核電站交流配電調試機器人軟件系統設計與實現

鄭昕

摘要：核電站交流配電裝置的電氣試驗工作量繁重，試驗過程耗時較長，硬件儀器操作相對不便。目前，數據主要以紙質記錄和簡單的計算機電子版文件形式存儲，這導致在試驗過程中存在工作效率低下、試驗數據混亂和丟失等問題。為了實現調試、試驗、數據上傳和導出的一體化流程，提高交流配電裝置電氣試驗的效率，并避免裝置故障或人為失誤造成的潛在危險，文章設計并實現了核電站交流配電調試機器人軟件系統。該系統通過提供簡潔、雅觀且易于操作的圖形化界面，協助試驗人員進行中低壓交流配電裝置的電氣試驗，并實現對機器人的控制以及數據傳輸等功能。

關鍵詞：上位機軟件；用戶界面；串口通信；C#

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0057-03

1 緒論

當前，核電站配電裝置的電氣試驗存在以下問題：首先，配電裝置數量眾多，電氣試驗工作量大且煩瑣，導致試驗周期長，效率低下。其次，在試驗過程中，由于試驗人員對試驗方法、試驗設備、試驗規程、試驗接線等專業知識掌握不足，難以熟練地進行電氣試驗工作，進而延長了試驗時間，降低了工作效率[1]。電氣試驗產生的大量數據對于診斷設備運行工況、及時發現設備隱患，以及構建變電站大數據環境、推動智能化變電站的發展具有重要意義。然而，目前大部分電力企業仍采用傳統的紙質記錄方式或簡單的電子文件存儲試驗數據[2]，這容易導致數據丟失和混亂，無法進行自動分析等高級操作，難以充分利用龐大的試驗數據促進生產發展[3]。引入核電站交流配電調試機器人代替工作人員進行電氣試驗，不僅能提高工作效率，降低操作失誤的風險，還能有效保障人身安全。利用機器人簡化電氣試驗中復雜的操作步驟，可大幅提高工作效率，節省人力物力，對推動電力系統智能電網的發展具有重大意義，并能帶來顯著的經濟效益[4]。

2 軟件系統設計與實現

2.1 軟件系統的總體設計

軟件系統采用Unity開發界面，以提供直觀易用的操作體驗。由于軟件系統需要與多種硬件儀器進行串口通信，因此選用工控機軟件常用的編程語言C#來實現各模塊功能。軟件系統的整體框架如圖1所示。

2.2 軟件系統的各模塊設計與實現

2.2.1 登錄注冊模塊的設計與實現

登錄注冊模塊包含登錄、注冊及錯誤提示3部分功能。試驗人員在軟件登錄界面輸入用戶名和密碼后，軟件系統獲取文本框內容，并與數據庫中的信息進行匹配對比，以實現對試驗人員身份的認證。當試驗人員需要注冊時，需輸入用戶名和密碼，系統會校驗用戶名和密碼的格式。若用戶名長度超過20個字符或密碼長度不足8個字符，系統會提示試驗人員進行修改。該模塊對密碼進行了MD5加密處理，當試驗人員注冊時，軟件系統獲取密碼并通過MD5算法進行加密，將加密后的結果存儲到數據庫中。當試驗人員登錄時，軟件系統會首先對文本框內的密碼進行加密處理，然后與數據庫中存儲的加密密碼進行對比，以驗證身份。上述過程確保了系統的安全性和用戶隱私保護。

2.2.2 控制模塊的設計與實現

控制模塊負責對機器人進行功能控制。試驗人員首先選擇試驗對象，即配電裝置類型，包括10kV中壓柜、380V低壓柜和380V抽屜柜。當系統進入掃碼器攝像頭界面后，試驗人員可以選擇是否開啟掃碼器和攝像頭。若開啟掃碼器，試驗人員可掃描二維碼操作票，軟件系統解析二維碼內容，并根據已選擇的配電裝置類型自動向對應的機械手下發操作指令。若開啟攝像頭，攝像頭將識別配電裝置的二次儀表門狀態；軟件系統根據識別結果，并結合已選擇的配電裝置類型，自動向對應的機械手下發操作指令。此外，試驗人員也可以選擇跳過掃碼器攝像頭界面，直接在機械手界面選擇相應的機械手動作并下發指令。軟件系統向機械手下發指令后，第一套機械手將輔助試驗人員打開10kV中壓柜和380V低壓柜，而第二套機械手則輔助試驗人員打開380V抽屜柜。控制模塊的流程圖如圖2所示。

機器人所搭載的掃碼器為微光互聯TX200嵌入式掃碼器。軟件系統與掃碼器通過USB接口進行連接通信。掃碼器支持在PC端直接訪問開發，軟件系統調用廠家提供的32位和64位dll類型接口動態庫以實現相關功能。進入掃碼器攝像頭界面后，軟件系統會首先調用API函數獲取掃碼器單例，與掃碼器建立連接。當試驗人員選擇打開掃碼器時，軟件系統調用API函數下發指令打開掃碼器并等待掃碼。掃描操作票二維碼后，軟件系統解析出掃描結果，并根據操作票二維碼的結果向機械手下發相應的指令。操作票二維碼會先通過廠家提供的軟件進行設定。

機器人上搭載的攝像頭為海康威視工業相機，型號為600 萬網口MV-CA060-11GM/10GC，具備1/1.8 英寸CMOS傳感器。攝像頭能夠識別配電裝置二次儀表門的正確狀態，并向軟件系統發送識別結果。軟件系統根據這些識別結果向機械手下發相應的指令。

2.2.3 電氣試驗模塊的設計與實現

對于電氣試驗模塊，本文提出以下實現方案：在電氣試驗界面，試驗人員可以選擇試驗報告（共包含12種試驗報告模板）。試驗報告以類似Word文檔的形式展示給試驗人員，其中試驗日期和時間由軟件系統自動導入，而試驗名稱等其他基本信息則由試驗人員手動輸入。在電氣試驗界面，試驗人員還需選擇試驗儀器，軟件系統將與對應的試驗儀器進行串口通信，以獲取試驗數據。試驗人員只需點擊電氣試驗界面中試驗報告內的文本框，試驗數據便會按順序自動填入這些文本框內。

本模塊的難點在于如何將采用不同通信和數據傳輸方式的試驗儀器集成到軟件系統中，從而為試驗人員提供統一且簡化的操作體驗。例如，機器人上搭載的萬用表，其通信方式僅需安裝相應驅動即可打開串口，數據傳輸方式為萬用表在接收到軟件系統下發的指令后上傳數據包，由軟件系統解析即可；而機器人上搭載的絕緣電阻表，其通信方式則需要調用WindowsAPI來建立連接并進行數據的收發，數據傳輸方式則是軟件系統連接絕緣電阻表后，接收來自絕緣電阻表傳輸的單字節數據，軟件系統需要判斷數據的完整性并解析數據。此外，各試驗儀器所采用的通信協議也各不相同。本模塊的流程圖如圖3所示。

機器人上搭載的萬用表型號為VICTOR 98A+智能手持萬用表。軟件系統首先安裝相應的驅動程序，然后通過USB接口與萬用表建立連接。萬用表的數據傳輸方式是：試驗人員點擊萬用表上的保存按鈕，萬用表會存儲當前的試驗數據。當萬用表旋鈕調至MEM檔時，它即進入數據傳輸模式。此時，軟件系統根據通信協議下發指令，萬用表則上傳存儲的數據。進入電氣試驗界面后，軟件系統會首先獲取萬用表的API單例，與萬用表建立連接。當試驗人員選擇使用萬用表時，軟件系統首先調用API獲取試驗數據的數量，再逐條獲取具體數據，并將這些數據信息展示在軟件界面的提示框中。隨后，試驗人員點擊報告模板中的文本框，試驗數據便會按順序逐條自動填入。

機器人上搭載的絕緣電阻表型號為UT512絕緣電阻測試儀。軟件系統與絕緣電阻表通過USB接口連接，無須安裝額外的驅動程序。絕緣電阻表的通信方式較為特殊，需要根據PID、VID和波特率來打開設備。一旦設備被成功打開，絕緣電阻表即與軟件系統建立連接，并持續傳輸數據。

2.2.4 數據處理模塊的設計與實現

數據處理模塊主要包括試驗數據增刪改查、試驗報告導出以及試驗報告打印三部分功能。試驗數據選擇使用SQLite數據庫進行保存和管理。軟件系統為試驗人員提供了查詢、修改和刪除等操作功能，具體的操作流程如圖4 所示。由于Unity 本身不支持COM組件，因此無法直接操作Office Word文檔。在Unity中引入對應的COM組件或導入NPOI、DocX等類庫來讀寫Office Word文檔，往往會出現dll文件錯誤、版本沖突（如Unity為兼顧串口通信等其他功能，其.Net版本需要限定在特定版本）以及生成的文檔受損等問題，這些問題導致了運行效果的不穩定，不利于后續的優化改進工作。因此，本模塊設計了一個WinForm程序來實現試驗報告導出為Word文檔的功能。這個WinForm程序將被部署在軟件系統的文件夾下。當試驗人員點擊導出數據選項時，軟件系統將調用這個WinForm 程序，并傳遞相應的試驗數據。WinForm程序會根據模板路徑讀取模板Word文檔，將試驗數據填入Word文檔中，并提供選擇是否打印的選項。該WinForm 程序使用NPOI 庫來實現導出Word文檔的功能，并將生成的文檔存放在configuration.xml文件中配置的保存路徑下。試驗人員可以在配置文件中指定模板的路徑和文檔的存儲路徑。具體的操作流程如圖5所示。

2.3 軟件系統的數據庫設計

數據庫中包含所有380V低壓系統和10kV中壓系統試驗報告對應的數據庫表與用戶信息表，每張表即表中的表項都有對應的注釋，便于修改查詢等操作。

試驗報告共有12種：10kV中壓配電盤電氣初步檢查記錄單；10kV電壓互感器及斷路器間隔初步檢查記錄單；10kV電流互感器檢查記錄單1；10kV電流互感器檢查記錄單2；10kV斷路器/接觸器檢查記錄單；10kV充電前絕緣數據記錄表；10kV充電后二次側電壓數據；核島380VAC應急交流配電系統初步試驗檢查記錄單；380V饋線回路外觀和機械檢查記錄單；380V饋線回路保護定值設置記錄單；380V充電前絕緣數據記錄表；380V充電后電壓測量數據。

表1至表2為用戶表和部分試驗報告的數據庫表結構展示。

3 結束語

本文以核電站交流配電裝置的電氣試驗的具體需求為依據，對軟件系統進行了模塊化設計。之后，按照模塊順序依次編程實現了軟件系統，并進行了測試。經過測試，本文實現的軟件系統表現穩定、性能良好，滿足了核電站交流配電裝置的電氣試驗的工作需求，實現了試驗人員登錄注冊、機器人控制、電氣試驗等功能的目標，降低了試驗人員的工作強度，提高了電氣試驗的作業效率，并且保證了試驗人員的安全。隨著智能電網發展的不斷深化，電力系統對工業機器人，尤其是計算機軟件技術、智能控制技術的需求將會越來越多樣化。

參考文獻：

[1] 涂利. 昆明鐵路局昆明供電段試驗數據處理分析系統的設計與實現[D]. 昆明：云南大學，2013.

[2] 吳應寧. 淺析目前我國高壓電氣試驗存在的問題及解決對策[J]. 中國科技博覽，2011（26）：65-65.

[3] 林峰. 電氣試驗管理系統的開發與初步實施[J]. 內蒙古電力技術，2001，19（2）：23-24.

[4] 黃倩. 人工智能在電氣自動化控制中的應用[J]. 石河子科技，2022（2）：20-21.

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