變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

摘 要：針對(duì)聯(lián)動(dòng)控制能力較差，導(dǎo)致電纜磨損次數(shù)較多、電纜敷設(shè)成本較高的問題，提出新型變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。根據(jù)空間曼哈頓距離算法，構(gòu)建電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型，設(shè)計(jì)敷設(shè)調(diào)速與轉(zhuǎn)矩檢測方法，完成單一設(shè)備控制。根據(jù)電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制原理，構(gòu)建PID聯(lián)動(dòng)控制器，進(jìn)行機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)可進(jìn)一步降低電纜磨損次數(shù)，較早到達(dá)固定位置，保證初始端設(shè)備與末尾端設(shè)備速度一致，具有較為明顯聯(lián)動(dòng)速度的控制能力。

關(guān)鍵詞：變電站二次控制電纜；電纜敷設(shè)；聯(lián)動(dòng)控制；機(jī)械化設(shè)備；空間曼哈頓距離；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TM757文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：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(shè)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(jìn)行敷設(shè)安裝。這種敷設(shè)方式，為現(xiàn)場施工造成了諸多不便，且現(xiàn)有的敷設(shè)工藝需要大量的人力、物力。由于變電站二次控制電纜敷設(shè)過程中需要使用大量的工作人員，變電站工況日益復(fù)雜，如果不在敷設(shè)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(shè)成本［3］。

針對(duì)上述問題，變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，主要應(yīng)用于變電站二次控制電纜敷設(shè)工作中，如考慮設(shè)備相關(guān)性的智能變電站二次系統(tǒng)可靠性分析方法［4］和接地銅排對(duì)變電站二次電纜防護(hù)效果研究［5］，實(shí)現(xiàn)電纜自動(dòng)送線與牽引，但是極易出現(xiàn)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(shè)機(jī)械化設(shè)備，本文提出了變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。希望通過此技術(shù)，控制機(jī)械化設(shè)備工作過程，提升此設(shè)備的應(yīng)用效果，為電纜敷設(shè)工藝的發(fā)展提供新的輔助設(shè)備。

1 構(gòu)建電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型

電纜敷設(shè)時(shí)，將終點(diǎn)自動(dòng)牽引設(shè)備的牽引繩穿過全部機(jī)械式敷設(shè)防護(hù)設(shè)備后與控制電纜、起點(diǎn)自動(dòng)牽引設(shè)備的牽引繩進(jìn)行連接固定（通過電纜網(wǎng)套或查新設(shè)計(jì)新的緊固結(jié)構(gòu)），傳輸履帶1直至終點(diǎn)的牽引頭自動(dòng)回到起點(diǎn)與傳輸履帶2控制電纜進(jìn)行連接，以此反復(fù)。電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備工作結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備由緊固推桿、傳輸履帶設(shè)備1、傳輸履帶設(shè)備2、動(dòng)力總成、緊固支架、控制箱組成，傳輸履帶設(shè)備1、傳輸履帶設(shè)備2于自動(dòng)送線設(shè)備的中間部位。當(dāng)需要更換控制電纜型號(hào)時(shí)，通過緊固推桿調(diào)節(jié)傳輸履帶設(shè)備1的高度，根據(jù)不同的線徑調(diào)節(jié)至不同的高度，使傳輸履帶設(shè)備1與傳輸履帶設(shè)備2達(dá)到最理想距離。電力施工人員通過設(shè)備背后的智能控制器就可以操控該模塊進(jìn)行送線工作，同時(shí)自動(dòng)送線設(shè)備的送線速度與終點(diǎn)自動(dòng)牽引設(shè)備的牽引速度是同步的。動(dòng)力反饋系統(tǒng)將檢測到的情況反饋至主控單元，隨后主控單元將控制動(dòng)力系統(tǒng)提高傳送量，完成電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

但在進(jìn)行控制電纜牽引時(shí)容易因?yàn)閼T性牽引導(dǎo)致電纜傳送盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)傳送，進(jìn)而容易發(fā)生控制電纜散出線盤之外發(fā)生纏繞、拉扯的現(xiàn)象，為現(xiàn)場施工帶來很多不便。

為了更好地完成電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，引入空間曼哈頓距離算法，構(gòu)建電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型，為后續(xù)的操作提供基礎(chǔ)。

電纜敷設(shè)的過程中，將多種類型的機(jī)械式敷設(shè)防護(hù)設(shè)備安裝在所需的位置，將終點(diǎn)電纜自動(dòng)牽引設(shè)備的牽引繩穿過全部機(jī)械式敷設(shè)防護(hù)設(shè)備后與控制電纜前端以及起點(diǎn)電纜自動(dòng)牽引設(shè)備牽引繩進(jìn)行固定。當(dāng)完成第一段控制電纜敷設(shè)后，對(duì)起點(diǎn)自動(dòng)牽引設(shè)備與終點(diǎn)自動(dòng)牽引設(shè)備進(jìn)行反轉(zhuǎn)，通過整套變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備完成自動(dòng)化敷設(shè)，獲取兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的距離，確認(rèn)每個(gè)維度差的絕對(duì)值。此時(shí)，固定點(diǎn)、起點(diǎn)、重點(diǎn)皆為控制關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)變電站空間平面中給定關(guān)鍵點(diǎn)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(shè)輔助節(jié)點(diǎn)集合G={x，y}，并將圖形整合為有帶權(quán)無向圖S（W，E，C），其中W表示圖的頂點(diǎn)集;E表示圖的邊集；C表示邊的權(quán)值，可寫作C=［cij］n×n，此權(quán)值取值范圍設(shè)定為無窮大。此次研究中，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)度約束量［6］，將其設(shè)定為vi。與此同時(shí)，對(duì)無向圖中的變量展開設(shè)定：

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

獲得電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型，如圖2所示。

基于空間曼哈頓距離參數(shù)，電纜通道中需要連接的設(shè)備點(diǎn)個(gè)數(shù)可設(shè)定為Q′，通道中的拐點(diǎn)與通道節(jié)點(diǎn)組成對(duì)應(yīng)的集合為F，假設(shè)某一電纜節(jié)點(diǎn)為Q′中的元素，其約束度為v=1，則此點(diǎn)的約束條件可表示為

電纜敷設(shè)裝置與各個(gè)被控制設(shè)備是包含關(guān)系，且被控制對(duì)象不是唯一的，而是共同作用的結(jié)果。為了保證計(jì)算參數(shù)是唯一的，使用約束度構(gòu)建目標(biāo)變電站電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型，對(duì)變電站電纜敷設(shè)情況進(jìn)行分析。

2 設(shè)計(jì)敷設(shè)調(diào)速與轉(zhuǎn)矩檢測方法

根據(jù)電纜敷設(shè)基礎(chǔ)模型構(gòu)建結(jié)果，對(duì)目標(biāo)變電站進(jìn)行分析。初步分析完成后，對(duì)敷設(shè)過程中敷設(shè)路線對(duì)機(jī)械化設(shè)備的速度限制展開計(jì)算：

A=Ar+Ad+Ai（5）

式中：Ar表示機(jī)械化設(shè)備工作負(fù)載；Ad表示敷設(shè)過程中的摩擦負(fù)載；Ai表示慣性負(fù)載。外部負(fù)載會(huì)對(duì)機(jī)械化設(shè)備的運(yùn)動(dòng)速度造成影響，需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。在確定機(jī)械化設(shè)備運(yùn)行速度后，對(duì)裝置運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩展開檢測，以此控制裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。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(shè)備與機(jī)械化設(shè)備之間的間距。

為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的控制過程，在此次研究的過程中，對(duì)機(jī)械化設(shè)備表面材料對(duì)轉(zhuǎn)矩檢測結(jié)果的影響展開計(jì)算，則有

式中：z表示機(jī)械化設(shè)備的材料常數(shù)；ρ表示機(jī)械化設(shè)備表面材料密度。

為了避免轉(zhuǎn)矩輸出造成鋼絲繩、電纜線、控制線的損壞，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測。根據(jù)上述兩公式，預(yù)設(shè)一個(gè)最大電流值，在自動(dòng)牽引設(shè)備進(jìn)行工作時(shí)，以STM32F407ZGT6為主控芯片的控制結(jié)構(gòu)會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)自動(dòng)牽引設(shè)備的馬力電機(jī)進(jìn)行檢測，得到機(jī)械化設(shè)備轉(zhuǎn)矩檢測公式：

式中s0表示轉(zhuǎn)矩檢測過程中的初始諧振頻率。以此，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，當(dāng)電流超過預(yù)設(shè)的閾值，自動(dòng)牽引設(shè)備定義為危險(xiǎn)情況，將停止運(yùn)行并且發(fā)出警報(bào)提示電力人員。對(duì)機(jī)械化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測與調(diào)整，將其作為聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制

在實(shí)際變電站二次控制電纜敷設(shè)過程中，單一的機(jī)械化設(shè)備是無法獨(dú)立完成敷設(shè)工作的。需要多臺(tái)機(jī)械化設(shè)備同期工作才能順利完成敷設(shè)任務(wù)。通過多個(gè)案例以及文獻(xiàn)分析后，將電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3中，自動(dòng)送線設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)放線、起點(diǎn)的自動(dòng)牽引設(shè)備進(jìn)行脫機(jī)放線、終點(diǎn)的自動(dòng)牽引設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)收線，由于自動(dòng)牽引設(shè)備的直徑會(huì)不斷發(fā)生變化，所以會(huì)出現(xiàn)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(xiǎn)情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)速功能。當(dāng)控制電纜被過度繃緊時(shí)，自動(dòng)牽引設(shè)備電機(jī)的電流會(huì)逐漸上升，自動(dòng)牽引設(shè)備中的控制芯片通過自檢發(fā)現(xiàn)電流出現(xiàn)線性增長，會(huì)對(duì)自動(dòng)牽引設(shè)備的轉(zhuǎn)速做出調(diào)整，適當(dāng)減慢自動(dòng)牽引設(shè)備電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對(duì)牽引電機(jī)、傳輸履帶設(shè)備、卷線（鋼絲）盤、減速機(jī)構(gòu)、控制箱的聯(lián)動(dòng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。將聯(lián)動(dòng)控制過程的開環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)定如下［10-11］：

式中：w0表示單一設(shè)備初始運(yùn)行狀態(tài)；Emax表示設(shè)備運(yùn)行最大效率；Hs表示設(shè)備可承受電纜質(zhì)量；Xmax表示電纜最高敷設(shè)效率；Hi表示電纜敷設(shè)節(jié)點(diǎn)序號(hào)；δ表示設(shè)備運(yùn)行角速度；ML表示各個(gè)敷設(shè)節(jié)點(diǎn)增加的角速度；z表示傳遞系數(shù)。根據(jù)此公式，得到各個(gè)設(shè)備在工作情況下的力矩平衡方程［12］：

式中：T表示機(jī)械化設(shè)備負(fù)載轉(zhuǎn)矩；S′表示機(jī)械化設(shè)備的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣性；Ti表示目標(biāo)設(shè)備連接的下一個(gè)設(shè)備輸出轉(zhuǎn)矩；V′表示機(jī)械化設(shè)備排量；κ表示機(jī)械化設(shè)備的角速度；Ei表示負(fù)載黏性阻尼系數(shù)。根據(jù)實(shí)際工況，將各個(gè)設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定為正實(shí)數(shù)，對(duì)式（10）與式（11）進(jìn)行求解，則有：

將式（8）計(jì)算結(jié)果代入式（12），得到設(shè)備工作過程中的力矩極值，根據(jù)此極值控制各設(shè)備的轉(zhuǎn)速與力矩，獲得優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，形成聯(lián)動(dòng)控制后的動(dòng)力學(xué)模型。與此同時(shí)，根據(jù)上述設(shè)定結(jié)果，構(gòu)建PID聯(lián)動(dòng)控制器，控制器的控制規(guī)律為

式中：q（t）=x（t）－y（t），x（t）表示期望控制值，y（t）表示實(shí)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(shù)。為了更好地實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，聯(lián)動(dòng)控制函數(shù)為

至此，變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)完成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)工作，避免對(duì)控制電力出現(xiàn)過度拉扯的現(xiàn)象。

4 實(shí)驗(yàn)分析

此次研究中提出了一種變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)驗(yàn)證該方法的應(yīng)用性能是否符合當(dāng)前工作需求。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

對(duì)市面上的變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行分析后，將目標(biāo)機(jī)械化設(shè)備設(shè)定為以下結(jié)構(gòu)，并將其作為此次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4中，在確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)裝備后，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境展開設(shè)定。由于真實(shí)的變電站環(huán)境較為復(fù)雜，如實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常將對(duì)變電站造成不可逆轉(zhuǎn)的損失。為此，在此次研究中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)分析過程，實(shí)驗(yàn)敷設(shè)路徑如圖5所示。

按照?qǐng)D5中內(nèi)容，安裝電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備。而后，在機(jī)械化設(shè)備上安裝廢棄電纜，模擬電纜敷設(shè)過程。

4.2 聯(lián)動(dòng)控制效果分析

基于圖4—圖5，此次實(shí)驗(yàn)中安裝了5臺(tái)設(shè)備，為證實(shí)文中方法具有較高的聯(lián)動(dòng)控制能力，對(duì)裝置點(diǎn)1 與裝置點(diǎn)5的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)前，預(yù)先設(shè)定機(jī)械化設(shè)備的運(yùn)行速度并繪制出其波形作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比組。在實(shí)驗(yàn)過程中采集裝置點(diǎn)1與裝置點(diǎn)5的運(yùn)行速度數(shù)值并繪制出其波動(dòng)與預(yù)設(shè)速度進(jìn)行對(duì)比，確定文中方法對(duì)裝置運(yùn)行速度的控制能力。為增加實(shí)驗(yàn)對(duì)比性，選擇基礎(chǔ)聯(lián)動(dòng)控制方法與單一設(shè)備控制方法和文中方法進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果如圖6所示。

基于圖6，文中方法的聯(lián)動(dòng)控制能力明顯優(yōu)于其他方法。根據(jù)以往案例分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在以往的電纜敷設(shè)過程中，初始端設(shè)備與末尾端設(shè)備采用相同的速度與控制技術(shù)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(shè)備與末尾端設(shè)備速度一致，避免電纜敷設(shè)過緊或過于松弛。

4.3 成本分析

完成200m的電纜敷設(shè)工作，基礎(chǔ)敷設(shè)工作成本為3 000元，假設(shè)每次磨損增加100元，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間成本每分鐘50元，使用文中方法以及選中的實(shí)驗(yàn)方法完成電纜敷設(shè)過程，不同方法的基本對(duì)比結(jié)果如表1所示。

在表1中，實(shí)驗(yàn)方法以人力為主、勞動(dòng)強(qiáng)度大、方法單一，需耗費(fèi)大量人力和時(shí)間，施工成本高，效率偏低，而本文方法具有智能反饋功能、聯(lián)動(dòng)控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)工作。

在電纜敷設(shè)過程中，容易造成電纜在拐彎處以及上下進(jìn)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(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間以及電纜磨損次數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

基于表2，得到機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制成本具體數(shù)據(jù)如下。

文中方法：

M1=3 000+2×100+15×50=3 750（16）

基礎(chǔ)方法：

M2=3 000+12×100+20×50=5 200（17）

單一設(shè)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(jī)械化設(shè)備的角速度與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，保證控制過程的同時(shí)性與序列性，控制能力相對(duì)較好，實(shí)現(xiàn)全方位輔助線纜穿透，可進(jìn)一步降低電纜磨損次數(shù)，解決電纜敷設(shè)成本與開銷，提升電纜敷設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)速度的控制效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果融合分析可以看出，具有明顯的優(yōu)越性。

5 結(jié)語

整合當(dāng)前變電站二次控制電纜敷設(shè)機(jī)械化設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)后，采集裝置點(diǎn)1與裝置點(diǎn)5的運(yùn)行速度數(shù)值，可進(jìn)一步降低電纜磨損次數(shù)，較早到達(dá)固定位置，保證初始端設(shè)備與末尾端設(shè)備速度一致，完成新型聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)優(yōu)化。

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