變電站智能巡檢機器人的拓展應用研究

趙建平，于文海，許賢厚，侯東方

(國網烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著智能化、現代化、數字化的到來，智能巡檢機器人在多個領域得到了廣泛的推廣及運用，如國防、變電站以及工業(yè)等[1-4]。其中，變電站的智能巡檢機器人的巡檢方式主要以紅外成像和激光遙測技術為主，而對電場檢測方面的融入并不多見，因此，關于這方面的檢測還需通過人力的方式來完成[5-8]。若這類工作人員長期暴露在400、500 kV以下變電站中，那么就會給人體造成不同程度的負面影響，如血壓偏高、食欲不振以及脈搏加快等，增加患癌的風險。因此，為了提高智能巡檢機器人的巡檢的多樣性，本文將組式系統(1個主機，多個從機)融入到智能巡檢機器人中，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巡檢人員身體帶來的影響[9]。具體而言，針對組式系統將要應用的環(huán)境(變電站)，將從組式系統硬件、程序方面開始著手研究，以設計研究出能夠克服強電磁干擾，且擁有高強度作業(yè)能力的組式系統。使之更能滿足智能巡檢機器人巡檢作業(yè)的需要，成為變電站巡檢的一大重要推動力。

1 組式系統設計

1.1 組式系統硬件設計

在整個組式系統中，硬件設計是其中設計的關鍵環(huán)節(jié)。所以，此處對組式系統硬件設計的關鍵部分進行了分析，具體如下所述。

1.1.1 差分式放大電路

為了確保輸入信號的有效性，需要對傳感器收集得到的信號進行前置放大處理。因為傳感器在收集信號時，會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信息號進行前置放大處理。根據實際情況，本文選擇AD公司的AD620儀表放大器對信號進行差分放大處理。其對應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可將浮地信號轉換為對地信號，為AD620差分放大處理提供便利。利用C8、C9將信號中的干擾信號過濾掉，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轉換的有序進行，需要設計一個可控比例放大電路對差分放大后的信號進行優(yōu)化處理。為了擴大系統幅值的響應范圍，本文借助ADG1611實現了組式系統的可控增益功能。同時，為了確保系統結論的準確性，利用了OP07C精密運算放大器對微弱信號進行放大處理，由此完成AD滿量程電壓與輸入信號間的相互匹配。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建，并對輸入信號進行了放大處理。同時，ADG1611投切反饋電阻由Rf表示，放大倍數可由式(2)計算得到。

GD=Rf/k

(2)

1.1.3 帶通濾波電路

由于組式系統是在高壓工頻電場中進行作業(yè)的，所以存在較強的電磁干擾。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，進行帶通濾波，去除50 Hz以外的干擾信號。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 單片機處理器選擇

為進一步弱化工作環(huán)境對組式系統的干擾，需要選擇合適的單片機進行處理。通過對市場單片機處理器的了解，最終選擇了C8051F40單片機作為組式系統的核心處理器。該單片機擁有VDD監(jiān)視器、片內電壓比較器、溫度傳感器、片內上電復位等功能，能夠有效應對環(huán)境問題帶來的影響。

1.1.5 人機交互電路

人機交互電路模塊主要由3大模塊組成：①按鍵控制電路模塊，能夠實現系統的“開關機”“選擇/確認”、“下一機號數”、“上一機號數”功能；②LCD液晶顯示電路模塊，能夠實現系統的顯示功能；③過限聲報警電路模塊，能夠為系統提供提供報警功能。人機交互電路如圖4所示。

圖4 人機交互電路Fig.4 Human-machine interaction circuit

1.1.6 無線通信模塊

為實現主機與從機間的信息互通，選擇BL100無線數據傳輸模塊作為組式系統無線通信模塊。其中，BL100無線數據傳話模塊具有體積小、接口靈活、低功耗、便于集成、傳輸距離遠等特點。用戶完全可根據自身需求，對模塊的發(fā)射功率、串行速率以及通信速率等參數進行靈活配置，是無線數據傳輸產品設計的最佳選擇。BL100無線通信模塊如圖5所示。

圖5 BL100無線通信模塊實物Fig.5 Physical diagram of BL100 wireless communication module

組式系統與BL100無線數傳模塊是通過UART串口進行連接的，屬于半雙工主從通信制式，波特率為9 600 b/s。系統作業(yè)時，主機會沿著BART串口對從機進行逐一查詢，從而了解電場值的實際情況，判斷是否存在過限行為，若存在問題則立即報警，為后續(xù)的跟進處理提供幫助。

1.1.7 PCB電路板設計

結束系統硬件電路原理設計后，便可開展PB電路板的設計工作。這是將原理變?yōu)閷嵨锏囊粋€重要過程，電路板設計是否合理，能夠直接影響產品的生產質量。因此，在設計時應當確保布局元器件的合理性，同時，兼顧電路板的抗干擾功能和電磁兼容功能，如此才能有效應對特殊環(huán)境帶來的干擾。最終設計完成的PCB電路板如圖6所示。

圖6 PCB電路板Fig.6 PCB circuit board

1.2 組式系統程序設計

結束硬件電路設計后，對組式系統程序進行設計。

1.2.1 主程序軟件設計流程

從機工作步驟如下：首先，使系統進入延時開機狀態(tài)，使之初始化階段，而后不斷完成每個電路模板的自檢工作；其次，結束自檢作業(yè)后，利用控制模數轉換器(ADC0)對電壓信號進行A/D轉換；最后，結束轉換作業(yè)后，利用單片機對數據進行分析處理，在利用LCD液晶展示處理后得到的電場值同時，將其傳輸至主機當中，假如發(fā)現電場出現過限問題，那么從機便會馬上發(fā)出警報，并將該問題上傳至主機。從機主程序設計流程如圖7所示。

圖7 從機主程序設計流程Fig.7 Slave master programming flow

主機主要負責信號的接收工作，對從機傳輸的電場數據進行雙重監(jiān)控，具體工作步驟如下：①使系統進入延時開機狀態(tài)，并初始化；②將查詢從機地址信號傳遞到從機當中，由從機進行應答；③當地址核查無誤后，主機展示從機的電場值，反之則命令從機再次發(fā)送數據進行二次核對，當主機檢測到從機發(fā)送的數據存在過限問題時，則會立刻報警。主機主程序設計流程如圖8所示。

圖8 主機主程序設計流程Fig.8 Host main program design process

1.2.2 A/D轉換程序的設計

為能夠進行合理的A/D轉換，此處對ADC0進行了合理配置，即利用控制寄存器(ADC0CN)中的AD0BUSY對ADC0進行干預，實現ADC0的A/D轉換，在結束一個周期的采樣后，對數據進行處理，具體轉換流程如圖9所示。

圖9 A/D轉換程序設計流程Fig.9 A/D conversion program design flow

1.2.3 液晶顯示程序的設計

結束從機單片機A/D轉換程序軟件設計后，便能對用于展示電場強度值的LCD液晶顯示程序進行設計。即LCD液晶顯示程序設定依照高低順序一次顯示6位數值，同時所選定的電壓等級及其安全距離均可在屏幕中顯現出來。此外，若未出現新的電場強度值時，屏幕中的數值不會發(fā)生變動，反之則會更新。LCD液晶顯示程序軟件設計流程如圖10所示。

圖10 LCD液晶顯示程序設計流程Fig.10 LCD display program design flow

1.2.4 通信程序設計

在組式系統中，通信程序軟件主要負責從機與主機間信息間的互通。UART串行口中斷程序是通信程序中的主要組成部分，從機啟動后，便會立即進行偵聽作業(yè)，若接收到主機尋址信息后，便會中斷程序。通信程序軟件具體設計流程如圖11所示。

圖11 通信程序設計流程Fig.11 Communication program design flow

1.2.5 電場過限報警程序設計

電壓等級不同，組式系統從機報警值則會不同。若對輸電線路進行帶電作業(yè)時，發(fā)現系統內置的電場強度限值高于實際電場強度時，那么則可認為作業(yè)人員進行帶電作業(yè)是安全的，此時的蜂鳴器無作為。反之，蜂蜜器則會發(fā)聲報警，起到提醒作用，避免作業(yè)人員觸電問題的發(fā)生。主機報警與否的關鍵在于從機電場數據是否超出了設定的場強限值。電場過限報警流程如圖12所示。

圖12 電場過閑報警程序設計流程Fig.12 Program design flow of electric field idle alarm

2 組式系統電場測量實驗

對加裝在智能巡檢機器人上的組式高壓電場測量安全距離報警系統進行了電場測量性能實驗，初步驗證了其測量的效果[10-11]。此處通過理論推導的方式對變電站中的單相輸電導線空間電場進行簡單分析，如圖13所示。其中，H、τ為導線到地面的距離及其附帶的電荷，E為測點P(x，y)處的空間電場，同時以地面作為零電位的參考面[12-13]。

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

此時令導線的半徑、長度分別為r、L，空氣中的介電常數和導線對地電位分別為ε0、U，那么電荷量τ和電容C的表達式分別可由式(3)和式(4)所示。

τ=CU

(3)

(4)

在忽略外界因素的干擾下，令R代表導線軸心到半徑方向上P點的距離，且距離L遠大于r時，那么P點的電荷量τ與電場強度E之間聯系可由式(5)所示。

(5)

假設地面計算點與導線表面計算點間的電勢差為U相，即導線相電壓可由式(6)進行表達，與此同時，其對應的電荷量τ可由式(7)進行表達。

(6)

(7)

經過整理代入簡化后，R的空間電場強度E可由式(8)進行表達。

(8)

為了檢驗組式系統對變電站電場單相輸電導線測量效果，在實驗室中進行了簡易的實驗。其中，導線對地的高度、長度以及半徑分別為1 200、2 000、5 mm，借助升壓變壓器對導線的電壓進行適當的調節(jié)[14-15]，此時便可將該系統測量出來的結果與常規(guī)測量器測量出來的結果進行比對，如圖14所示。同時，根據測量的數據給出了相應的誤差曲線，如圖15所示。

圖14 實驗室中2種測量儀器測量的結果情況Fig.14 Results measured by two measuring instruments in the laboratory

圖15 相對誤差情況Fig.15 Relative error

從圖14和圖15可以看出，組式系統測量出來的結果與常規(guī)測量儀器測量出來的結果大致相近，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，由此表明組式系統測量具有較高的準確性，能夠將該系統加裝到智能巡檢機器人中使用。

3 實地電場測量

通過上一節(jié)實驗的方式對組式系統測量的準確性進行了初步的檢驗，但實驗室的環(huán)境與變電站的實際環(huán)境是存在一定的差異性的。基于此，為了進一步檢驗組式系統測量的精度，本文以X變電站為例，進行了實地電場測量。當天測量的氣溫為22 ℃、陰天多云、相對濕度為45%。測量點的選擇在兩鐵塔中間部位，并以第1個測量點作為投影點縱向排開，每個測量點間的間距為1.2 m，測量點設置的高度為1.6 m，以智能巡檢機器人作為載體，縱向驅動檢測每個測量點的數值變化。組式系統測量儀器測量得到的結果與常規(guī)測量儀器測量得到的結果如圖16所示，對應的相對誤差曲線如圖17所示。

圖16 實地中2種測量儀器測量的結果情況Fig.16 Results measured by two measuring instruments in the field

圖17 相對誤差情況Fig.17 Relative error

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

4 組式系統報警和通信性能試驗

為了檢驗該系統的報警性能以及無線通信性能，再次進行了實地實驗，仍以X變電站為例，此次在該電站中設置了9個測試點，其中1號、2號、4號、5號、7號、9號為安全區(qū)的測試點，3號、6號、8號為報警區(qū)的測試點。為了降低實驗的難度，設定報警電場值為4.6 kV/m，比仿真臨界電場值小。在智能巡檢機器人驅動下，依次經過每個測試點，得到的檢測結果見表1。

表1 各測試點的檢測結果Tab.1 Test results at each test point

其中，“×”表示的是不會顯示報警情況，“√”表示的是會顯示報警情況，組式系統會根據測量的電場強度對該測試點做出相應的提示，同時還會將測量的結果傳輸至終端，供測量人員預覽。當智能巡檢機器到達并超出了報警區(qū)的安全范圍時，組式系統中的報警系統會及時將報警信號發(fā)送至終端，為變電站工作人員除險工作提供了便利，確保變電站的安全?？梢钥闯?，報警系統性能與通信性能都較為良好，能準確地判斷測試點的狀態(tài)。

5 總結

本文首先對組式系統的硬件電路及其程序進行了設計，給出了相應的電路圖和設計流程。接著，通過理論推導的方式對單相電空間電場進行了簡單的分析，并在實驗室中初步對組式系統測量的成效進行了檢驗，表明了測量結果能較好地擬合常規(guī)測量儀器測得到的結果，同時得出了相對誤差較小的觀點。其次，實際測量表明了該系統在測量工作中的可行性與準確性。最后通過9個測試點對該系統的報警性能及通信性能進行了檢驗，表明了該系統性能良好。因此，將該系統加裝在智能巡檢機器人上替代人為的測量巡檢工作，能夠有效地降低變電站中危險區(qū)域對人體造成的傷害，同時也為智能巡檢機器賦予了巡檢多樣化的特點。