基于指纹识别的10 kV开关柜许可用智能绝缘挡板设计

魏梦飒，陆增洁，柴 俊，姜文斌

(1.国网上海市电力公司松江供电公司，上海 201602；2.国网上海市电力公司市北供电公司，上海 201900)

随着社会经济的高速发展，电网规模的不断壮大，需要维护和管理的设备数量逐渐增多且种类繁杂，从而导致检修试验工作量不断加大[1]。为保障大量检修试验工作能正常完成的同时实现零事故率，在许可工作中许可人安全措施的布置显得尤为重要。

2013年超高压同济站“10·19”事故中，工作人员在主变带电运行、进线开关变压器侧静触头带电的情况下，违规打开进线开关柜内母线帘门挡板，造成触电身亡的恶性事故发生，而其原因正是隔离带电部分的帘门未被锁住。现根据国网要求，许可人在布置安全措施时须采用强闭锁的方式阻止门帘的开启，以确保工作人员不会误开启帘门触碰带电部位。已有文献对配电线路转角杆中相引线、低压开关、带电更换开关横担上避雷器、手车式高压开关柜等处应用到的绝缘挡板进行了设计研究[2-6]，但尚未发现有文献对开关柜许可用绝缘挡板进行设计，并且在研究中均未将指纹识别和机械器引入绝缘挡板中。

本文设计一种基于指纹识别的10 kV开关柜许可用智能绝缘挡板。指纹识别功能可确保绝缘挡板解锁的唯一性，以保证工作全程中安全措施的牢固性和可靠性。

1 智能绝缘挡板的工作原理

基于指纹识别技术的智能绝缘挡板设计图如图1和图2所示。许可开始前，智能绝缘挡板状态如图1所示。

图1 许可开始前状态

图2 许可工作时状态

此时绝缘挡板臂处于收缩状态，体积小、携带方便，也便于许可人将智能绝缘挡板放入待许可的开关仓内。当许可人开始许可时，先录入自己的指纹，随后按挡板“开启”按钮，启动电机转动带动左侧的推杆向上移动。

当左侧的推杆从图1位置到达图2位置2时，推杆推动挡板上壁从图1位置到达图2位置，与此同时，行程齿轮1带动中心齿轮。

许可开始时绝缘挡板工作流程如图3所示。许可结束时绝缘挡板工作流程如图4所示。

图3 许可开始时绝缘挡板工作流程

图4 许可结束时绝缘挡板工作流程图

2 智能绝缘挡板控制系统的软件设计

智能绝缘挡板控制系统设计框图如图5所示。智能绝缘挡板软件设计算法主要包括指纹识别算法和电机控制算法。

图5 智能绝缘挡板控制系统设计框图

2.1 指纹识别模块设计

指纹识别系统主要由指纹图像的采集、指纹图像的预处理、指纹特征点的匹配等组成，指纹识别算法的软件流程设计如图6和图7所示。

图6 许可开始时流程图

图7 许可结束时流程图

完整的指纹识别系统由建立指纹模板数据库和指纹识别两个处理过程构成。建立指纹模板数据库主要用来存储许可人初次许可时录入的许可人指纹数据，而指纹识别是用来完成样板指纹(需要比对的指纹)与模板指纹(已经保存在模板数据中的指纹)的匹配操作。这两个处理过程具有相同的组成部分，唯一不同的是指纹识别过程多了指纹特征点的匹配环节。因此，只要完成指纹识别过程中的指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹特征点提取和指纹特征点的匹配等指纹识别算法的设计就可以实现指纹识别。

2.2 电机控制系统软件设计

电机控制系统软件设计流程如图8和图9所示。当初次许可时，许可人按下启动挡板的“开启”按钮时挡板启动，电机工作，当三侧臂碰到开关仓内壁时，会反馈给电机一个终止信号，此时电机停止，挡板处于许可状态。

图8 许可开始时

图9 许可结束时

当许可结束后，许可人按下启动挡板“关闭”按钮时，此时通过一个逻辑与信号，只有当启动电机信号和指纹识别匹配一致、信号都为真时，电机转动。否则，电机不工作。当电机工作时，电机通过三侧臂的限位开关反馈给电机一个终止信号，此时电机停止。

2.3 智能绝缘挡板硬件系统设计

基于指纹识别技术的智能绝缘挡板硬件系统结构框如图10所示，主要包括控制模块、电机驱动模块和指纹识别模块。

图10 绝缘挡板硬件系统设计图

(1)电机驱动模块。电机驱动模块驱动智能绝缘挡板的推杆动作，顶起或收缩上侧挡板，是智能绝缘挡板的动力核心。

(2)控制模块。控制模块是智能绝缘挡板的核心，控制整个绝缘挡板的收缩或张开运动。同时控制模块还要运行图像处理运算、储存智能模型和匹配指纹模型。

(3)指纹识别模块。指纹识别模块是用来完成样板指纹(需要比对的指纹)与模板指纹(已经保存在模板数据中的指纹)的匹配操作模块。

3 智能绝缘挡板的样品试验分析

3.1 智能绝缘挡板的实物

本文设计的智能绝缘挡板由装置本体、指纹识别模块以及电机驱动模块，组装成的实物如图11所示。

图11 装置外观图

3.2 智能绝缘挡板的型式试验

为了验证所设计的智能绝缘挡板是否满足技术规范的要求，委托第三方检测机构对所设计成的挡板进行了型式试验，装置经第三方检测合格，装置可以投入使用。

3.3 智能绝缘挡板的现场试验

为了验证所设计装置的有效性，本文将装置在一个尚未投运的开关站10 kV开关柜进行试验，试验结果如图12和图13所示。从图12可以看出，通过装置靠近开关柜门旁的指纹识别系统即可启动三侧臂，无需将身体探入开关仓内。启动后的三机械臂刚好撑满了整个开关仓，可有效将作业人员与母线帘门隔离开，从而避免现场人员触电的风险。同时，智能绝缘挡板只有在识别到该许可人的指纹时三侧臂才会收起，若在工作过程中有不匹配指纹输入，挡板报警系统将启动，提示操作人员远离绝缘挡板。因此，指纹识别功能确保了绝缘挡板解锁的唯一性，保证了工作全程中安全措施的牢固性和可靠性。

图12 许可开始前

图13 许可使用中

4 结语

本文设计了基于指纹识别的变电站许可用智能绝缘挡板，包括智能绝缘挡板本体、硬件系统、软件系统(包括指纹识别模块以及电机控制模块)，通过试验验证装置的有效性。本文所设计的智能绝缘挡板在日后的检修许可工作中替代原有需要许可人钻入开关仓内前倾挂锁危险动作的“止步，高压危险”绝缘挡板。本文所设计的许可用绝缘挡板具有自动化水平高、安全性好的特点。