變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術

摘 要：針對聯動控制能力較差，導致電纜磨損次數較多、電纜敷設成本較高的問題，提出新型變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術。根據空間曼哈頓距離算法，構建電纜敷設基礎模型，設計敷設調速與轉矩檢測方法，完成單一設備控制。根據電纜敷設機械化設備聯動控制原理，構建PID聯動控制器，進行機械化設備聯動控制。實驗結果表明：該技術可進一步降低電纜磨損次數，較早到達固定位置，保證初始端設備與末尾端設備速度一致，具有較為明顯聯動速度的控制能力。

關鍵詞：變電站二次控制電纜；電纜敷設；聯動控制；機械化設備；空間曼哈頓距離；質量控制

中圖分類號：TM757文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0269-06

Linkage Control Technology of Mechanized Device for Secondary Control Cable Laying in Substation

Abstract：In view of the poor linkage control ability leading to more cable abrasion times and higher cable laying cost， a new linkage control technology of substation secondary control cable laying mechanization device is proposed. According to the space Manhattan distance algorithm， the basic model of cable laying is constructed， and the laying speed regulation and torque detection methods are designed to complete the control of a single device. Based on the linkage control principle of the mechanized device for cable laying， a PID linkage controller is constructed to carry out the linkage control of the mechanized device. The experimental results show that the proposed technology can further reduce the number of cable wear， reach fixed position earlier， ensure the consistency of the speed of the initial end equipment with that of the end equipment， and has obvious linkage speed control ability.

Keywords：substation secondary control cable; cable laying; linkage control; mechanized device; space Manhattan distance; quality control

0 引言

變電站所使用的二次控制電纜主要由通信電纜、控制電纜以及電力電纜組成［1-2］。二次控制電纜在敷設過程中，需要將控制電纜線放置在傳送盤上方，通過人工牽引的方式進行敷設安裝。這種敷設方式，為現場施工造成了諸多不便，且現有的敷設工藝需要大量的人力、物力。由于變電站二次控制電纜敷設過程中需要使用大量的工作人員，變電站工況日益復雜，如果不在敷設過程中使用輔助工具，僅靠人力牽引，極易造成電纜破損，提高電纜敷設成本［3］。

針對上述問題，變電站二次控制電纜敷設機械化設備應運而生，主要應用于變電站二次控制電纜敷設工作中，如考慮設備相關性的智能變電站二次系統可靠性分析方法［4］和接地銅排對變電站二次電纜防護效果研究［5］，實現電纜自動送線與牽引，但是極易出現電纜過度松弛或過度緊繃的問題。

為了更好地控制電纜敷設機械化設備，本文提出了變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術。希望通過此技術，控制機械化設備工作過程，提升此設備的應用效果，為電纜敷設工藝的發展提供新的輔助設備。

1 構建電纜敷設基礎模型

電纜敷設時，將終點自動牽引設備的牽引繩穿過全部機械式敷設防護設備后與控制電纜、起點自動牽引設備的牽引繩進行連接固定（通過電纜網套或查新設計新的緊固結構），傳輸履帶1直至終點的牽引頭自動回到起點與傳輸履帶2控制電纜進行連接，以此反復。電纜敷設機械化設備工作結構如圖1所示。

圖1中，電纜敷設機械化設備由緊固推桿、傳輸履帶設備1、傳輸履帶設備2、動力總成、緊固支架、控制箱組成，傳輸履帶設備1、傳輸履帶設備2于自動送線設備的中間部位。當需要更換控制電纜型號時，通過緊固推桿調節傳輸履帶設備1的高度，根據不同的線徑調節至不同的高度，使傳輸履帶設備1與傳輸履帶設備2達到最理想距離。電力施工人員通過設備背后的智能控制器就可以操控該模塊進行送線工作，同時自動送線設備的送線速度與終點自動牽引設備的牽引速度是同步的。動力反饋系統將檢測到的情況反饋至主控單元，隨后主控單元將控制動力系統提高傳送量，完成電纜敷設機械化設備聯動。

但在進行控制電纜牽引時容易因為慣性牽引導致電纜傳送盤繼續旋轉傳送，進而容易發生控制電纜散出線盤之外發生纏繞、拉扯的現象，為現場施工帶來很多不便。

為了更好地完成電纜敷設機械化設備聯動控制，引入空間曼哈頓距離算法，構建電纜敷設基礎模型，為后續的操作提供基礎。

電纜敷設的過程中，將多種類型的機械式敷設防護設備安裝在所需的位置，將終點電纜自動牽引設備的牽引繩穿過全部機械式敷設防護設備后與控制電纜前端以及起點電纜自動牽引設備牽引繩進行固定。當完成第一段控制電纜敷設后，對起點自動牽引設備與終點自動牽引設備進行反轉，通過整套變電站二次控制電纜敷設機械化設備完成自動化敷設，獲取兩個關鍵點之間的距離，確認每個維度差的絕對值。此時，固定點、起點、重點皆為控制關鍵點，設變電站空間平面中給定關鍵點位置集合Q=（a1，a2，a3，a4），若要獲取此集合中的最短距離，需要在其中增設輔助節點集合G={x，y}，并將圖形整合為有帶權無向圖S（W，E，C），其中W表示圖的頂點集;E表示圖的邊集；C表示邊的權值，可寫作C=［cij］n×n，此權值取值范圍設定為無窮大。此次研究中，對每個節點增加一個度約束量［6］，將其設定為vi。與此同時，對無向圖中的變量展開設定：

式中：sij=1表示經過的路徑（i，j）；sij=0表示沒有經過的路徑。根據上述設定，得到電纜敷設空間曼哈頓距離模型：

獲得電纜敷設基礎模型，如圖2所示。

基于空間曼哈頓距離參數，電纜通道中需要連接的設備點個數可設定為Q′，通道中的拐點與通道節點組成對應的集合為F，假設某一電纜節點為Q′中的元素，其約束度為v=1，則此點的約束條件可表示為

電纜敷設裝置與各個被控制設備是包含關系，且被控制對象不是唯一的，而是共同作用的結果。為了保證計算參數是唯一的，使用約束度構建目標變電站電纜敷設基礎模型，對變電站電纜敷設情況進行分析。

2 設計敷設調速與轉矩檢測方法

根據電纜敷設基礎模型構建結果，對目標變電站進行分析。初步分析完成后，對敷設過程中敷設路線對機械化設備的速度限制展開計算：

A=Ar+Ad+Ai（5）

式中：Ar表示機械化設備工作負載；Ad表示敷設過程中的摩擦負載；Ai表示慣性負載。外部負載會對機械化設備的運動速度造成影響，需要對其進行及時調整。在確定機械化設備運行速度后，對裝置運行過程中的轉矩展開檢測，以此控制裝置的運動狀態。本次研究中使用諧振器［9］完成此部分研究，諧振頻率采用s表示，則有

式中：v表示測試聲波的傳輸速度；b表示測量設備與機械化設備之間的間距。

為了實現高質量的控制過程，在此次研究的過程中，對機械化設備表面材料對轉矩檢測結果的影響展開計算，則有

式中：z表示機械化設備的材料常數；ρ表示機械化設備表面材料密度。

為了避免轉矩輸出造成鋼絲繩、電纜線、控制線的損壞，進行轉矩檢測。根據上述兩公式，預設一個最大電流值，在自動牽引設備進行工作時，以STM32F407ZGT6為主控芯片的控制結構會實時對自動牽引設備的馬力電機進行檢測，得到機械化設備轉矩檢測公式：

式中s0表示轉矩檢測過程中的初始諧振頻率。以此，將電機轉矩數據對應的電流數據進行采集，當電流超過預設的閾值，自動牽引設備定義為危險情況，將停止運行并且發出警報提示電力人員。對機械化設備的運行狀態進行檢測與調整，將其作為聯動控制技術中的關鍵環節。

3 實現電纜敷設機械化設備聯動控制

在實際變電站二次控制電纜敷設過程中，單一的機械化設備是無法獨立完成敷設工作的。需要多臺機械化設備同期工作才能順利完成敷設任務。通過多個案例以及文獻分析后，將電纜敷設機械化設備聯動控制結構，如圖3所示。

圖3中，自動送線設備進行自動放線、起點的自動牽引設備進行脫機放線、終點的自動牽引設備進行自動收線，由于自動牽引設備的直徑會不斷發生變化，所以會出現控制電纜被過度繃緊或者過度松弛的情況。為了避免這類危險情況的發生，設計了自動調速功能。當控制電纜被過度繃緊時，自動牽引設備電機的電流會逐漸上升，自動牽引設備中的控制芯片通過自檢發現電流出現線性增長，會對自動牽引設備的轉速做出調整，適當減慢自動牽引設備電機的轉速。

對牽引電機、傳輸履帶設備、卷線（鋼絲）盤、減速機構、控制箱的聯動動力學參數進行設定。將聯動控制過程的開環傳遞函數設定如下［10-11］：

式中：w0表示單一設備初始運行狀態；Emax表示設備運行最大效率；Hs表示設備可承受電纜質量；Xmax表示電纜最高敷設效率；Hi表示電纜敷設節點序號；δ表示設備運行角速度；ML表示各個敷設節點增加的角速度；z表示傳遞系數。根據此公式，得到各個設備在工作情況下的力矩平衡方程［12］：

式中：T表示機械化設備負載轉矩；S′表示機械化設備的總轉動慣性；Ti表示目標設備連接的下一個設備輸出轉矩；V′表示機械化設備排量；κ表示機械化設備的角速度；Ei表示負載黏性阻尼系數。根據實際工況，將各個設備的負載轉矩設定為正實數，對式（10）與式（11）進行求解，則有：

將式（8）計算結果代入式（12），得到設備工作過程中的力矩極值，根據此極值控制各設備的轉速與力矩，獲得優化后的動力學參數，形成聯動控制后的動力學模型。與此同時，根據上述設定結果，構建PID聯動控制器，控制器的控制規律為

式中：q（t）=x（t）－y（t），x（t）表示期望控制值，y（t）表示實際輸出控制值；g′（t）表示控制器輸出控制量；q（t）表示控制器輸出的偏差控制值；Kj表示控制器控制系數。為了更好地實現聯動控制，聯動控制函數為

至此，變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術設計完成，實現設備間的聯動工作，避免對控制電力出現過度拉扯的現象。

4 實驗分析

此次研究中提出了一種變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術，現驗證該方法的應用性能是否符合當前工作需求。

4.1 實驗準備

對市面上的變電站二次控制電纜敷設機械化設備進行分析后，將目標機械化設備設定為以下結構，并將其作為此次實驗的基礎，如圖4所示。

圖4中，在確定實驗目標裝備后，對實驗環境展開設定。由于真實的變電站環境較為復雜，如實驗過程中出現異常將對變電站造成不可逆轉的損失。為此，在此次研究中搭建實驗平臺完成實驗分析過程，實驗敷設路徑如圖5所示。

按照圖5中內容，安裝電纜敷設機械化設備。而后，在機械化設備上安裝廢棄電纜，模擬電纜敷設過程。

4.2 聯動控制效果分析

基于圖4—圖5，此次實驗中安裝了5臺設備，為證實文中方法具有較高的聯動控制能力，對裝置點1 與裝置點5的運行速度進行實驗對比分析。在實驗前，預先設定機械化設備的運行速度并繪制出其波形作為實驗中的對比組。在實驗過程中采集裝置點1與裝置點5的運行速度數值并繪制出其波動與預設速度進行對比，確定文中方法對裝置運行速度的控制能力。為增加實驗對比性，選擇基礎聯動控制方法與單一設備控制方法和文中方法進行對比，所得結果如圖6所示。

基于圖6，文中方法的聯動控制能力明顯優于其他方法。根據以往案例分析結果發現，在以往的電纜敷設過程中，初始端設備與末尾端設備采用相同的速度與控制技術但兩者之間還存在一定的差異，而文中方法可很好地解決此問題，保證初始端設備與末尾端設備速度一致，避免電纜敷設過緊或過于松弛。

4.3 成本分析

完成200m的電纜敷設工作，基礎敷設工作成本為3 000元，假設每次磨損增加100元，設備運行時間成本每分鐘50元，使用文中方法以及選中的實驗方法完成電纜敷設過程，不同方法的基本對比結果如表1所示。

在表1中，實驗方法以人力為主、勞動強度大、方法單一，需耗費大量人力和時間，施工成本高，效率偏低，而本文方法具有智能反饋功能、聯動控制功能，能夠實現設備間的聯動工作。

在電纜敷設過程中，容易造成電纜在拐彎處以及上下進線、出線處被橋架等尖銳部位刮傷或磨損造成供電影響，減少使用壽命等。由此，統計設備運行時間以及電纜磨損次數，具體數據如表2所示。

基于表2，得到機械化設備聯動控制成本具體數據如下。

文中方法：

M1=3 000+2×100+15×50=3 750（16）

基礎方法：

M2=3 000+12×100+20×50=5 200（17）

單一設備控制方法：

M3=3 000+17×100+30×50=6 200（18）

基于上述過程，文中方法分析了機械化設備的角速度與負載轉矩之后，保證控制過程的同時性與序列性，控制能力相對較好，實現全方位輔助線纜穿透，可進一步降低電纜磨損次數，解決電纜敷設成本與開銷，提升電纜敷設的經濟性。將此實驗結果與機械化設備聯動速度的控制效果實驗結果融合分析可以看出，具有明顯的優越性。

5 結語

整合當前變電站二次控制電纜敷設機械化設備聯動控制技術后，采集裝置點1與裝置點5的運行速度數值，可進一步降低電纜磨損次數，較早到達固定位置，保證初始端設備與末尾端設備速度一致，完成新型聯動控制技術優化。

參考文獻：

［1］ 楊愛晟，馮霆，王中杰，等. 變電站低壓電纜絕緣層老化特征及老化模型［J］. 工程塑料應用，2022，50（5）：126-131.

［2］ 嚴有祥，朱婷，張那明，等. 交直流電纜共溝敷設電磁環境影響因素［J］. 電工技術學報，2022，37（6）：1329-1337.

［3］ 陳文教，鄭志豪，徐研，等. 基于高導熱管道提升排管敷設下的電力電纜載流量的研究［J］. 絕緣材料，2022，55（2）：97-103.

［4］ 唐志軍，李澤科，陳建洪，等. 考慮設備相關性的智能變電站二次系統可靠性分析［J］. 福州大學學報（自然科學版），2021，49（6）：782-789.

［5］ 劉倩，曹雯，苗浩銘，等. 接地銅排對變電站二次電纜防護效果研究［J］. 電網與清潔能源，2021，37（7）：58-64.

［6］ 李文昊，蒲瑤，張立新，等. 小型戰術導彈彈上電纜網敷設設計［J］. 彈箭與制導學報，2021，41（3）：53-56.

［7］ 劉剛，許志鋒，王鵬宇，等. 基于磁熱流多場耦合的雙溝四回路電纜溫度場分布與載流量計算［J］. 華南理工大學學報（自然科學版），2020，48（12）：10-17.

［8］ 簡學之，劉子俊，文明浩，等. AR增強現實技術在變電站二次設備運檢中的應用［J］. 電力系統保護與控制，2020，48（15）：170-176.

［9］ 郝曉光，耿少博，任江波，等. 智能變電站二次電纜回路建模方法研究與應用［J］. 電力科學與技術學報，2020，35（4）：161-168.

［10］ 張重遠，芮皓然，劉賀晨，等. 高壓單芯電纜金屬護套感應電壓仿真計算及最大允許敷設長度研究［J］. 高壓電器，2020，56（5）：143-148.

［11］ 王同文，劉宏君，邵慶祝，等. 智能變電站二次回路智能預警及故障診斷技術研究術［J］. 電測與儀表，2020，57（8）：9-63，98.

［12］ 馮躍，吳躍康，任杰，等. 基于無線同步技術的數字化變電站二次系統新型測試方法［J］. 中國測試，2020，46（1）：117-123.