變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置研究與應用

袁季方，陳蘇芳，王林發，楊丕瀠，廖志華，林 榕

（國網福建省電力有限公司龍巖供電公司，福建 龍巖 364000）

開關分合閘操作是電力運維人員的基礎工作，遠方遙控操作開關是避免開關爆炸傷人的有效措施，但由于受成本限制，在當前電力開關設備未普遍具備遠方遙控操作功能的形勢下，本文研制一種變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置，可以遠程操作開關，避免運行人員就地操作時因開關爆炸造成的傷人事故。

1 變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置原理和結構

操作按鈕就地遙控分合裝置結構圖如圖1 所示。裝置主要有2 部分組成：機械手執行部分和機器視覺部分。機械手及其控制部分包括核心控制器、機械手、控制開關、無線通信，其作用為正逆運動學控制和分析，利用無線通信控制電機操作開關機構，達到分合開關的目的。機器視覺部分，作用是將機器視覺識別到的開關中心點坐標傳送到機械手操作系統中，轉換成機械手的坐標，驅動電機將機械手精準對準開關柜操作機構。

圖1 變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置結構框架

1.1 核心控制器

選擇STC89C51 單片機作為操作按鈕就地遙控分合裝置的核心控制器，根據項目須求設計了對應的STC89C51 單片機驅動直流電機的原理圖如圖2所示。

圖2 電動操作按鈕就地遙控分合裝置控制器原理圖

該原理圖中電位器RV1 采集電壓信號；用轉換器ADC0808 對輸入電壓信號進行數模轉換，轉換成單片機可以識別的數字信號；用總線將ADC0808的OUT8～OUT1 口與單片機STC89C51 的P1 口相連接，實現數字信號的傳送，硬件電路中用P1 口作為通用IO 準雙向動態端口，輸入控制指令（延時常數）。用P3.7 口作為輸出控制信號（輸出脈沖），控制OP07 的3 端的信號輸入。用RV1 采集電壓信息，IN0 作為電壓模擬信號輸入。OUT8 為最低位，OUT1 為最高位，OUT 端口作為數字信號的輸出，將OUT8～OUT1 分別接到單片機的P1.0～P1.7。電路為12 MHz 晶振頻率工作。

1.2 機械手

機械手使選用AI 視覺識別4 代機械手臂，它具有五自由度，能夠接受控制器的指令完成開關的控制任務。圖3 為機械手組成結構和功能介紹，該機械手由底部基座、5 個數字舵機、手腕、小臂、大臂和金屬爪子組成。

圖3 就地遙控分合裝置機械手

1.2.1 舵機和舵機支架

舵機可以精準地控制舵盤的轉動角度，因此采用舵機作為機械驅動裝置。舵機內部由電機、控制電路板、齒輪組、電位器4 部分組成。當控制脈沖信號傳送到舵機的控制電路后，開始控制電機轉動，電機通過變速齒輪組帶動輸出軸轉動，輸出軸轉動的同時帶動可調電位器轉動。控制電路板檢測到電位器轉動后，會判斷電位器是否轉動到了指定角度，如果轉動到了指定角度就讓電機停止轉動，否則將繼續轉動。

舵機支架采用6061 鋁合金，具備良好的耐腐蝕性，韌性高，且加工成型后不易變形。表面經過烤漆處理，廣泛應用于汽車、地鐵等交通運輸工具，還被應用于制作飛機蒙皮、飛機機身框架、火箭鍛環、宇宙飛船壁板等航空航天設備中。

1.2.2 電源

對需要的鋰電池容量進行計算。鋰電池容量的計算公式為：

C鋰電池的容量=I放電電流×T放電時間

計算該容量時須要考慮2 點要求，一是保證電機輸出扭矩達到50 N·m；二是能夠持續驅動電機50 min。為達到輸出扭矩的要求，所選無刷直流電機產品的額定電壓和額定功率分別為36 V 及360 W，可知：

I額定=P額定/U額定=360/36=10 A

計算驅動時長時須要考慮蓄電池的放電特性。由于放電過程是非線性的，放電后期電池的存儲容量越少，放電就越快，因此實際有效時間比理論時間要短。根據經驗，選取裕量系數為0.75，得到的驅動時長T為1.12 h。所以，鋰電池容量C=I×T=11.2 A·h=11 200 mA·h。

1.3 控制開關

控制開關的作用為控制電機的正轉、反轉和停止的元器件，綜合考慮開關的環境溫度、接觸電阻、絕緣電阻、壽命、操作力以及耐壓水平等因素，船形開關的使用壽命為15 000 次，性能滿足要求，因此選用船形開關。

1.4 無線通信

變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置機械手須要考慮電機正轉、反轉、停止等控制信號的傳輸方式。點對點通信的通信速率為100～16 Mbit/s，且無需路由器等中間設備，所以選用點對點通信方式。射頻識別通信距離為9～10 m，在通信速率滿足要求的前提下，該方式具有通信安全性高及生產成本低等優勢，因此采用射頻識別進行無線控制，根據要求設計的射頻識別無線控制電路圖如圖4所示。

圖4 射頻識別無線控制電路圖

1.5 攝像頭

機器視覺部分是操作按鈕就地遙控分合裝置控制開關的首要步驟，它的工作任務就是在機械手操縱開關之前利用攝像頭對當前開關進行拍攝，然后對拍攝到的圖像進行顏色空間轉換、濾波等處理，使圖像更加平滑、干凈，并提取所需的開關中心點信息，通過OpenCV 工作空間轉換相應坐標信息發送給機械手控制器進行開關操縱。

2 應用效果

2.1 有效性驗證

本文選取3 種品牌環網柜、2 種品牌KYN28 柜，利用就地遙控分合裝置分合開關以驗證有效性，每個品牌分合50 次，試驗數據如表1 所示。為檢查開關分合閘是否到位，每次操作完畢后，均人工檢查，檢查發現，開關均分合閘到位。

表1 不同品牌變配電開關柜操作試驗

試驗過程中發現：操作桿具備旋轉功能良好，調整角度達到0～180°；可以用無線控制電機帶動開關操作機構，扭矩達到了70 N·m，適合所有類型的變配電開關柜。

2.2 遙控距離驗證

機器人采用射頻識別通信，理論上通信距離為9～10 m。選取1～15 m 不同的距離下，每種距離對泰開KYN28 無線遙控操作20 次，測試操作成功率，如表2 所示。可以看出，實際操作時，遙控距離8 m 可以完全確保操作人員安全，具有很好的安全性。

表2 不同通信距離下無線遙控操作成功率 %

3 結束語

本文研究了一種變配電開關柜電動操作按鈕就地遙控分合裝置，具有3 個特點：代替人工，使用機械遠程操作開關，避免了人員柜前操作的危險性；適用范圍廣，適合多種品牌的開關柜；遙控距離遠，距離8 m 即可操作開關，確保遠程操作人員的安全。試驗驗證了該機器人的安全性和有效性，具備良好的應用前景和推廣價值。