变电站智能巡检机器人的拓展应用研究

赵建平，于文海，许贤厚，侯东方

(国网乌鲁木齐供电公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着智能化、现代化、数字化的到来，智能巡检机器人在多个领域得到了广泛的推广及运用，如国防、变电站以及工业等[1-4]。其中，变电站的智能巡检机器人的巡检方式主要以红外成像和激光遥测技术为主，而对电场检测方面的融入并不多见，因此，关于这方面的检测还需通过人力的方式来完成[5-8]。若这类工作人员长期暴露在400、500 kV以下变电站中，那么就会给人体造成不同程度的负面影响，如血压偏高、食欲不振以及脉搏加快等，增加患癌的风险。因此，为了提高智能巡检机器人的巡检的多样性，本文将组式系统(1个主机，多个从机)融入到智能巡检机器人中，使其具备更多巡检技能，逐步全面取代人为的巡检工作，减少变电站巡检工作对巡检人员身体带来的影响[9]。具体而言，针对组式系统将要应用的环境(变电站)，将从组式系统硬件、程序方面开始着手研究，以设计研究出能够克服强电磁干扰，且拥有高强度作业能力的组式系统。使之更能满足智能巡检机器人巡检作业的需要，成为变电站巡检的一大重要推动力。

1 组式系统设计

1.1 组式系统硬件设计

在整个组式系统中，硬件设计是其中设计的关键环节。所以，此处对组式系统硬件设计的关键部分进行了分析，具体如下所述。

1.1.1 差分式放大电路

为了确保输入信号的有效性，需要对传感器收集得到的信号进行前置放大处理。因为传感器在收集信号时，会受到传感器本身的影响，且干扰情况基本一致，所以可借助差分式放大电路对信息号进行前置放大处理。根据实际情况，本文选择AD公司的AD620仪表放大器对信号进行差分放大处理。其对应的差分式放大电路如图1所示。

图1中，匹配传感器的输入阻抗由R4表示，利用R5、R6、R7、R8可将浮地信号转换为对地信号，为AD620差分放大处理提供便利。利用C8、C9将信号中的干扰信号过滤掉，利用R12优化AD620差分放大处理效果，增益效果由GA表示，可利用式(1)计算得到。

图1 差分式放大电路Fig.1 Differential amplifier circuit

(1)

1.1.2 可控比例放大电路

为了确保A/D转换的有序进行，需要设计一个可控比例放大电路对差分放大后的信号进行优化处理。为了扩大系统幅值的响应范围，本文借助ADG1611实现了组式系统的可控增益功能。同时，为了确保系统结论的准确性，利用了OP07C精密运算放大器对微弱信号进行放大处理，由此完成AD满量程电压与输入信号间的相互匹配。具体电路情况如图2所示。

图2 可控比例放大电路Fig.2 Controllable proportional amplifier circuit

图2中，由OP07C放大器完成比例放大电路的构建，并对输入信号进行了放大处理。同时，ADG1611投切反馈电阻由Rf表示，放大倍数可由式(2)计算得到。

GD=Rf/k

(2)

1.1.3 带通滤波电路

由于组式系统是在高压工频电场中进行作业的，所以存在较强的电磁干扰。为克服这类环境的影响，选择了三阶巴特沃斯有源滤波电路，进行带通滤波，去除50 Hz以外的干扰信号。带通滤波电路情况如图3所示。

图3 带通滤波电路Fig.3 Band-pass filter circuit

1.1.4 单片机处理器选择

为进一步弱化工作环境对组式系统的干扰，需要选择合适的单片机进行处理。通过对市场单片机处理器的了解，最终选择了C8051F40单片机作为组式系统的核心处理器。该单片机拥有VDD监视器、片内电压比较器、温度传感器、片内上电复位等功能，能够有效应对环境问题带来的影响。

1.1.5 人机交互电路

人机交互电路模块主要由3大模块组成：①按键控制电路模块，能够实现系统的“开关机”“选择/确认”、“下一机号数”、“上一机号数”功能；②LCD液晶显示电路模块，能够实现系统的显示功能；③过限声报警电路模块，能够为系统提供提供报警功能。人机交互电路如图4所示。

图4 人机交互电路Fig.4 Human-machine interaction circuit

1.1.6 无线通信模块

为实现主机与从机间的信息互通，选择BL100无线数据传输模块作为组式系统无线通信模块。其中，BL100无线数据传话模块具有体积小、接口灵活、低功耗、便于集成、传输距离远等特点。用户完全可根据自身需求，对模块的发射功率、串行速率以及通信速率等参数进行灵活配置，是无线数据传输产品设计的最佳选择。BL100无线通信模块如图5所示。

图5 BL100无线通信模块实物Fig.5 Physical diagram of BL100 wireless communication module

组式系统与BL100无线数传模块是通过UART串口进行连接的，属于半双工主从通信制式，波特率为9 600 b/s。系统作业时，主机会沿着BART串口对从机进行逐一查询，从而了解电场值的实际情况，判断是否存在过限行为，若存在问题则立即报警，为后续的跟进处理提供帮助。

1.1.7 PCB电路板设计

结束系统硬件电路原理设计后，便可开展PB电路板的设计工作。这是将原理变为实物的一个重要过程，电路板设计是否合理，能够直接影响产品的生产质量。因此，在设计时应当确保布局元器件的合理性，同时，兼顾电路板的抗干扰功能和电磁兼容功能，如此才能有效应对特殊环境带来的干扰。最终设计完成的PCB电路板如图6所示。

图6 PCB电路板Fig.6 PCB circuit board

1.2 组式系统程序设计

结束硬件电路设计后，对组式系统程序进行设计。

1.2.1 主程序软件设计流程

从机工作步骤如下：首先，使系统进入延时开机状态，使之初始化阶段，而后不断完成每个电路模板的自检工作；其次，结束自检作业后，利用控制模数转换器(ADC0)对电压信号进行A/D转换；最后，结束转换作业后，利用单片机对数据进行分析处理，在利用LCD液晶展示处理后得到的电场值同时，将其传输至主机当中，假如发现电场出现过限问题，那么从机便会马上发出警报，并将该问题上传至主机。从机主程序设计流程如图7所示。

图7 从机主程序设计流程Fig.7 Slave master programming flow

主机主要负责信号的接收工作，对从机传输的电场数据进行双重监控，具体工作步骤如下：①使系统进入延时开机状态，并初始化；②将查询从机地址信号传递到从机当中，由从机进行应答；③当地址核查无误后，主机展示从机的电场值，反之则命令从机再次发送数据进行二次核对，当主机检测到从机发送的数据存在过限问题时，则会立刻报警。主机主程序设计流程如图8所示。

图8 主机主程序设计流程Fig.8 Host main program design process

1.2.2 A/D转换程序的设计

为能够进行合理的A/D转换，此处对ADC0进行了合理配置，即利用控制寄存器(ADC0CN)中的AD0BUSY对ADC0进行干预，实现ADC0的A/D转换，在结束一个周期的采样后，对数据进行处理，具体转换流程如图9所示。

图9 A/D转换程序设计流程Fig.9 A/D conversion program design flow

1.2.3 液晶显示程序的设计

结束从机单片机A/D转换程序软件设计后，便能对用于展示电场强度值的LCD液晶显示程序进行设计。即LCD液晶显示程序设定依照高低顺序一次显示6位数值，同时所选定的电压等级及其安全距离均可在屏幕中显现出来。此外，若未出现新的电场强度值时，屏幕中的数值不会发生变动，反之则会更新。LCD液晶显示程序软件设计流程如图10所示。

图10 LCD液晶显示程序设计流程Fig.10 LCD display program design flow

1.2.4 通信程序设计

在组式系统中，通信程序软件主要负责从机与主机间信息间的互通。UART串行口中断程序是通信程序中的主要组成部分，从机启动后，便会立即进行侦听作业，若接收到主机寻址信息后，便会中断程序。通信程序软件具体设计流程如图11所示。

图11 通信程序设计流程Fig.11 Communication program design flow

1.2.5 电场过限报警程序设计

电压等级不同，组式系统从机报警值则会不同。若对输电线路进行带电作业时，发现系统内置的电场强度限值高于实际电场强度时，那么则可认为作业人员进行带电作业是安全的，此时的蜂鸣器无作为。反之，蜂蜜器则会发声报警，起到提醒作用，避免作业人员触电问题的发生。主机报警与否的关键在于从机电场数据是否超出了设定的场强限值。电场过限报警流程如图12所示。

图12 电场过闲报警程序设计流程Fig.12 Program design flow of electric field idle alarm

2 组式系统电场测量实验

对加装在智能巡检机器人上的组式高压电场测量安全距离报警系统进行了电场测量性能实验，初步验证了其测量的效果[10-11]。此处通过理论推导的方式对变电站中的单相输电导线空间电场进行简单分析，如图13所示。其中，H、τ为导线到地面的距离及其附带的电荷，E为测点P(x，y)处的空间电场，同时以地面作为零电位的参考面[12-13]。

图13 单相导线空间电场的示意Fig.13 A schematic diagram of space electric field of a single-phase conductor

此时令导线的半径、长度分别为r、L，空气中的介电常数和导线对地电位分别为ε0、U，那么电荷量τ和电容C的表达式分别可由式(3)和式(4)所示。

τ=CU

(3)

(4)

在忽略外界因素的干扰下，令R代表导线轴心到半径方向上P点的距离，且距离L远大于r时，那么P点的电荷量τ与电场强度E之间联系可由式(5)所示。

(5)

假设地面计算点与导线表面计算点间的电势差为U相，即导线相电压可由式(6)进行表达，与此同时，其对应的电荷量τ可由式(7)进行表达。

(6)

(7)

经过整理代入简化后，R的空间电场强度E可由式(8)进行表达。

(8)

为了检验组式系统对变电站电场单相输电导线测量效果，在实验室中进行了简易的实验。其中，导线对地的高度、长度以及半径分别为1 200、2 000、5 mm，借助升压变压器对导线的电压进行适当的调节[14-15]，此时便可将该系统测量出来的结果与常规测量器测量出来的结果进行比对，如图14所示。同时，根据测量的数据给出了相应的误差曲线，如图15所示。

图14 实验室中2种测量仪器测量的结果情况Fig.14 Results measured by two measuring instruments in the laboratory

图15 相对误差情况Fig.15 Relative error

从图14和图15可以看出，组式系统测量出来的结果与常规测量仪器测量出来的结果大致相近，虽然存在一定的误差，但是总体的拟合效果较好，存在较高的线性相关，由此表明组式系统测量具有较高的准确性，能够将该系统加装到智能巡检机器人中使用。

3 实地电场测量

通过上一节实验的方式对组式系统测量的准确性进行了初步的检验，但实验室的环境与变电站的实际环境是存在一定的差异性的。基于此，为了进一步检验组式系统测量的精度，本文以X变电站为例，进行了实地电场测量。当天测量的气温为22 ℃、阴天多云、相对湿度为45%。测量点的选择在两铁塔中间部位，并以第1个测量点作为投影点纵向排开，每个测量点间的间距为1.2 m，测量点设置的高度为1.6 m，以智能巡检机器人作为载体，纵向驱动检测每个测量点的数值变化。组式系统测量仪器测量得到的结果与常规测量仪器测量得到的结果如图16所示，对应的相对误差曲线如图17所示。

图16 实地中2种测量仪器测量的结果情况Fig.16 Results measured by two measuring instruments in the field

图17 相对误差情况Fig.17 Relative error

从图16和图17可以看出，具有组式系统的智能巡检机器测量得到的结果与常规测量器仪器侧出来的结果大致相同，同时对应的误差也保持在10%以内，再次通过实地的测量证明了该组式系统的可行性。因此可通过具备该系统的智能巡检机器人替代人为的测量工作，减少人力资源的损耗，抑制变电站对测量人员身体的干扰及危害。

4 组式系统报警和通信性能试验

为了检验该系统的报警性能以及无线通信性能，再次进行了实地实验，仍以X变电站为例，此次在该电站中设置了9个测试点，其中1号、2号、4号、5号、7号、9号为安全区的测试点，3号、6号、8号为报警区的测试点。为了降低实验的难度，设定报警电场值为4.6 kV/m，比仿真临界电场值小。在智能巡检机器人驱动下，依次经过每个测试点，得到的检测结果见表1。

表1 各测试点的检测结果Tab.1 Test results at each test point

其中，“×”表示的是不会显示报警情况，“√”表示的是会显示报警情况，组式系统会根据测量的电场强度对该测试点做出相应的提示，同时还会将测量的结果传输至终端，供测量人员预览。当智能巡检机器到达并超出了报警区的安全范围时，组式系统中的报警系统会及时将报警信号发送至终端，为变电站工作人员除险工作提供了便利，确保变电站的安全。可以看出，报警系统性能与通信性能都较为良好，能准确地判断测试点的状态。

5 总结

本文首先对组式系统的硬件电路及其程序进行了设计，给出了相应的电路图和设计流程。接着，通过理论推导的方式对单相电空间电场进行了简单的分析，并在实验室中初步对组式系统测量的成效进行了检验，表明了测量结果能较好地拟合常规测量仪器测得到的结果，同时得出了相对误差较小的观点。其次，实际测量表明了该系统在测量工作中的可行性与准确性。最后通过9个测试点对该系统的报警性能及通信性能进行了检验，表明了该系统性能良好。因此，将该系统加装在智能巡检机器人上替代人为的测量巡检工作，能够有效地降低变电站中危险区域对人体造成的伤害，同时也为智能巡检机器赋予了巡检多样化的特点。