基于指紋識別的10 kV開關柜許可用智能絕緣擋板設計

魏夢颯，陸增潔，柴 俊，姜文斌

(1.國網上海市電力公司松江供電公司，上海 201602；2.國網上海市電力公司市北供電公司，上海 201900)

隨著社會經濟的高速發展，電網規模的不斷壯大，需要維護和管理的設備數量逐漸增多且種類繁雜，從而導致檢修試驗工作量不斷加大[1]。為保障大量檢修試驗工作能正常完成的同時實現零事故率，在許可工作中許可人安全措施的布置顯得尤為重要。

2013年超高壓同濟站“10·19”事故中，工作人員在主變帶電運行、進線開關變壓器側靜觸頭帶電的情況下，違規打開進線開關柜內母線簾門擋板，造成觸電身亡的惡性事故發生，而其原因正是隔離帶電部分的簾門未被鎖住。現根據國網要求，許可人在布置安全措施時須采用強閉鎖的方式阻止門簾的開啟，以確保工作人員不會誤開啟簾門觸碰帶電部位。已有文獻對配電線路轉角桿中相引線、低壓開關、帶電更換開關橫擔上避雷器、手車式高壓開關柜等處應用到的絕緣擋板進行了設計研究[2-6]，但尚未發現有文獻對開關柜許可用絕緣擋板進行設計，并且在研究中均未將指紋識別和機械器引入絕緣擋板中。

本文設計一種基于指紋識別的10 kV開關柜許可用智能絕緣擋板。指紋識別功能可確保絕緣擋板解鎖的唯一性，以保證工作全程中安全措施的牢固性和可靠性。

1 智能絕緣擋板的工作原理

基于指紋識別技術的智能絕緣擋板設計圖如圖1和圖2所示。許可開始前，智能絕緣擋板狀態如圖1所示。

圖1 許可開始前狀態

圖2 許可工作時狀態

此時絕緣擋板臂處于收縮狀態，體積小、攜帶方便，也便于許可人將智能絕緣擋板放入待許可的開關倉內。當許可人開始許可時，先錄入自己的指紋，隨后按擋板“開啟”按鈕，啟動電機轉動帶動左側的推桿向上移動。

當左側的推桿從圖1位置到達圖2位置2時，推桿推動擋板上壁從圖1位置到達圖2位置，與此同時，行程齒輪1帶動中心齒輪。

許可開始時絕緣擋板工作流程如圖3所示。許可結束時絕緣擋板工作流程如圖4所示。

圖3 許可開始時絕緣擋板工作流程

圖4 許可結束時絕緣擋板工作流程圖

2 智能絕緣擋板控制系統的軟件設計

智能絕緣擋板控制系統設計框圖如圖5所示。智能絕緣擋板軟件設計算法主要包括指紋識別算法和電機控制算法。

圖5 智能絕緣擋板控制系統設計框圖

2.1 指紋識別模塊設計

指紋識別系統主要由指紋圖像的采集、指紋圖像的預處理、指紋特征點的匹配等組成，指紋識別算法的軟件流程設計如圖6和圖7所示。

圖6 許可開始時流程圖

圖7 許可結束時流程圖

完整的指紋識別系統由建立指紋模板數據庫和指紋識別兩個處理過程構成。建立指紋模板數據庫主要用來存儲許可人初次許可時錄入的許可人指紋數據，而指紋識別是用來完成樣板指紋(需要比對的指紋)與模板指紋(已經保存在模板數據中的指紋)的匹配操作。這兩個處理過程具有相同的組成部分，唯一不同的是指紋識別過程多了指紋特征點的匹配環節。因此，只要完成指紋識別過程中的指紋圖像采集、指紋圖像預處理、指紋特征點提取和指紋特征點的匹配等指紋識別算法的設計就可以實現指紋識別。

2.2 電機控制系統軟件設計

電機控制系統軟件設計流程如圖8和圖9所示。當初次許可時，許可人按下啟動擋板的“開啟”按鈕時擋板啟動，電機工作，當三側臂碰到開關倉內壁時，會反饋給電機一個終止信號，此時電機停止，擋板處于許可狀態。

圖8 許可開始時

圖9 許可結束時

當許可結束后，許可人按下啟動擋板“關閉”按鈕時，此時通過一個邏輯與信號，只有當啟動電機信號和指紋識別匹配一致、信號都為真時，電機轉動。否則，電機不工作。當電機工作時，電機通過三側臂的限位開關反饋給電機一個終止信號，此時電機停止。

2.3 智能絕緣擋板硬件系統設計

基于指紋識別技術的智能絕緣擋板硬件系統結構框如圖10所示，主要包括控制模塊、電機驅動模塊和指紋識別模塊。

圖10 絕緣擋板硬件系統設計圖

(1)電機驅動模塊。電機驅動模塊驅動智能絕緣擋板的推桿動作，頂起或收縮上側擋板，是智能絕緣擋板的動力核心。

(2)控制模塊?？刂颇K是智能絕緣擋板的核心，控制整個絕緣擋板的收縮或張開運動。同時控制模塊還要運行圖像處理運算、儲存智能模型和匹配指紋模型。

(3)指紋識別模塊。指紋識別模塊是用來完成樣板指紋(需要比對的指紋)與模板指紋(已經保存在模板數據中的指紋)的匹配操作模塊。

3 智能絕緣擋板的樣品試驗分析

3.1 智能絕緣擋板的實物

本文設計的智能絕緣擋板由裝置本體、指紋識別模塊以及電機驅動模塊，組裝成的實物如圖11所示。

圖11 裝置外觀圖

3.2 智能絕緣擋板的型式試驗

為了驗證所設計的智能絕緣擋板是否滿足技術規范的要求，委托第三方檢測機構對所設計成的擋板進行了型式試驗，裝置經第三方檢測合格，裝置可以投入使用。

3.3 智能絕緣擋板的現場試驗

為了驗證所設計裝置的有效性，本文將裝置在一個尚未投運的開關站10 kV開關柜進行試驗，試驗結果如圖12和圖13所示。從圖12可以看出，通過裝置靠近開關柜門旁的指紋識別系統即可啟動三側臂，無需將身體探入開關倉內。啟動后的三機械臂剛好撐滿了整個開關倉，可有效將作業人員與母線簾門隔離開，從而避免現場人員觸電的風險。同時，智能絕緣擋板只有在識別到該許可人的指紋時三側臂才會收起，若在工作過程中有不匹配指紋輸入，擋板報警系統將啟動，提示操作人員遠離絕緣擋板。因此，指紋識別功能確保了絕緣擋板解鎖的唯一性，保證了工作全程中安全措施的牢固性和可靠性。

圖12 許可開始前

圖13 許可使用中

4 結語

本文設計了基于指紋識別的變電站許可用智能絕緣擋板，包括智能絕緣擋板本體、硬件系統、軟件系統(包括指紋識別模塊以及電機控制模塊)，通過試驗驗證裝置的有效性。本文所設計的智能絕緣擋板在日后的檢修許可工作中替代原有需要許可人鉆入開關倉內前傾掛鎖危險動作的“止步，高壓危險”絕緣擋板。本文所設計的許可用絕緣擋板具有自動化水平高、安全性好的特點。