一种集控式电缆沟盖板开启支架的研制及应用

陈家颀，吴洪敏，张晓刚，陈思聪，郑媚媚

（国网浙江省电力有限公司台州市黄岩区供电公司，浙江台州，318020）

0 引言

在电缆沟通风晾晒工作中，运维人员需要逐个打开电缆电缆沟盖板进行通风晾晒，由于变电站电缆沟盖板重，开启盖板至少需要两人搬抬［1-3］。变电站内盖板数量多、位置分散，同时为保证良好的通风晾晒效果，盖板通风工作时间一般为4.5小时，以上因素导致盖板通风工作量大，造成变电运维人员工作满载，但目前缺少一种电缆沟盖板自动开启的专用设备［4-5］。

本文研制了一种集控式电缆沟盖板开启支架，实现站内盖板集中化控制，通过现场应用，验证了盖板能全部正确开启，且每次开启时的信号接收强度符合要求，从而验证了盖板开启支架的有效性。

1 电缆沟盖板开启支架结构与原理

1.1 设计目标

（1）目标设定依据

《IEEE160无线通信标准》中规定，无线通信应保证通信链路畅通，信号接收单元应能接收到无线信号并触发磁电转换模块，该模块分为两种，一种是超再生转换模块，其信号接收强度要求≥-85dbm，主要用于传输距离600m以内的领域；一种是超外差转换模块，其信号接收强度要求≥-75dbm，主要用于传输距离2km以内的领域。由于变电站站内最长距离不超过600m，因此若要保证盖板能动作开启，只需设定接收单元的接收强度符合超再生转换模块的标准即可，因此将目标设定为：接收单元的信号接收强度≥-85dbm。

（2）借鉴值与目标值对比

分部管辖各站均具有变电站视频监控系统，采用UBNT网桥结构实现无线监控。根据变电站内2.4GHz无线信道路径损耗建模公式：

其中PL(d)为路径损耗；PL(d0)为参考点值损耗，一般定义为距离发射点1m处；n为路径损耗系数，正常环境中认定为1.5～1.8；d为测试点与发射点距离；d0=1； s为路径标准差，正常环境中认定为0.8～1。

根据模型要求，变电站内路径损耗系数为n为2.7，s值为2.13，则变电站内PL(d)=PL(d0)+2*2.7lg(d/1)+2.13=PL(d0)+5.4lgd+2.13。

经统计，台州站安防摄像头与发送单元最远距离为289m，而盖板的最远距离为240m，可求得以下数据：

PL(摄像头)=PL(d0)+5.4lg289+2.13= PL(d0)+15.4

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

二者距离差值为49m，其信号损耗差值为0.5dbm，视频监控系统后台控制软件实时显示无线信号接收强度，其数值为-60dbm～80dbm，则同一环境中使用相同发射强度，盖板处接收强度为-60.5dbm～-80.5dbm。大于设定的目标接收强度-85dbm，因此目标一定能够实现。

1.2 电缆沟盖板开启支架结构

集控式电缆沟盖板开启支架由集控装置和开启装置两部分组成，集控装置包括电脑软件控制单元、Zigbee收发单元和PLC处理单元；开启装置包括驱动和电源单元、基座和托架单元，总体结构如图1所示。

图1 集控式电缆沟盖板开启支架结构图

电脑软件控制程序利用C语言编写集控程序，电脑软件发出控制信号，zigbee信号，PLC系统完成zigbee无线接收器信号识别及信号输出功能，直流电动机收到PLC系统控制信号后输出扭矩驱动托架动作。各个模块的实体图如图2所示。

图2 集控式电缆沟盖板开启支架实体图

1.3 电缆沟盖板开启支架结构原理

集控程序负责发送命令信号，每个通风盖板设置独立接收端，接收控制主机的信号，主机与每个接收端通过无线发送装置进行信号传输，PLC依据信号向电机输出控制信号完成对支架的控制。

利用C语言编写对应集控程序并完成后台视图制作，配置合理的人机界面。选用SZ05-ADV-TTL芯片作为zigbee信号的收发装置。该芯片输出端口为TTL信号，为实现与电脑端控制软件的通讯控制功能，设计TTL信号与USB信号转接板。选定PLC芯片为三菱FX1N-30MR，焊接芯片功能板，信号转换使用串口芯片及继电器元件实现。

将直流电动推杆与搭建的PLC系统连接调试，通过扭矩测试系统SFTMAX测试系统测量直流电机输出扭矩，确保输出转矩满足要求。

开关电源作为执行部分的能量来源，要满足直流电机的输入电压电流要求。从交流电源箱获取220V交流电压，接至开关电源输入端，将开关电源输出端接至直流电压表输入端，测试12V输出电压。

2 机器人操作方法

对变电站所有盖板安装开启支架，接通信号和电源回路，设备外壳接地之后，操作步骤如下：（1）打开后台电脑集控程序的人机界面，选择要开启的盖板并点击确认，盖板随即开启；（2）开启后，电缆沟晾晒事件计时；（3）晾晒时间满足后，再通过人机界面关上已经开启的盖板并点击确认，盖板随即关闭。

3 试验验证

3.1 有效性验证

将集控式电缆沟盖板开启支架应用于500千伏台州站，对台州站60个盖板进行盖板开启支架的安装，随后记录2020年第三季度电缆沟通风晾晒时盖板能否全部正确开启，验证开启效果，图4即为现场使用图。

图3 集控式电缆沟盖板开启支架现场测试图

图4 信号强度直方图和过程能力图

经测试，全站60个盖板均能正确开启，成功率100%。对台州站2021年第三季度通风盖板开启支架信号接收强度进行统计，绘制直方图和过程能力图。

从上图4可以看出，电缆沟盖板开启支架在实际运用中，能正确开启60个通风盖板，e=3.01，信号接收强度平均值`X= -72.2dbm＞-85dbm。通过查阅资料，信号接收单元在实验室环境中的信号接收强度值为-59.5dbm，规格中心值M=(-85-59.5)/2=-72.25dbm,规格公差P=-59.5+85=25.5dbm，小组根据测量数据求算过程能力指数。

过程准确度：Ca=(`X-M)/(P/2)=(-72.2+72.25)/(25.5/2)=0.004

过程精密度：Cp=P/6e=25.5/6/3.01=1.412。

过程能力指数：CpK= Cp(1-|Ca|)=1.412*(1-0.004)=1.406＞1.33，测量数据足够稳定，数据有效。

经统计，在6次开启盖板工作中，能正确开启全站盖板，且开启过程中信号接收强度≥-85dbm。

3.2 信号接收强度验证

为测试盖板开启时的信号接收强度是否满足要求，将组装完成的设备放置于500千伏台州站设备区，进行正常开启功能检查并利用CMW500型无线通信测试仪进行信号接收强度试验，重复50次，记录信号接收强度值，并计算信号强度平均值和方差，如表1所示，发现集控式盖板开启支架接收强度平均值为-63dbm，满足要求，且方差仅为3.01，验证了信号强度的稳定性。

表1 信号接收强度值结果统计表

4 结语

本文创新研究了一种集控式电缆沟盖板开启支架。具有以下创新点：（1）可以通过集控电脑电缆沟盖板开启，避免人力开启；（2）全程“傻瓜式”操作，方便快捷，易于上手。（3）设计的信号接收单元信号强度稳定，很好地满足设备需求。填补了该领域的技术空白，试验验证了的有效性，具备良好的应用前景和推广价值。