一種集控式電纜溝蓋板開啟支架的研制及應用

陳家頎，吳洪敏，張曉剛，陳思聰，鄭媚媚

（國網浙江省電力有限公司臺州市黃巖區供電公司，浙江臺州，318020）

0 引言

在電纜溝通風晾曬工作中，運維人員需要逐個打開電纜電纜溝蓋板進行通風晾曬，由于變電站電纜溝蓋板重，開啟蓋板至少需要兩人搬抬［1-3］。變電站內蓋板數量多、位置分散，同時為保證良好的通風晾曬效果，蓋板通風工作時間一般為4.5小時，以上因素導致蓋板通風工作量大，造成變電運維人員工作滿載，但目前缺少一種電纜溝蓋板自動開啟的專用設備［4-5］。

本文研制了一種集控式電纜溝蓋板開啟支架，實現站內蓋板集中化控制，通過現場應用，驗證了蓋板能全部正確開啟，且每次開啟時的信號接收強度符合要求，從而驗證了蓋板開啟支架的有效性。

1 電纜溝蓋板開啟支架結構與原理

1.1 設計目標

（1）目標設定依據

《IEEE160無線通信標準》中規定，無線通信應保證通信鏈路暢通，信號接收單元應能接收到無線信號并觸發磁電轉換模塊，該模塊分為兩種，一種是超再生轉換模塊，其信號接收強度要求≥-85dbm，主要用于傳輸距離600m以內的領域；一種是超外差轉換模塊，其信號接收強度要求≥-75dbm，主要用于傳輸距離2km以內的領域。由于變電站站內最長距離不超過600m，因此若要保證蓋板能動作開啟，只需設定接收單元的接收強度符合超再生轉換模塊的標準即可，因此將目標設定為：接收單元的信號接收強度≥-85dbm。

（2）借鑒值與目標值對比

分部管轄各站均具有變電站視頻監控系統，采用UBNT網橋結構實現無線監控。根據變電站內2.4GHz無線信道路徑損耗建模公式：

其中PL(d)為路徑損耗；PL(d0)為參考點值損耗，一般定義為距離發射點1m處；n為路徑損耗系數，正常環境中認定為1.5～1.8；d為測試點與發射點距離；d0=1； s為路徑標準差，正常環境中認定為0.8～1。

根據模型要求，變電站內路徑損耗系數為n為2.7，s值為2.13，則變電站內PL(d)=PL(d0)+2*2.7lg(d/1)+2.13=PL(d0)+5.4lgd+2.13。

經統計，臺州站安防攝像頭與發送單元最遠距離為289m，而蓋板的最遠距離為240m，可求得以下數據：

PL(攝像頭)=PL(d0)+5.4lg289+2.13= PL(d0)+15.4

PL(蓋板)=PL(d0)+5.4lg240+2.13= PL(d0)+14.9

二者距離差值為49m，其信號損耗差值為0.5dbm，視頻監控系統后臺控制軟件實時顯示無線信號接收強度，其數值為-60dbm～80dbm，則同一環境中使用相同發射強度，蓋板處接收強度為-60.5dbm～-80.5dbm。大于設定的目標接收強度-85dbm，因此目標一定能夠實現。

1.2 電纜溝蓋板開啟支架結構

集控式電纜溝蓋板開啟支架由集控裝置和開啟裝置兩部分組成，集控裝置包括電腦軟件控制單元、Zigbee收發單元和PLC處理單元；開啟裝置包括驅動和電源單元、基座和托架單元，總體結構如圖1所示。

圖1 集控式電纜溝蓋板開啟支架結構圖

電腦軟件控制程序利用C語言編寫集控程序，電腦軟件發出控制信號，zigbee信號，PLC系統完成zigbee無線接收器信號識別及信號輸出功能，直流電動機收到PLC系統控制信號后輸出扭矩驅動托架動作。各個模塊的實體圖如圖2所示。

圖2 集控式電纜溝蓋板開啟支架實體圖

1.3 電纜溝蓋板開啟支架結構原理

集控程序負責發送命令信號，每個通風蓋板設置獨立接收端，接收控制主機的信號，主機與每個接收端通過無線發送裝置進行信號傳輸，PLC依據信號向電機輸出控制信號完成對支架的控制。

利用C語言編寫對應集控程序并完成后臺視圖制作，配置合理的人機界面。選用SZ05-ADV-TTL芯片作為zigbee信號的收發裝置。該芯片輸出端口為TTL信號，為實現與電腦端控制軟件的通訊控制功能，設計TTL信號與USB信號轉接板。選定PLC芯片為三菱FX1N-30MR，焊接芯片功能板，信號轉換使用串口芯片及繼電器元件實現。

將直流電動推桿與搭建的PLC系統連接調試，通過扭矩測試系統SFTMAX測試系統測量直流電機輸出扭矩，確保輸出轉矩滿足要求。

開關電源作為執行部分的能量來源，要滿足直流電機的輸入電壓電流要求。從交流電源箱獲取220V交流電壓，接至開關電源輸入端，將開關電源輸出端接至直流電壓表輸入端，測試12V輸出電壓。

2 機器人操作方法

對變電站所有蓋板安裝開啟支架，接通信號和電源回路，設備外殼接地之后，操作步驟如下：（1）打開后臺電腦集控程序的人機界面，選擇要開啟的蓋板并點擊確認，蓋板隨即開啟；（2）開啟后，電纜溝晾曬事件計時；（3）晾曬時間滿足后，再通過人機界面關上已經開啟的蓋板并點擊確認，蓋板隨即關閉。

3 試驗驗證

3.1 有效性驗證

將集控式電纜溝蓋板開啟支架應用于500千伏臺州站，對臺州站60個蓋板進行蓋板開啟支架的安裝，隨后記錄2020年第三季度電纜溝通風晾曬時蓋板能否全部正確開啟，驗證開啟效果，圖4即為現場使用圖。

圖3 集控式電纜溝蓋板開啟支架現場測試圖

圖4 信號強度直方圖和過程能力圖

經測試，全站60個蓋板均能正確開啟，成功率100%。對臺州站2021年第三季度通風蓋板開啟支架信號接收強度進行統計，繪制直方圖和過程能力圖。

從上圖4可以看出，電纜溝蓋板開啟支架在實際運用中，能正確開啟60個通風蓋板，e=3.01，信號接收強度平均值`X= -72.2dbm＞-85dbm。通過查閱資料，信號接收單元在實驗室環境中的信號接收強度值為-59.5dbm，規格中心值M=(-85-59.5)/2=-72.25dbm,規格公差P=-59.5+85=25.5dbm，小組根據測量數據求算過程能力指數。

過程準確度：Ca=(`X-M)/(P/2)=(-72.2+72.25)/(25.5/2)=0.004

過程精密度：Cp=P/6e=25.5/6/3.01=1.412。

過程能力指數：CpK= Cp(1-|Ca|)=1.412*(1-0.004)=1.406＞1.33，測量數據足夠穩定，數據有效。

經統計，在6次開啟蓋板工作中，能正確開啟全站蓋板，且開啟過程中信號接收強度≥-85dbm。

3.2 信號接收強度驗證

為測試蓋板開啟時的信號接收強度是否滿足要求，將組裝完成的設備放置于500千伏臺州站設備區，進行正常開啟功能檢查并利用CMW500型無線通信測試儀進行信號接收強度試驗，重復50次，記錄信號接收強度值，并計算信號強度平均值和方差，如表1所示，發現集控式蓋板開啟支架接收強度平均值為-63dbm，滿足要求，且方差僅為3.01，驗證了信號強度的穩定性。

表1 信號接收強度值結果統計表

4 結語

本文創新研究了一種集控式電纜溝蓋板開啟支架。具有以下創新點：（1）可以通過集控電腦電纜溝蓋板開啟，避免人力開啟；（2）全程“傻瓜式”操作，方便快捷，易于上手。（3）設計的信號接收單元信號強度穩定，很好地滿足設備需求。填補了該領域的技術空白，試驗驗證了的有效性，具備良好的應用前景和推廣價值。