持在10%以內(nèi)，再次通過實(shí)地的測(cè)量證明了該組式系統(tǒng)的可行性。因此可通過具備該系統(tǒng)的智能巡檢機(jī)器人替代人為的測(cè)量工作，減少人力資源的損耗，抑制變電站對(duì)測(cè)量人員身體的干擾及危害。

4 組式系統(tǒng)報(bào)警和通信性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)的報(bào)警性能以及無(wú)線通信性能，再次進(jìn)行了實(shí)地實(shí)驗(yàn)，仍以X變電站為例，此次在該電站中設(shè)置了9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)為安全區(qū)的測(cè)試點(diǎn)，3號(hào)、6號(hào)、8號(hào)為報(bào)警區(qū)的測(cè)試點(diǎn)。為了降低實(shí)驗(yàn)的難度，設(shè)定報(bào)警電場(chǎng)值為4.6 kV/m，比仿真臨界電場(chǎng)值小。在智能巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)下，依次經(jīng)過每個(gè)測(cè)試點(diǎn)，得到的檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 各測(cè)試點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results at each test point

其中，“×”表示的是不會(huì)顯示報(bào)警情況，“√”表示的是會(huì)顯示報(bào)警情況，組式系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)量的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)該測(cè)試點(diǎn)做出相應(yīng)的提示，同時(shí)還會(huì)將測(cè)量的結(jié)果傳輸至終端，供測(cè)量人員預(yù)覽。當(dāng)智能巡檢機(jī)器到達(dá)并超出了報(bào)警區(qū)的安全范圍時(shí)，組式系統(tǒng)中的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至終端，為變電站工作人員除險(xiǎn)工作提供了便利，確保變電站的安全。可以看出，報(bào)警系統(tǒng)性能與通信性能都較為良好，能準(zhǔn)確地判斷測(cè)試點(diǎn)的狀態(tài)。

5 總結(jié)

本文首先對(duì)組式系統(tǒng)的硬件電路及其程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的電路圖和設(shè)計(jì)流程。接著，通過理論推導(dǎo)的方式對(duì)單相電空間電場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并在實(shí)驗(yàn)室中初步對(duì)組式系統(tǒng)測(cè)量的成效進(jìn)行了檢驗(yàn)，表明了測(cè)量結(jié)果能較好地?cái)M合常規(guī)測(cè)量?jī)x器測(cè)得到的結(jié)果，同時(shí)得出了相對(duì)誤差較小的觀點(diǎn)。其次，實(shí)際測(cè)量表明了該系統(tǒng)在測(cè)量工作中的可行性與準(zhǔn)確性。最后通過9個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)該系統(tǒng)的報(bào)警性能及通信性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，表明了該系統(tǒng)性能良好。因此，將該系統(tǒng)加裝在智能巡檢機(jī)器人上替代人為的測(cè)量巡檢工作，能夠有效地降低變電站中危險(xiǎn)區(qū)域?qū)θ梭w造成的傷害，同時(shí)也為智能巡檢機(jī)器賦予了巡檢多樣化的特點(diǎn)。