變電站絕緣子憎水性試驗裝置控制系統(tǒng)的研制

楊 磊

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000)

變電站絕緣子憎水性試驗裝置是1種按照噴水分級法試驗規(guī)范完成噴霧、拍照操作的試驗儀器，用于測試變電站停電設備的復合絕緣子表面憎水性能和采集憎水性試驗結(jié)果。通常，試驗裝置的控制系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)等組成[1]。

對于裝置控制系統(tǒng)，文獻[2]提出將液壓升降機構(gòu)置于絕緣瓷瓶內(nèi)并支撐安裝有攝像頭、噴頭的絕緣箱上下移動，由平板電腦統(tǒng)一操縱系統(tǒng)進行噴霧、拍照和升降；文獻[3]采用便攜電動噴水系統(tǒng)與數(shù)碼相機配合使用，系統(tǒng)組成過于簡單；文獻[4]設計了1種采用STM32系列單片機作為主控系統(tǒng)的無線自動噴水裝置，可對不同類型和狀態(tài)的復合絕緣子采用不同噴霧頻率和次數(shù)進行試驗；文獻[5-6]提出的系統(tǒng)設計方案較為成熟，遙控器采用2.4 GHz無線通訊與噴霧系統(tǒng)連接控制噴霧，通過建立Wi-Fi熱點與計算機通信，由分析軟件控制圖像采集系統(tǒng)拍照；文獻[7-9]將試驗裝置的控制系統(tǒng)與多旋翼無人機飛控系統(tǒng)融合，以計算機為控制終端，一方面通過無線通訊轉(zhuǎn)換器發(fā)射433 MHz或2.4 GHz信號控制自動噴霧系統(tǒng)，另一方面借助無人機圖傳系統(tǒng)拍攝試驗圖片。

為解決裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散、控制不靈敏、系統(tǒng)供電不穩(wěn)定等問題，設計了1種控制靈敏、功能完善、系統(tǒng)擴展性強，具有良好人機交互性能的控制系統(tǒng)，進一步提高試驗裝置的實用性和可靠性。

1 問題的提出

某型號變電站絕緣子憎水性試驗裝置的控制系統(tǒng)主要由遙控電動噴霧系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

其工作原理為無線遙控器啟動遙控電動噴霧系統(tǒng)實施25次定時噴霧，手機App控制圖像采集系統(tǒng)(微型攝像頭)拍照獲取試驗圖片。使用中存在的問題如下：

(1)系統(tǒng)接收噴霧命令不靈敏。無線遙控器采用433 MHz電磁波與遙控電動噴霧系統(tǒng)的定時繼電器通信從而啟動水泵，天線置于金屬外殼內(nèi)造成信號接收不靈敏。

圖1 變電站絕緣子憎水性試驗裝置

(2)遙控電動噴霧系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)相互獨立。因APP軟件功能限制，兩系統(tǒng)通信方式不同，二者無法在同一終端控制。

(3)系統(tǒng)控制方式單一。遙控電動噴霧系統(tǒng)以定時繼電器等模塊組成，啟動后自動完成噴霧操作，執(zhí)行過程不能中斷；另外，噴霧與拍照操作也不能連續(xù)自動控制。

(4)系統(tǒng)電路供電不穩(wěn)定，執(zhí)行不準確。鋰電池組電池容量及負載能力能達到試驗要求，但在水泵啟停過程中，部分電路電源指示燈忽明忽暗；在水泵持續(xù)運行時，繼電器觸點多次出現(xiàn)無法可靠吸合的現(xiàn)象，導致噴霧過程時斷時續(xù)。

因此，在系統(tǒng)架構(gòu)、電源電路、無線通訊和控制方式等方面需要進一步優(yōu)化設計。

2 控制系統(tǒng)的研制

新研制的控制系統(tǒng)架構(gòu)分為上位機和下位機2部分，如圖2所示。主控系統(tǒng)核心采用KEA128系列處理器，使用C語言編輯主控程序；無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用Wi-Fi通信方式實現(xiàn)視頻傳輸與操作指令下達；執(zhí)行系統(tǒng)由噴霧系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，實現(xiàn)噴霧、拍照、攝像頭和噴頭角度調(diào)節(jié)以及儲水箱注水功能；供電系統(tǒng)由12 V鋰電池組和5 V電源穩(wěn)壓電路組成；遙控終端以Android操作系統(tǒng)的手機為載體，通過App實現(xiàn)噴霧、拍照、角度調(diào)節(jié)等控制以及存儲試驗圖像。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 硬件電路設計

包含主控電路、驅(qū)動電路、圖像采集電路、Wi-Fi模塊電路、穩(wěn)壓電源等部分，如圖3所示。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1.1 主控電路

主控電路是控制外圍電路及各類執(zhí)行機構(gòu)的中樞，需要快速處理大量數(shù)據(jù)如遙控指令、發(fā)生PWM信號、傳輸視頻等才能準確控制子系統(tǒng)。設計采用KEA128系列微處理器，此處理器具備各種硬件資源如PWM發(fā)生器、多路定時器、串口等，能使舵機、水泵、攝像頭等驅(qū)動程序穩(wěn)定運行，迅速響應指令，保證控制系統(tǒng)能實時、可靠地工作。

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)承擔手機與試驗裝置之間的數(shù)據(jù)交互包括圖像、拍照及攝像頭和噴頭角度控制指令。通常，試驗裝置安裝于絕緣桿頂端，與手機的距離保持在3 m以內(nèi)，通訊距離近，數(shù)據(jù)傳輸量大，特別是圖像傳輸質(zhì)量要求高，選擇Wi-Fi通信技術(shù)可滿足控制系統(tǒng)的需求，采用ESP8266芯片構(gòu)成Wi-Fi傳輸模塊電路。

2.1.2 驅(qū)動電路

試驗裝置的噴霧、拍攝、噴頭和攝像頭角度調(diào)整功能全部由執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)。為了在試驗中便于調(diào)整垂直方向噴霧、拍攝角度，將攝像頭和噴頭分別固定在1個MG90s型舵機的搖臂上。由于該型號絕緣子憎水性實驗裝置增加了1組水泵為水箱自動注水，而采用繼電器驅(qū)動水泵使電路功耗更大，因此，采用IR2104S驅(qū)動芯片和MOS管構(gòu)成水泵驅(qū)動電路，由主控電路發(fā)生PWM作為IR2104S輸入信號加以控制，其中1組調(diào)整占空比和運行時間精確控制噴霧量。在舵機、水泵驅(qū)動電路與主控電路之間使用TLP521光耦提升主控芯片驅(qū)動能力，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換、隔離作用，避免電機運行對主控系統(tǒng)的干擾。

2.1.3 圖像采集電路

圖像采集電路選用SN98671型CMOS圖像傳感器芯片，采取RS232串口協(xié)議與主控芯片通信，旋轉(zhuǎn)攝像頭的鏡頭將視角設定為90°，使拍攝圖像涵蓋復合絕緣子的3層傘裙。

2.1.4 電源

鋰電池組電壓為12 V，為水泵及5 V穩(wěn)壓電路提供充足電能。5 V穩(wěn)壓電路主要為主控電路、驅(qū)動電路、光耦隔離電路、Wi-Fi模塊電路、CMOS圖像傳感電路供電。其中，主控電路、光耦隔離電路、Wi-Fi模塊電路和CMOS圖像傳感電路功耗較低，選用輸出電流為1.2 A的MP2359穩(wěn)壓芯片即可滿足供電要求。水泵驅(qū)動電路、舵機及其驅(qū)動電路需采用大功率5 V電源，尤其舵機運行精度對電源的紋波要求較高，為此選取AS1015開關(guān)電源芯片構(gòu)成穩(wěn)壓電路提供最大5 A電流。在5 V穩(wěn)壓電路的輸出端增設電感-電容低通濾波電路使電壓紋波更小，同時緩和大電流沖擊。

2.2 軟件程序設計

控制系統(tǒng)的軟件程序結(jié)構(gòu)由上位機App應用軟件和下位機主控程序組成，如圖4所示。上位機系統(tǒng)是將Android操作系統(tǒng)的智能手機作為硬件平臺，上位機的功能有模式選擇、角度調(diào)整、圖像顯示和圖像存儲。其中，模式選擇有自動、手動2種：自動模式為下位機自動執(zhí)行噴霧、拍照試驗操作；手動模式由試驗員在軟件上點擊按鈕分別完成噴霧或拍照，為此采用Android Studio開發(fā)工具對App軟件的邏輯程序和人機交互界面進行設計。

圖4 軟件程序結(jié)構(gòu)

App邏輯程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。下位機數(shù)據(jù)指圖像傳感器拍攝的實時視頻，啟動App初始化后，先接收下位機數(shù)據(jù)進行處理，若App接到拍照命令，會存儲此刻試驗照片數(shù)據(jù)，否則，在手機屏幕顯示實時圖像以及軟件保存的試驗參數(shù)、運行模式等數(shù)據(jù)。當檢測到用戶點擊噴霧按鈕、調(diào)整攝像頭角度、設定試驗參數(shù)等操作時，發(fā)送命令對下位機進行控制；若未檢測到，App返回初始化。

圖5 App應用軟件邏輯程序流程

人機交互界面是試驗員設置參數(shù)、操控試驗裝置、查看試驗圖像的窗口?？紤]到智能手機橫屏顯示時，界面更寬闊，圖像顯示比例更大，操作更方便，故將界面以橫屏狀態(tài)布局，如圖6所示。

圖6 App軟件人機交互界面

在人機交互界面上將點擊按鈕、設定參數(shù)、模式切換等動作指令通過App邏輯程序處理后下達至下位機系統(tǒng)執(zhí)行，同時接收下位機系統(tǒng)實時上傳的圖像信息并截取保存。

下位機程序在KEA128處理器內(nèi)運行，由GPIO、UART、PWM等端口發(fā)送程序指令來控制舵機、水泵、指示燈、攝像頭等執(zhí)行機構(gòu)。主控程序采用C語言編譯、調(diào)試，主要包括初始化、圖像處理、Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠?，程序流程如圖7所示。

圖7 主控程序流程

3 效果評價

圖8為控制系統(tǒng)硬件實物，水管接頭、電源線及信號線中間接頭作密封處理，主控電路置于透明防水盒內(nèi)并將接口縫隙封堵，以此達到防水、防漏的效果。為了驗證試驗裝置控制系統(tǒng)的各項性能指標，使用一串復合絕緣子模擬憎水性試驗進行系統(tǒng)功能測試。

將下位機系統(tǒng)的電源開關(guān)打開，電池電壓顯示為11.9 V，紅色電源指示燈亮起，將手機Wi-Fi與裝置系統(tǒng)連接，點擊試驗App。在App軟件歡迎界面等待數(shù)秒鐘后進入人機交互界面，摘下攝像頭鏡頭護蓋后，屏幕上可看到待測絕緣子圖像，表明下位機系統(tǒng)主控電路和攝像頭模塊工作正常，App運行穩(wěn)定，Wi-Fi通訊正常。手動模式時，分別調(diào)整噴頭、攝像頭角度，使舵機連續(xù)運轉(zhuǎn)無卡澀、異響，角度控制精確；單擊“手動噴水”按鈕，下位機系統(tǒng)執(zhí)行一次噴霧操作；單擊“手動拍照”按鈕，App保存圖片1張，在手機相冊可查到。單擊“設置”按鈕彈出試驗參數(shù)設置菜單，默認參數(shù)為噴霧時間0.5 s，間隔時間1 s；噴霧次數(shù)25次，延遲時間5 s。當切換至自動模式后，下位機按照“設置”參數(shù)連續(xù)自動完成噴霧、拍照流程，停頓5 s后循環(huán)執(zhí)行。

圖8 控制系統(tǒng)實物

經(jīng)系統(tǒng)測試證明：下位機可以實時、準確地接收到試驗App發(fā)出的指令并執(zhí)行，攝像頭俯仰角可在-60°～+50°范圍調(diào)節(jié)，噴頭俯仰角在-85°～+15°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。不論在自動還是手動模式，控制系統(tǒng)能夠持續(xù)、平穩(wěn)運行約2 h。測試結(jié)果表明試驗裝置控制系統(tǒng)達到絕緣子憎水性試驗的規(guī)范要求及設計功能。

4 結(jié) 論

(1)研制的變電站絕緣子憎水性試驗裝置控制系統(tǒng)可在自動模式下無需試驗員操作即可連續(xù)試驗，進一步提高試驗工作效率。

(2)控制系統(tǒng)以Wi-Fi通信替代，在手機上由App統(tǒng)一控制、調(diào)整下位機，外置射頻天線增強了信號傳輸穩(wěn)定性，執(zhí)行操作準確、靈敏。

(3)系統(tǒng)通過不同輸出功率的穩(wěn)壓電路向子系統(tǒng)提供5 V電源，又與12 V水泵電源相互隔離，采用低通濾波電路穩(wěn)定輸出電壓，采用光耦驅(qū)動電路隔離信號干擾，消除水泵、舵機運行中對主控系統(tǒng)電源、信號的干擾，增強系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

(4)裝置控制系統(tǒng)的運算速度、擴展能力得到進一步增強，為系統(tǒng)功能升級提供方便，在試驗圖片上傳、存儲以及憎水性分析軟件開發(fā)等方面給予有力的軟硬件支持。