变电站绝缘子憎水性试验装置控制系统的研制

杨 磊

(国网宁夏电力有限公司中卫供电公司，宁夏 中卫 755000)

变电站绝缘子憎水性试验装置是1种按照喷水分级法试验规范完成喷雾、拍照操作的试验仪器，用于测试变电站停电设备的复合绝缘子表面憎水性能和采集憎水性试验结果。通常，试验装置的控制系统由喷雾系统、图像采集系统、无线遥控系统等组成[1]。

对于装置控制系统，文献[2]提出将液压升降机构置于绝缘瓷瓶内并支撑安装有摄像头、喷头的绝缘箱上下移动，由平板电脑统一操纵系统进行喷雾、拍照和升降；文献[3]采用便携电动喷水系统与数码相机配合使用，系统组成过于简单；文献[4]设计了1种采用STM32系列单片机作为主控系统的无线自动喷水装置，可对不同类型和状态的复合绝缘子采用不同喷雾频率和次数进行试验；文献[5-6]提出的系统设计方案较为成熟，遥控器采用2.4 GHz无线通讯与喷雾系统连接控制喷雾，通过建立Wi-Fi热点与计算机通信，由分析软件控制图像采集系统拍照；文献[7-9]将试验装置的控制系统与多旋翼无人机飞控系统融合，以计算机为控制终端，一方面通过无线通讯转换器发射433 MHz或2.4 GHz信号控制自动喷雾系统，另一方面借助无人机图传系统拍摄试验图片。

为解决装置控制系统结构分散、控制不灵敏、系统供电不稳定等问题，设计了1种控制灵敏、功能完善、系统扩展性强，具有良好人机交互性能的控制系统，进一步提高试验装置的实用性和可靠性。

1 问题的提出

某型号变电站绝缘子憎水性试验装置的控制系统主要由遥控电动喷雾系统和图像采集系统组成，如图1所示。

其工作原理为无线遥控器启动遥控电动喷雾系统实施25次定时喷雾，手机App控制图像采集系统(微型摄像头)拍照获取试验图片。使用中存在的问题如下：

(1)系统接收喷雾命令不灵敏。无线遥控器采用433 MHz电磁波与遥控电动喷雾系统的定时继电器通信从而启动水泵，天线置于金属外壳内造成信号接收不灵敏。

图1 变电站绝缘子憎水性试验装置

(2)遥控电动喷雾系统与图像采集系统相互独立。因APP软件功能限制，两系统通信方式不同，二者无法在同一终端控制。

(3)系统控制方式单一。遥控电动喷雾系统以定时继电器等模块组成，启动后自动完成喷雾操作，执行过程不能中断；另外，喷雾与拍照操作也不能连续自动控制。

(4)系统电路供电不稳定，执行不准确。锂电池组电池容量及负载能力能达到试验要求，但在水泵启停过程中，部分电路电源指示灯忽明忽暗；在水泵持续运行时，继电器触点多次出现无法可靠吸合的现象，导致喷雾过程时断时续。

因此，在系统架构、电源电路、无线通讯和控制方式等方面需要进一步优化设计。

2 控制系统的研制

新研制的控制系统架构分为上位机和下位机2部分，如图2所示。主控系统核心采用KEA128系列处理器，使用C语言编辑主控程序；无线数据传输系统采用Wi-Fi通信方式实现视频传输与操作指令下达；执行系统由喷雾系统、图像采集系统和角度调节系统组成，实现喷雾、拍照、摄像头和喷头角度调节以及储水箱注水功能；供电系统由12 V锂电池组和5 V电源稳压电路组成；遥控终端以Android操作系统的手机为载体，通过App实现喷雾、拍照、角度调节等控制以及存储试验图像。

图2 控制系统架构

2.1 硬件电路设计

包含主控电路、驱动电路、图像采集电路、Wi-Fi模块电路、稳压电源等部分，如图3所示。

图3 硬件电路结构

2.1.1 主控电路

主控电路是控制外围电路及各类执行机构的中枢，需要快速处理大量数据如遥控指令、发生PWM信号、传输视频等才能准确控制子系统。设计采用KEA128系列微处理器，此处理器具备各种硬件资源如PWM发生器、多路定时器、串口等，能使舵机、水泵、摄像头等驱动程序稳定运行，迅速响应指令，保证控制系统能实时、可靠地工作。

无线数据传输系统承担手机与试验装置之间的数据交互包括图像、拍照及摄像头和喷头角度控制指令。通常，试验装置安装于绝缘杆顶端，与手机的距离保持在3 m以内，通讯距离近，数据传输量大，特别是图像传输质量要求高，选择Wi-Fi通信技术可满足控制系统的需求，采用ESP8266芯片构成Wi-Fi传输模块电路。

2.1.2 驱动电路

试验装置的喷雾、拍摄、喷头和摄像头角度调整功能全部由执行系统实现。为了在试验中便于调整垂直方向喷雾、拍摄角度，将摄像头和喷头分别固定在1个MG90s型舵机的摇臂上。由于该型号绝缘子憎水性实验装置增加了1组水泵为水箱自动注水，而采用继电器驱动水泵使电路功耗更大，因此，采用IR2104S驱动芯片和MOS管构成水泵驱动电路，由主控电路发生PWM作为IR2104S输入信号加以控制，其中1组调整占空比和运行时间精确控制喷雾量。在舵机、水泵驱动电路与主控电路之间使用TLP521光耦提升主控芯片驱动能力，实现信号转换、隔离作用，避免电机运行对主控系统的干扰。

2.1.3 图像采集电路

图像采集电路选用SN98671型CMOS图像传感器芯片，采取RS232串口协议与主控芯片通信，旋转摄像头的镜头将视角设定为90°，使拍摄图像涵盖复合绝缘子的3层伞裙。

2.1.4 电源

锂电池组电压为12 V，为水泵及5 V稳压电路提供充足电能。5 V稳压电路主要为主控电路、驱动电路、光耦隔离电路、Wi-Fi模块电路、CMOS图像传感电路供电。其中，主控电路、光耦隔离电路、Wi-Fi模块电路和CMOS图像传感电路功耗较低，选用输出电流为1.2 A的MP2359稳压芯片即可满足供电要求。水泵驱动电路、舵机及其驱动电路需采用大功率5 V电源，尤其舵机运行精度对电源的纹波要求较高，为此选取AS1015开关电源芯片构成稳压电路提供最大5 A电流。在5 V稳压电路的输出端增设电感-电容低通滤波电路使电压纹波更小，同时缓和大电流冲击。

2.2 软件程序设计

控制系统的软件程序结构由上位机App应用软件和下位机主控程序组成，如图4所示。上位机系统是将Android操作系统的智能手机作为硬件平台，上位机的功能有模式选择、角度调整、图像显示和图像存储。其中，模式选择有自动、手动2种：自动模式为下位机自动执行喷雾、拍照试验操作；手动模式由试验员在软件上点击按钮分别完成喷雾或拍照，为此采用Android Studio开发工具对App软件的逻辑程序和人机交互界面进行设计。

图4 软件程序结构

App逻辑程序结构如图5所示。下位机数据指图像传感器拍摄的实时视频，启动App初始化后，先接收下位机数据进行处理，若App接到拍照命令，会存储此刻试验照片数据，否则，在手机屏幕显示实时图像以及软件保存的试验参数、运行模式等数据。当检测到用户点击喷雾按钮、调整摄像头角度、设定试验参数等操作时，发送命令对下位机进行控制；若未检测到，App返回初始化。

图5 App应用软件逻辑程序流程

人机交互界面是试验员设置参数、操控试验装置、查看试验图像的窗口。考虑到智能手机横屏显示时，界面更宽阔，图像显示比例更大，操作更方便，故将界面以横屏状态布局，如图6所示。

图6 App软件人机交互界面

在人机交互界面上将点击按钮、设定参数、模式切换等动作指令通过App逻辑程序处理后下达至下位机系统执行，同时接收下位机系统实时上传的图像信息并截取保存。

下位机程序在KEA128处理器内运行，由GPIO、UART、PWM等端口发送程序指令来控制舵机、水泵、指示灯、摄像头等执行机构。主控程序采用C语言编译、调试，主要包括初始化、图像处理、Wi-Fi数据传输等部分，程序流程如图7所示。

图7 主控程序流程

3 效果评价

图8为控制系统硬件实物，水管接头、电源线及信号线中间接头作密封处理，主控电路置于透明防水盒内并将接口缝隙封堵，以此达到防水、防漏的效果。为了验证试验装置控制系统的各项性能指标，使用一串复合绝缘子模拟憎水性试验进行系统功能测试。

将下位机系统的电源开关打开，电池电压显示为11.9 V，红色电源指示灯亮起，将手机Wi-Fi与装置系统连接，点击试验App。在App软件欢迎界面等待数秒钟后进入人机交互界面，摘下摄像头镜头护盖后，屏幕上可看到待测绝缘子图像，表明下位机系统主控电路和摄像头模块工作正常，App运行稳定，Wi-Fi通讯正常。手动模式时，分别调整喷头、摄像头角度，使舵机连续运转无卡涩、异响，角度控制精确；单击“手动喷水”按钮，下位机系统执行一次喷雾操作；单击“手动拍照”按钮，App保存图片1张，在手机相册可查到。单击“设置”按钮弹出试验参数设置菜单，默认参数为喷雾时间0.5 s，间隔时间1 s；喷雾次数25次，延迟时间5 s。当切换至自动模式后，下位机按照“设置”参数连续自动完成喷雾、拍照流程，停顿5 s后循环执行。

图8 控制系统实物

经系统测试证明：下位机可以实时、准确地接收到试验App发出的指令并执行，摄像头俯仰角可在-60°～+50°范围调节，喷头俯仰角在-85°～+15°范围内调节。不论在自动还是手动模式，控制系统能够持续、平稳运行约2 h。测试结果表明试验装置控制系统达到绝缘子憎水性试验的规范要求及设计功能。

4 结 论

(1)研制的变电站绝缘子憎水性试验装置控制系统可在自动模式下无需试验员操作即可连续试验，进一步提高试验工作效率。

(2)控制系统以Wi-Fi通信替代，在手机上由App统一控制、调整下位机，外置射频天线增强了信号传输稳定性，执行操作准确、灵敏。

(3)系统通过不同输出功率的稳压电路向子系统提供5 V电源，又与12 V水泵电源相互隔离，采用低通滤波电路稳定输出电压，采用光耦驱动电路隔离信号干扰，消除水泵、舵机运行中对主控系统电源、信号的干扰，增强系统的可靠性和稳定性。

(4)装置控制系统的运算速度、扩展能力得到进一步增强，为系统功能升级提供方便，在试验图片上传、存储以及憎水性分析软件开发等方面给予有力的软硬件支持。