核电站交流配电调试机器人软件系统设计与实现

郑昕

摘要：核电站交流配电装置的电气试验工作量繁重，试验过程耗时较长，硬件仪器操作相对不便。目前，数据主要以纸质记录和简单的计算机电子版文件形式存储，这导致在试验过程中存在工作效率低下、试验数据混乱和丢失等问题。为了实现调试、试验、数据上传和导出的一体化流程，提高交流配电装置电气试验的效率，并避免装置故障或人为失误造成的潜在危险，文章设计并实现了核电站交流配电调试机器人软件系统。该系统通过提供简洁、雅观且易于操作的图形化界面，协助试验人员进行中低压交流配电装置的电气试验，并实现对机器人的控制以及数据传输等功能。

关键词：上位机软件；用户界面；串口通信；C#

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）11-0057-03

1 绪论

当前，核电站配电装置的电气试验存在以下问题：首先，配电装置数量众多，电气试验工作量大且烦琐，导致试验周期长，效率低下。其次，在试验过程中，由于试验人员对试验方法、试验设备、试验规程、试验接线等专业知识掌握不足，难以熟练地进行电气试验工作，进而延长了试验时间，降低了工作效率[1]。电气试验产生的大量数据对于诊断设备运行工况、及时发现设备隐患，以及构建变电站大数据环境、推动智能化变电站的发展具有重要意义。然而，目前大部分电力企业仍采用传统的纸质记录方式或简单的电子文件存储试验数据[2]，这容易导致数据丢失和混乱，无法进行自动分析等高级操作，难以充分利用庞大的试验数据促进生产发展[3]。引入核电站交流配电调试机器人代替工作人员进行电气试验，不仅能提高工作效率，降低操作失误的风险，还能有效保障人身安全。利用机器人简化电气试验中复杂的操作步骤，可大幅提高工作效率，节省人力物力，对推动电力系统智能电网的发展具有重大意义，并能带来显著的经济效益[4]。

2 软件系统设计与实现

2.1 软件系统的总体设计

软件系统采用Unity开发界面，以提供直观易用的操作体验。由于软件系统需要与多种硬件仪器进行串口通信，因此选用工控机软件常用的编程语言C#来实现各模块功能。软件系统的整体框架如图1所示。

2.2 软件系统的各模块设计与实现

2.2.1 登录注册模块的设计与实现

登录注册模块包含登录、注册及错误提示3部分功能。试验人员在软件登录界面输入用户名和密码后，软件系统获取文本框内容，并与数据库中的信息进行匹配对比，以实现对试验人员身份的认证。当试验人员需要注册时，需输入用户名和密码，系统会校验用户名和密码的格式。若用户名长度超过20个字符或密码长度不足8个字符，系统会提示试验人员进行修改。该模块对密码进行了MD5加密处理，当试验人员注册时，软件系统获取密码并通过MD5算法进行加密，将加密后的结果存储到数据库中。当试验人员登录时，软件系统会首先对文本框内的密码进行加密处理，然后与数据库中存储的加密密码进行对比，以验证身份。上述过程确保了系统的安全性和用户隐私保护。

2.2.2 控制模块的设计与实现

控制模块负责对机器人进行功能控制。试验人员首先选择试验对象，即配电装置类型，包括10kV中压柜、380V低压柜和380V抽屉柜。当系统进入扫码器摄像头界面后，试验人员可以选择是否开启扫码器和摄像头。若开启扫码器，试验人员可扫描二维码操作票，软件系统解析二维码内容，并根据已选择的配电装置类型自动向对应的机械手下发操作指令。若开启摄像头，摄像头将识别配电装置的二次仪表门状态；软件系统根据识别结果，并结合已选择的配电装置类型，自动向对应的机械手下发操作指令。此外，试验人员也可以选择跳过扫码器摄像头界面，直接在机械手界面选择相应的机械手动作并下发指令。软件系统向机械手下发指令后，第一套机械手将辅助试验人员打开10kV中压柜和380V低压柜，而第二套机械手则辅助试验人员打开380V抽屉柜。控制模块的流程图如图2所示。

机器人所搭载的扫码器为微光互联TX200嵌入式扫码器。软件系统与扫码器通过USB接口进行连接通信。扫码器支持在PC端直接访问开发，软件系统调用厂家提供的32位和64位dll类型接口动态库以实现相关功能。进入扫码器摄像头界面后，软件系统会首先调用API函数获取扫码器单例，与扫码器建立連接。当试验人员选择打开扫码器时，软件系统调用API函数下发指令打开扫码器并等待扫码。扫描操作票二维码后，软件系统解析出扫描结果，并根据操作票二维码的结果向机械手下发相应的指令。操作票二维码会先通过厂家提供的软件进行设定。

机器人上搭载的摄像头为海康威视工业相机，型号为600 万网口MV-CA060-11GM/10GC，具备1/1.8 英寸CMOS传感器。摄像头能够识别配电装置二次仪表门的正确状态，并向软件系统发送识别结果。软件系统根据这些识别结果向机械手下发相应的指令。

2.2.3 电气试验模块的设计与实现

对于电气试验模块，本文提出以下实现方案：在电气试验界面，试验人员可以选择试验报告（共包含12种试验报告模板）。试验报告以类似Word文档的形式展示给试验人员，其中试验日期和时间由软件系统自动导入，而试验名称等其他基本信息则由试验人员手动输入。在电气试验界面，试验人员还需选择试验仪器，软件系统将与对应的试验仪器进行串口通信，以获取试验数据。试验人员只需点击电气试验界面中试验报告内的文本框，试验数据便会按顺序自动填入这些文本框内。

本模块的难点在于如何将采用不同通信和数据传输方式的试验仪器集成到软件系统中，从而为试验人员提供统一且简化的操作体验。例如，机器人上搭载的万用表，其通信方式仅需安装相应驱动即可打开串口，数据传输方式为万用表在接收到软件系统下发的指令后上传数据包，由软件系统解析即可；而机器人上搭载的绝缘电阻表，其通信方式则需要调用WindowsAPI来建立连接并进行数据的收发，数据传输方式则是软件系统连接绝缘电阻表后，接收来自绝缘电阻表传输的单字节数据，软件系统需要判断数据的完整性并解析数据。此外，各试验仪器所采用的通信协议也各不相同。本模块的流程图如图3所示。

机器人上搭载的万用表型号为VICTOR 98A+智能手持万用表。软件系统首先安装相应的驱动程序，然后通过USB接口与万用表建立连接。万用表的数据传输方式是：试验人员点击万用表上的保存按钮，万用表会存储当前的试验数据。当万用表旋钮调至MEM檔时，它即进入数据传输模式。此时，软件系统根据通信协议下发指令，万用表则上传存储的数据。进入电气试验界面后，软件系统会首先获取万用表的API单例，与万用表建立连接。当试验人员选择使用万用表时，软件系统首先调用API获取试验数据的数量，再逐条获取具体数据，并将这些数据信息展示在软件界面的提示框中。随后，试验人员点击报告模板中的文本框，试验数据便会按顺序逐条自动填入。

机器人上搭载的绝缘电阻表型号为UT512绝缘电阻测试仪。软件系统与绝缘电阻表通过USB接口连接，无须安装额外的驱动程序。绝缘电阻表的通信方式较为特殊，需要根据PID、VID和波特率来打开设备。一旦设备被成功打开，绝缘电阻表即与软件系统建立连接，并持续传输数据。

2.2.4 数据处理模块的设计与实现

数据处理模块主要包括试验数据增删改查、试验报告导出以及试验报告打印三部分功能。试验数据选择使用SQLite数据库进行保存和管理。软件系统为试验人员提供了查询、修改和删除等操作功能，具体的操作流程如图4 所示。由于Unity 本身不支持COM组件，因此无法直接操作Office Word文档。在Unity中引入对应的COM组件或导入NPOI、DocX等类库来读写Office Word文档，往往会出现dll文件错误、版本冲突（如Unity为兼顾串口通信等其他功能，其.Net版本需要限定在特定版本）以及生成的文档受损等问题，这些问题导致了运行效果的不稳定，不利于后续的优化改进工作。因此，本模块设计了一个WinForm程序来实现试验报告导出为Word文档的功能。这个WinForm程序将被部署在软件系统的文件夹下。当试验人员点击导出数据选项时，软件系统将调用这个WinForm 程序，并传递相应的试验数据。WinForm程序会根据模板路径读取模板Word文档，将试验数据填入Word文档中，并提供选择是否打印的选项。该WinForm 程序使用NPOI 库来实现导出Word文档的功能，并将生成的文档存放在configuration.xml文件中配置的保存路径下。试验人员可以在配置文件中指定模板的路径和文档的存储路径。具体的操作流程如图5所示。

2.3 软件系统的数据库设计

数据库中包含所有380V低压系统和10kV中压系统试验报告对应的数据库表与用户信息表，每张表即表中的表项都有对应的注释，便于修改查询等操作。

试验报告共有12种：10kV中压配电盘电气初步检查记录单；10kV电压互感器及断路器间隔初步检查记录单；10kV电流互感器检查记录单1；10kV电流互感器检查记录单2；10kV断路器/接触器检查记录单；10kV充电前绝缘数据记录表；10kV充电后二次侧电压数据；核岛380VAC应急交流配电系统初步试验检查记录单；380V馈线回路外观和机械检查记录单；380V馈线回路保护定值设置记录单；380V充电前绝缘数据记录表；380V充电后电压测量数据。

表1至表2为用户表和部分试验报告的数据库表结构展示。

3 结束语

本文以核电站交流配电装置的电气试验的具体需求为依据，对软件系统进行了模块化设计。之后，按照模块顺序依次编程实现了软件系统，并进行了测试。经过测试，本文实现的软件系统表现稳定、性能良好，满足了核电站交流配电装置的电气试验的工作需求，实现了试验人员登录注册、机器人控制、电气试验等功能的目标，降低了试验人员的工作强度，提高了电气试验的作业效率，并且保证了试验人员的安全。随着智能电网发展的不断深化，电力系统对工业机器人，尤其是计算机软件技术、智能控制技术的需求将会越来越多样化。

参考文献：

[1] 涂利. 昆明铁路局昆明供电段试验数据处理分析系统的设计与实现[D]. 昆明：云南大学，2013.

[2] 吴应宁. 浅析目前我国高压电气试验存在的问题及解决对策[J]. 中国科技博览，2011（26）：65-65.

[3] 林峰. 电气试验管理系统的开发与初步实施[J]. 内蒙古电力技术，2001，19（2）：23-24.

[4] 黄倩. 人工智能在电气自动化控制中的应用[J]. 石河子科技，2022（2）：20-21.

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