柏祖軍，張世武，金 虎，朱閱微

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽合肥 230031)

0 引言

大型油浸式變壓器是電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的電力設(shè)備，其穩(wěn)定、可靠的運行與工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。大型油浸式變壓器發(fā)生故障時需要及時查找故障原因，及時了解變壓器內(nèi)部的工作狀態(tài)[1]。傳統(tǒng)的做法是檢查前先排空變壓器油，專業(yè)人員進入變壓器內(nèi)部進行檢修，完成檢修以后再注入變壓器油，這種作業(yè)方式耗時、耗力。水下機器人的發(fā)展[2-3]為油浸式變壓器內(nèi)部故障檢測提出了一種新的方式。

針對油浸式變壓器故障檢測困難問題，設(shè)計一種基于仿生機器魚的油浸式變壓器故障檢測平臺，在不需要放出或盡量少放出變壓器油的情況來對油浸式變壓器進行故障檢測。

1 系統(tǒng)功能概述

電網(wǎng)系統(tǒng)中普遍使用的油浸式變壓器組成結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)包含鐵芯、繞組、引線、油箱[4]，如圖1所示。為了滿足油浸式變壓器故障檢測任務(wù)的要求，油浸式變壓器故障檢測平臺由仿生檢測機器魚端、中繼通信系統(tǒng)端、接收終端組成。其中仿生機器魚端具備多自由度的運動控制、照明、視頻以及控制信號傳輸、定位等功能；中繼通信系統(tǒng)端同時連接仿生機器魚端和外部接收終端的無線信號，對接收的控制信號和視頻信號進行實時透傳，起到信號中繼傳輸?shù)墓δ?。采用中繼通信系統(tǒng)有效避免了變壓器鐵質(zhì)外殼對無線信號的屏蔽作用，增加了無線信號的傳輸距離；外部接收終端對數(shù)據(jù)進行解析和發(fā)送，同時上位機軟件展示仿生檢測機器魚傳回的檢測視頻以及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 油浸式變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿生機器魚結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1 仿生機器魚的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿生檢測機器魚端是整個檢測平臺中重要的組成部分，能夠通過中繼通信系統(tǒng)端和接收端建立信號連接，在接收端的控制下完成變壓器故障檢測的任務(wù)，同時回傳拍攝的實時檢測視頻。為了能適應(yīng)油浸式變壓器內(nèi)部狹小的工作環(huán)境[5-6]，檢測機器魚采用仿生外形，要具備小體積、多自由度運動能力、主動照明、定位避障、控制信號及視頻信息發(fā)送的功能。檢測機器魚外形如圖2(a)所示，整體分為頭部、中部艙體和尾部。各部分可以通過殼體內(nèi)鑲嵌的注塑螺母進行連接裝配，便于機器魚殼體的制造以及組裝。

機器魚外殼形成的艙體起到連接、容納部件的作用，采用仿生外形有助于降低運動時流體阻力提升運動靈活性[7]。以罐頭魚為仿生對象,設(shè)計了一種機器魚仿生艙體外形。整個機器魚的外形尺寸為22 cm×10.5 cm×11.5 cm，考慮到后期裝配的需求，整個殼體分為3個部分，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。其中頭部空間內(nèi)安裝有深度傳感器，紅外測距傳感器、照明LED、兩自由度胸鰭動力模塊。機器魚的中部殼體內(nèi)安裝有動力鋰電池、主控板、激光雷達傳感器、無線電臺收發(fā)器、低照度相機單元。尾部安裝有雙尾鰭推進機構(gòu)、防水充電接口和總開關(guān)。實際應(yīng)用中檢測機器魚長時間在烴類變壓器油中工作，其工作環(huán)境具有一定的腐蝕性，檢測機器魚的外殼使用ABS工程塑料制造，具有一定的抗沖擊性能以及耐高溫性能[8]。

(a)機器魚端設(shè)計圖

為了實現(xiàn)檢測機器魚內(nèi)部艙體的可靠密封，保護內(nèi)部元件正常運行，需要設(shè)計一種適應(yīng)于小型水下機器人的密封方案。本文使用硅膠墊片配合高溫密封膠來實現(xiàn)密封效果。傳統(tǒng)的水下機器人密封方法主要是使用O型橡膠圈密封[9-11]，在實際測試過程中發(fā)現(xiàn)由于檢測機器魚整體形狀較小，O型橡膠圈的預(yù)緊力以及橡膠圈的變形有限，在長時間水下工作中會發(fā)生滲水的情況。使用O型橡膠圈密封性很難達到預(yù)期效果，為了克服這種純機械密封應(yīng)用在檢測機器魚中的缺點，使用高溫密封膠配合平橡膠墊片來完成密封。密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，平橡膠墊片可以增加接觸密封面積，高溫密封膠可以把墊片和艙體緊密連接起來，不再完全依靠螺栓來提供預(yù)緊力，保證了在惡劣工況下的密封效果。

圖3 密封結(jié)構(gòu)示意圖

檢測機器魚內(nèi)部的仿生推進系統(tǒng)由兩自由度胸鰭和雙尾鰭組成。其中兩自由度胸鰭結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。安裝在機器魚前部的兩自由度胸鰭具有繞一級舵機轉(zhuǎn)動以及繞二級舵機上下擺動的2個自由度，其中一級舵機直接和胸鰭葉片連接，二級舵機通過連接件和一級舵機相連，左右兩側(cè)的二級舵機通過舵機固定機架組成一個完整的胸鰭驅(qū)動機構(gòu)。雙尾鰭驅(qū)動機構(gòu)由固定在檢測機器魚后端的2個伺服舵機及其鰭片組成，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。為了保證尾鰭具有足夠的擺動角度，2個伺服舵機中心呈30°放置。

(a)兩自由度胸鰭

2.2 仿生鰭驅(qū)動機構(gòu)的分析

檢測機器魚運行時的動力由仿生機構(gòu)提供。兩側(cè)胸鰭具有2個方向的自由度，設(shè)置兩級舵機不同的初始相位、轉(zhuǎn)動頻率、轉(zhuǎn)動角度可以形成兩側(cè)胸鰭的復(fù)雜組合運動。兩側(cè)胸鰭組合運動產(chǎn)生的不同方向和大小的驅(qū)動力，主要用于保持檢測機器魚的平衡、姿態(tài)微調(diào)、小空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎和精確游動定位等[12]。雙尾鰭固定在檢測機器魚的后端，用來提供前進時主要的推進力。

在檢測機器魚游動過程中，胸鰭受力較復(fù)雜，建立坐標系對胸鰭受力情況進行分析。在圖5受力分析中僅顯示右側(cè)胸鰭的受力情況。

圖5 胸鰭葉片受力分析示意圖

定義左右2個胸鰭擺動過程中受到液體的正壓力分別為Fr和Fl。分析胸鰭受力情況時認為胸鰭葉片是剛性的，將受力分析寫為矩陣形式，檢測機器魚本體受到沿坐標系的分力表達式為

(1)

式中：Fx、Fy、Fz分別為機器魚受到沿X、Y、Z軸方向的合力；αr、αl為左右2個胸鰭所在平面的法線與XZ面之間的夾角；βr、βl為左右胸鰭法線方向分別與XY面的夾角；βrt、βlt為X軸與左右胸鰭法線方向在XY面內(nèi)投影夾角。

由于兩側(cè)胸鰭葉片運動具有對稱性，即αr=-αl。產(chǎn)生的沿Y軸的分力抵消，F(xiàn)y=0。僅會產(chǎn)生沿著X、Z軸上的分力Fx、Fz。每側(cè)的胸鰭葉片具有兩自由度，通過控制不同的βr、βl和βrt、βlt的值可以得到不同大小方向的Fx、Fz。所以，檢測機器魚僅依靠前部胸鰭就可以完成前進后退、上升下潛、左右轉(zhuǎn)彎等多模態(tài)運動。

檢測機器魚巡游時前進方向上的推進力主要由尾部的雙尾鰭提供，使用Fluent流體力學(xué)分析軟件對雙尾鰭的推進性能進行仿真分析，為后續(xù)的尾鰭優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[13]。在仿真時增加了一組面積與仿生形狀尾鰭相同的矩形形狀的尾鰭作為對照組。透過仿真結(jié)果可以知道雙尾鰭產(chǎn)生的推進力是交變的，2組尾鰭最大推力出現(xiàn)在2個尾鰭運動交匯處。觀察推力曲線可以發(fā)現(xiàn)，仿生尾鰭反向推進力的峰值更小，推進效率更高。2種形狀尾鰭仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)矩形尾鰭形狀

使用用戶自定義函數(shù)(user defined functions,UDF)模擬雙尾鰭的擺動，仿真雙尾鰭附近的流場變化以及鰭面壓力分布的情況。仿真結(jié)果如圖7所示。在用戶函數(shù)中設(shè)置雙尾鰭的擺動角度為±45°，擺動頻率為2 Hz。觀察流場矢量圖可以發(fā)現(xiàn)雙尾鰭的相互作用可以增加流場的耦合程度，增加雙尾鰭的推進力。

(a)仿生尾鰭附近壓力變化

3 檢測平臺功能分析與設(shè)計

整個檢測平臺由檢測機器魚端、中繼通信系統(tǒng)端以及接收端組成。其中檢測機器魚端負責檢測視頻的獲取以及發(fā)送，中繼通信系統(tǒng)端負責建立機器魚端同接收端的通信，接收端負責發(fā)送控制指令以及對接收的信息作出處理和展示。檢測平臺實物圖見圖8。

(a)機器魚端 (b)中繼通信系統(tǒng)端 (c)接收端

3.1 機器魚端控制系統(tǒng)設(shè)計

在檢測平臺系統(tǒng)中，檢測機器魚端是重要的組成部分，需要完成視頻采集、信號傳輸、運動控制等功能。為了使得仿生檢測機器魚具備在油浸式變壓器內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下檢測故障的能力，使用低照度攝像機作為圖像采集工具，設(shè)計傳感系統(tǒng)來采集工作環(huán)境信息，使用微控制器來進行運動控制和數(shù)據(jù)處理。檢測機器魚的控制系統(tǒng)組成如圖9所示。包括主控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、激光雷達傳感器、紅外測距傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、無線通信模塊、仿生驅(qū)動器、低照度攝像機、照明單元、DDL-mini無線通信電臺。

圖9 機器魚端系統(tǒng)組成示意圖

作為檢測機器魚端的控制核心，主控系統(tǒng)選擇STM32F412CGU6嵌入式芯片進行控制數(shù)據(jù)解析、激光雷達點云數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)、讀取紅外測距以及深度傳感器數(shù)據(jù)、控制仿生驅(qū)動模塊運動。電源系統(tǒng)由2 800 mAh鋰電池組提供24 V電源輸入，經(jīng)TPS54302電源管理芯片產(chǎn)生12 V-3 A、5 V-3 A的2路電源輸出。為了防止充電反接及接口短路，增加了基于PMOS的電源保護電路，電路原理圖如圖10所示。在充電接口電壓Ui短路或者極性反接時電路完全關(guān)斷，保護電源系統(tǒng)的安全。

這些賓語中，有表示有定的數(shù)量詞(二斤)和數(shù)量短語(一雙襪子、一只雞、一件襯衫、三斤好刀魚、四瓶香檳酒)，有表示泛指的名詞(什么東西、東西、那么多東西)，有代詞(什么)，有普通名詞(菜、骨灰盒、衣服、書)，有抽象名詞(生命、人情)，還有定中型的名詞性短語(這個錢、我的心、卵子大的天)?？傊?，它們都是體詞性詞(短)語，沒有一例是謂詞性的。從語用頻率效應(yīng)角度考慮，語料庫中沒有“你買不了吃虧，你買不了上當”這種用法，那么這種格式不應(yīng)該是合理的。但是語言事實已經(jīng)存在著，簡單的數(shù)據(jù)并不能使我們探求到語言的實質(zhì)。

圖10 基于PMOS的電源保護電路

機器魚端的感知系統(tǒng)由激光雷達傳感器、紅外測距傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器組成，完成機器魚端的定位避障感知。使用激光雷達傳感器來獲取水平面上機器魚的位置信息，得到實時位置的點云信息。紅外測距傳感器獲取周圍障礙物的信息，主控根據(jù)周圍障礙物的信息來完成自主避障。深度傳感器獲取機器魚的下潛深度，配合激光雷達的點云數(shù)據(jù)來完成機器魚在變壓器內(nèi)部的位置確定。姿態(tài)傳感器實時檢測機器魚的姿態(tài)，主控根據(jù)姿態(tài)信息使用兩自由度胸鰭來完成姿態(tài)的穩(wěn)定。

無線通信模塊選用DDL-mini電臺，該電臺具有小尺寸低功耗優(yōu)點，同時具備2路TTL串口，1路HDMI視頻傳輸?shù)哪芰Α?路串口分別用于傳輸控制信號和激光雷達的點云數(shù)據(jù)，HDMI通道用于傳輸?shù)驼斩认鄼C拍攝的實時視頻。仿生驅(qū)動模塊由兩自由度胸鰭以及雙尾鰭組成，用于完成檢測機器魚的前進后退、上浮下潛、左右轉(zhuǎn)彎等運動。低照度相機配合照明單元來完成在黑暗環(huán)境下的視頻拍攝，低照度相機采用12 V電源供電，視頻輸出為HDMI信號。照明單元由LED2000芯片驅(qū)動2個功率3 W的LED燈組成。

3.2 中繼通信系統(tǒng)端設(shè)計

在變壓器油等低損耗介質(zhì)環(huán)境下，電磁波可以正常傳輸，但是電磁波不能直接穿透油浸式變壓器的鐵質(zhì)外殼[14]。為了解決油浸式變壓器鐵質(zhì)殼體對無線信號傳輸?shù)母蓴_，檢測平臺的信號傳輸系統(tǒng)采用了中繼式通信系統(tǒng)，在檢測機器魚和地面的接收端之間增加了信號中繼模塊。中繼模塊包括DDL-mini無線電臺、基于TPS54302的電源系統(tǒng)、鋰電池組，中繼通信系統(tǒng)端組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。中繼模塊在整個中繼通信系統(tǒng)中是中心節(jié)點，同時連接著檢測機器魚終端和地面的接收端，實時對收到的無線信號進行雙向轉(zhuǎn)發(fā)。在實際應(yīng)用中，把中繼系統(tǒng)模塊放置在油浸式變壓器開孔位置的油面上來擴大無線信號的傳輸范圍，克服了單級無線通信系統(tǒng)應(yīng)用在油浸式變壓器故障檢測的局限性。

圖11 中繼通信系統(tǒng)端結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 接收端及上位機設(shè)計

接收端在檢測平臺中用于接收檢測機器魚端返回的視頻、機器魚的狀態(tài)信息、激光雷達的點云數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信號，并且對接收的數(shù)據(jù)進行解析，對視頻數(shù)據(jù)進行存儲操作和可視化展示。接收端包括DDL-mini無線電臺、基于TPS54302的電源系統(tǒng)、基于STM32F103C8T6的數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)、視頻采集卡以及配套的上位機軟件。接收端組成示意圖如圖12所示，其中基于STM32F103C8T6的數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)負責將接收的控制信號、機器魚的狀態(tài)信息以及激光雷達的點云數(shù)據(jù)進行解析后通過串口發(fā)送給上位機軟件，視頻采集卡負責將接收端DDL-mini電臺接收到的HDMI格式視頻轉(zhuǎn)為USB視頻信號發(fā)送給上位機軟件。

圖12 接收端系統(tǒng)組成示意圖

上位機軟件用于接收和展示視頻畫面、雷達點云數(shù)據(jù)以及機器魚自身狀態(tài)信息，如圖13所示。

圖13 接收端上位機軟件界面

遠程上位機軟件常使用基于Web和云端的開發(fā)方式[15]，考慮到檢測平臺系統(tǒng)使用環(huán)境，選擇了不依賴網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運行的開發(fā)方式。上位機軟件使用python語言結(jié)合PyQt5開發(fā)，PyQt5負責開發(fā)整體的顯示界面，使用python創(chuàng)建多個線程負責處理業(yè)務(wù)邏輯，主進程負責操作視頻顯示以及存儲業(yè)務(wù)，子進程1負責接收和顯示狀態(tài)信息，子進程2負責接收激光雷達的點云數(shù)據(jù)，子進程3負責繪制點云圖像。

4 實驗分析以及現(xiàn)場測試驗證

4.1 實驗室環(huán)境下測試

檢測機器魚端接收運動控制指令后分別順利完成前進后退、轉(zhuǎn)彎、上浮下潛運動等運動，如圖14所示。

圖14 檢測機器魚多模態(tài)運動圖

4.2 110 kV油浸式變壓器現(xiàn)場應(yīng)用測試

檢測平臺通過實驗室環(huán)境下功能測試后，為了進一步驗證檢測平臺功能合理性以及適應(yīng)實際工況的能力，在變電站110 kV油浸式變壓器實際環(huán)境下進行了故障檢測的測試驗證。從變壓器頂部的孔位，如圖15所示，將變壓器內(nèi)檢機器魚放入到110 kV變壓器內(nèi)部，使用接收終端遙控檢測機器魚端對分接開關(guān)、線圈以及變壓器底部是否存在異物進行了觀察。

圖15 機器魚進入變壓器內(nèi)部的通孔

專業(yè)檢修人員在接收端的上位機軟件界面觀察實時的檢修視頻輸出畫面，如圖16所示。對可能存在的故障進行了相應(yīng)識別。相對于傳統(tǒng)的油浸式變壓器運維檢測方法，使用油浸式變壓器故障檢測平臺可以縮短檢測周期，節(jié)省人力物力。

圖16 檢測平臺接收端接收的畫面

5 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)方法檢測油浸式變壓器故障困難的問題，設(shè)計了包含檢測機器魚端、中繼式通信系統(tǒng)、接收端及其上位機軟件的油浸式變壓器故障檢測平臺。分析并設(shè)計了檢測平臺具備的功能，介紹了檢測平臺的各部分組成結(jié)構(gòu)。在實驗室環(huán)境下研制并測試了油浸式變壓器故障檢測平臺樣機，最后在110 kV油浸式變壓器實際環(huán)境中進行了功能驗證。證明了油浸式變壓器故障檢測平臺具有運動控制、信號傳輸、定位避障以及視頻展示和視頻存儲的功能，表明油浸式變壓器故障檢測平臺可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢測方法對110 kV及其以上等級變壓器進行運維檢測。