一种螺栓联结状态检测及带电锁紧装置设计

陈 昊，陈玮光，史俊祎，黄祖荣，朱 凯，黄 冰

(1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102；2.国网安徽省电力有限公司宿州供电公司，安徽 宿州 234000)

0 引言

随着我国电力建设的发展、智能电网建设的推进，变电站数量、输电线路长度不断增加，运维检修工作量也随之增大。与此同时，对用电可靠性的要求也在不断提高。在此背景下，保障电力系统各环节的安全可靠运行是输变电运维检修领域的重要研究课题。

变电站和电力线路作为电力系统运行的关键组成部分，其安全可靠运行的一项重要保障措施就是巡视检查电力线路以及设备的螺栓联结状态。现有的巡视手段主要包括人工现场巡视和无人机巡视，这些方法主要是通过观察现场电力设备有无放电痕迹、机械联结结构有无脱落来判断其联接状态，判断手段相对单一，且不能达到提前管控的目的。更为重要的是，巡视过程中如发现由于螺栓联结不牢固引发放电等现象，需要停电才能进行检修，耗费较多的人力、物力和财力，影响供电可靠性。

为有效提高设备巡视质量，及早发现变电站、线路及其设备的异常螺栓联结状态并在带电状态下完成紧固工作，设计出一种基于嵌入式系统的螺栓联结状态检测及带电锁紧装置，可在设备带电的情况下远距离送入带电作业位置紧固螺栓。

远距离螺栓锁紧装置主要由机械结构和操控部分组成。机械结构主要由远距离锁紧结构和绝缘杆联结件组成，操控部分包括操作终端和基于嵌入式的电批控制系统。在远距离紧固螺栓过程中，为使机械结构转动平稳、紧固不抖动，在传统PID基础上，提出了一种适应性更强的动态PID控制算法。该算法通过扭矩传感器得到的实时扭矩与目标扭矩的误差和误差变化率来动态调整传统算法中的参数，用来适应不同的工况、动态目标环境。实用效果表明，该装置可以高效对准螺母，平滑地紧固螺栓，实现螺栓联结状态的检测和修复。

1 远距离螺栓锁紧装置结构

远距离螺栓锁紧装置的结构如图1所示，整套系统由控制电路和操控终端组成，其中控制电路又包括操作系统、压力传感器、动态PID算法实现、转速控制、电批旋转控制、扭矩数据处理和人机交互组成。

控制电路安装在电批上方的控制盒内，其主控系统是以飞思卡尔公司K60系列微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)为主控芯片。紧固装置安装的场所经常属于强电磁干扰的地点，要求硬件除能够实现保护功能外，还能够在强干扰的环境下长期运行。该装置中外围电路采用模块化设计，分为电源供电、模拟量采集、CPU及决策控制、动作输出模块和显示面板。

软件系统基于MQX嵌入式的多任务调度平台开发，锁紧结构可以通过电批的旋转快速对准螺母，通过扭矩的检测来判断螺栓联接状态。在螺栓紧固过程中，系统通过对扭矩传感器采集的实时数据与历史扭矩数据进行算法处理，计算出电批的转速参数，通过压力传感器检测螺栓联结状态、基于动态PID算法实时控制电批转速，使整个带电锁紧装置能够平稳地紧固螺栓。

2 控制系统软件设计

远距离螺栓锁紧装置的控制程序是在CodeWarrior的编译环境下MQX嵌入式系统编程。主程序结构分为系统调度、驱动和应用层3个层次系。其中，系统调度属于MQX系统的底层设计。应用层程序按照功能主要分为无线通信、数据处理、算法控制和输出控制等。对各个功能模块分别建立C文件和H文件，并分开调试。在各模块调试成功后，统一由任务调度程序再进行统一协调，最终生成螺栓联结状态检测及带电锁紧的软件程序。每个独立的功能由相应的函数文件实现，由主程序调度执行。

控制系统的主程序流程如图2所示，控制电路通电后首先启动MQX系统，完成内部时钟、定时器、中断以及无线通信的初始化，然后进入主程序，等待操作终端的无线控制信号。控制数据分为旋转和锁紧信号，装置属于远距离操作，在电批夹头由于角度问题无法夹住螺母的情况下，可以通过操控机发送旋转信号，使电批夹头低速旋转，直到螺母与夹头匹配即可夹住螺母。在收到锁紧信号时，则进入相应中断服务函数，通过检测螺栓的扭矩，做出相应的动作锁紧螺栓。为使紧固过程中机械结构转动平稳、紧固不抖动，此时应用动态PID控制算法。

2.1 传统PID

装置属于远距离操作，在螺栓紧固过程中要求转动平稳，避免出现抖动，即在电机转动的过程中，接近目标扭矩时的转速要小，避免出现突然停转时的顿挫感。

传统增量式PID控制器如下式所示：

式中：u(k)为控制输出，应用到螺栓锁紧装置中，即为电机的转速控制；e(k)为扭矩误差；KP，KI，KD分别为比例、积分、微分系数。

由于u(k)，e(k)量纲的不同，如果使用固定的系数，难以保证紧固过程运行平稳，且在不同的运行工况情况下，可能出现异常增速的情况。为达到更为理想的控制效果，参数值动态调整是一种可行的方法。

2.2 动态参数调整策略

定义扭矩误差e(k)为：

式中：t(k)为经过扭矩传感器反馈的实时扭矩；Tref(k)为设定的扭矩目标值。

由于控制量是电机的转速，在理想状态下，达到设定扭矩时转速为零。则需要建立目标转速与扭矩误差的对应关系函数。通过实验表明，扭矩误差和目标转速成三次方关系时，能够取得较好的控制效果，目标转速Vref(k)为：

式中：Kv为扭矩转速转换系数。

速度误差e＇(k)由目标转速Vref(k)和实际转速V(k)定义：

定义误差变化率Δe＇(k)为：

经过实测表明，当取KD=0时，可得到较好的输出效果，即该装置可以采用PI控制系统，式(1）的控制策略可以表示为：

为了让系统以较快的速度达到输出目标值，引入一个调节速率理想值的概念。综合考虑系统稳定性等各方面因素，根据经验设计符合实际的理想调节速率，用r表示。在该系统中，实际调节速率的大小可以通过Δe＇(k)的绝对值衡量。

在调节过程中，目标转速是基于扭矩的动态过程，为了设计KP，KI的调整策略，首先应分析比例、积分参数之间的关系，二阶系统的典型转速阶跃相应曲线如图3所示。

将图3中转速阶跃相应曲线分为I～V 5个区域，由理论基础可知：当转速标幺值在I，Ⅲ，Ⅴ区域时，即Δe＇(k)*e＇(k)＜0时，转速输出值正在趋近于目标值，如果正在以理想调节速率调整，应保持参数不变，如果调整速率过快，为了避免超调，应当减弱控制，反之应当增加；当转速标幺值在Ⅱ，Ⅳ区域时，即Δe＇(k)*e＇(k)＞0时，转速输出值正在远离目标值，应该增加控制，扭转偏离的状况。

根据上述分析和式(6)可知，Δe＇(k)*e＇(k)＜0时，减小KP或者增大KI都能增强控制作用，反之增大KP或者减小KI都能减弱控制作用。另一个方面，当Δe＇(k)*e＇(k)＞0时，增大KP或者减少KI都能增强控制作用，反之减小KP或者增大KI都能减弱控制作用。

由上述分析，提出如下两条参数的调整策略。

（1）Δe＇(k)*e＇(k)＜0时，k时刻的控制量可以表示为：

式中：a为调节系数，主要用来在线调节控制参数KP，KI。

由公式(7)可知。当实际变化速率超过理想速率，即Δe＇(k)＞r时，使得KP减小，KI增大，从而减弱控制；当实际变化速率小于理想速率，即时，使得KP增大，KI减小，增加控制。

（2）当Δe＇(k)*e＇(k)＞0时，k时刻的控制量可以表示为：

由公式(8)可知，KP，KI同时增大以抑制误差的方向。

在远距离螺栓锁紧装置的实验调试过程中，经正交试验对比，最终将调节参数确定为a=0.5，r=20。此时，调节精度和速度的平衡可以达到满意的水平。

3 装置的机械结构

运行中的变电设备、线路的螺栓松动时，考虑到检修人员作业安全性，需要进行远距离带电锁紧。为提高工作安全性，远距离螺栓锁紧采用模块化设计，单独设计了一种包含绝缘杆、联结结构、锁紧部分和控制盒在内的机械结构。螺栓紧锁装置结构如图4所示。

绝缘杆用以保持人与高电压的隔离，防止直接接触带电设备。锁紧部分主要包括经过改装的直筒型电批和内六角夹头。直筒型电批上部开有走线孔，原来的按压开关保持常闭，动力电路中间剪断加长，经走线孔引出至控制系统。联结结构将电批位置固定，并和绝缘杆通过螺纹连接在一起。控制盒内有4.8 V电池包、控制电路板和无线信号接收器。遥控器为一按压触发式无线信号发射器。这种结构可以让检修工作人员以无线遥控方式在地面上对高处变电设备或线路的螺栓等紧固件进行锁紧操作。此外，可在电批固定座与绝缘杆之间增加一对转接法兰，使装置适应不同方向的螺栓。两个法兰通过12个螺栓孔连接固定，这样锁紧装置可以在竖直平面内通过两个法兰之间错位安装来调整电批的方向，最小错位角度为30°，共可以调整出12个不同方向。实际固定时，只需要使用其中的4个螺栓孔即可实现可靠连接。

4 工程应用

2018年9月，将基于上述设计的螺栓联结状态检测及带电锁紧装置应用于江苏南京地区220 kV双闸变电站110 kV隔离开关螺栓紧固(带数百伏感应电)，2019年1月装置在500 kV东善桥变35 kV间隔的现场应用情况如图5所示，试验结果表明达到了设计预期。

进一步将该装置应用于南京、宿州(安徽)多条10 kV线路试用，试验结果表明达到了设计预期。将该装置与人工锁紧螺栓的平均用时进行了对比，结果为：对变电站和线路的螺栓进行紧固时，人工锁紧一处螺栓的平均时间分别需要7 min和19 min，而使用本装置仅仅需要3 min和11 min，在保证作业安全性的同时，大幅缩短了工作时间。

5 结论

(1) 针对变电设备、输电线路及其附属设备上螺栓检测及紧固问题，提出带电螺栓紧固的解决方案并完成了装置研制。实用效果表明，该装置能够实现螺栓联结状态的准确检测，螺母的高效对准，螺栓的平滑锁紧，以及螺栓联结状态的检测和修复。

(2) 提出了一种动态PID算法，该算法能够很好的解决动态目标的控制系统参数设置问题，附加计算量较小，对传统PID调节精度和速度的矛盾有显著的调和作用。

(3) 该螺栓联结状态检测及带电锁紧装置，可在设备带电的情况下进行螺栓紧固操作，显著提高了作业安全性和工作效率。