基于變電站汽吊作業安全距離告警系統研發

(國網宜賓供電公司，四川 宜賓 644000)

0 引 言

在變電站進行基礎設施建設或部分間隔停電檢修時，需要用到吊車等設備進行輔助工作。在吊車工作時，會有旁邊間隔帶電的情況發生。而吊車斗臂在旋轉移動的過程中，按照《國家電網公司電力工作安全規程》[1]的相關規定，應保持一定的安全距離。在實際操作過程中，沒有相應的測量措施，只能依靠現場指揮人員目測安全距離來提醒吊車司機，這樣會造成與帶電設備及母線的距離小于安全距離的情況，最后導致安全生產事故的發生。

為了避免吊車斗臂轉動過程中誤碰帶電設備，減少安全事故發生，所以決定研制吊車作業距離帶電設備自動檢測報警系統。

1 模型及原理

吊車作業安全告警系統檢測3D模型如圖1所示。假定圖1中圍欄內為待檢修設備，圍欄以外為帶電設備，吊車斗臂作業范圍必須在圍欄以內。作業過程中，吊車斗臂距離地面高度遠遠大于圍欄0.8 m高度，那么吊車斗臂距離旁邊帶電設備距離唯有依靠人眼經驗判斷，存在極大誤差，難以準確把握。結合傳感器檢測技術，在作業范圍內構件虛擬“口”型三維空間，即將圍欄高度向上無限延伸。利用UWB定位模塊實時采集斗臂與所設置邊界點的距離并傳送至儀器后臺，利用海倫模型算出斗臂與虛擬墻壁的垂直距離。當檢測距離小于《國家電網公司安全工作規程》規定的安全距離時，進行告警提示。

(a)3D示意

注：T0-A0 、T0-A1、T0-A2、A0-A1、A0-A2、A1-A2的距離通過測距模塊測量，h2為最終需要計算出的吊車斗臂到帶電區域(A1-A2構成的垂直于水平面的面)的空間垂直距離。(b)理論計算模型圖1 吊車作業安全告警系統檢測

理論計算模型中相關計算公式如下：

三棱錐T0-A0-A1-A2體積V為

式中：a為 T0-A0距離；b為 T0-A1距離；c為 T0-A2距離；I為A0-A1距離；m為A1-A2距離；n為A0-A2距離。

三角形A0-A1-A2面積S1為

三棱錐T0-A0-A1-A2以A0-A1-A2為底面的高h0為

三角形T0-A1-A2面積S2為

三角形T0-A1-A2高h1為

T0到A1-A2形成的垂直面的空間距離(最終吊車到帶電區域的空間垂直距離)h2為

根據現場檢測數值h2與《國家電網公司電力安全工作規程》吊車作業安全距離D進行判斷，D值如表1所示：當h2大于D時，裝置正常運行，告警裝置不動作；當h2小于D時，告警裝置動作，發出告警信號。

表1 吊車斗臂與帶電體最小安全距離D

2 方案優選及裝置研制

2.1 方案優選

根據現場實際需求，該裝置的總體設計方案分為3部分，即距離測試(步驟1)、數據分析(步驟2)和距離判斷及告警(步驟3)，如圖2所示。其中距離測試基本原理如圖1所示，但圖中吊車斗臂定點t0空間位置隨機運動，因此，該裝置研發的重點難度為(步驟1)。根據傳感器技術應用情況，提出了兩套不同的解決方案：方案1是采用超聲波[2]進行距離的測量；方案2是采用UWB[3]方案進行距離測量。兩種方案對比如表2所示。

圖2 總體方案流程

綜合測量角度和最大測量距離分析，最終采用UWB方案進行距離測量。

2.2 裝置研制

根據系統的要求以及需要實現的功能，將裝置分為三大板塊：傳感器板塊、單片機板塊以及報警器板塊，如圖3所示，硬件結構如圖4所示。

表2 方案對比分析

表3 測量數據和實際數據對比

圖3 汽吊作業安全距離告警系統裝置

圖4 硬件結構

報警器板塊由單片機模塊、UWB傳感器和警示裝置組成，對超過安全距離的情況進行報警。

單片機模塊，是整個裝置的神經中樞，用以處理數據，設計相應算法完成距離檢測，并控制報警器。UWB傳感器板塊主要負責距離測量的發射與接收，其測距的原理為s=vt，式中：s為發送端和接收端之間的距離(每個模塊既可以做發送端也可以作為接收端)；v為光速；t為傳輸的時間，通過獲取發送端和接收端的時間差即可計算出距離。由于UWB采用電磁波的傳輸模式，其理論上沒有傳輸角度上的限制，且市面上現有的測量距離模塊可高達到500 m，能夠極大滿足現場應用要求。警示裝置，對超過安全距離的情況進行報警。

該裝置于現場進行實際應用，其效果良好。

3 測試數據分析

由圖1可知，整個裝置最原始的測量數據是T0-A0 、T0-A1、T0-A2、A0-A1、A0-A2、A1-A2的距離，但實際距離和裝置測量距離存在一定的誤差，如表3所示。

從表3中數據可以看出，實際距離和裝置測量距離似乎存在一定的線性關系，因此，通過最小二乘法[4]擬合出一個線性關系，如圖5所示。擬合之后實驗數據如表4所示。

通過算法擬合后的數據和實際距離的最大誤差在±7 cm內，很大程度上降低了直線距離的測量誤差。

為檢測裝置的最終效果，進行了現場檢驗，如圖6所示。

現場實驗數據如表5所示，裝置報警的時候，報警器設定的安全距離和實際測量距離誤差均小于±40 cm，滿足最初設計要求和現場實際需求。

圖5 數據擬合曲線及擬合公式

實際距離/cm擬合之后的數據和實際距離的差值(擬合之后的數據-實際距離)/cm最大誤差絕對值/cm200-32…2340011…1260023…348004-2…34100056…361200-34…3414006-2…37160045…251800-24…44200022…33

圖6 某220 kV變電站現場應用

表5 某220 kV變電站現場實驗數據

為進一步分析誤差數據的合理性，對其誤差值采用單因子二項分析[5]，分析結果如圖7所示。從圖中可以看出，其樣本誤差值比率均在0.133%～1.767%之間，進一步論證數據滿足要求，能夠在現場得以應用推廣。

圖7 誤差二項均值分析

4 結 語

通過單片機技術與運動物體測距傳感器技術結合構建虛擬“口”型三維空間，研發變電站汽吊作業安全距離告警系統。根據研究成果得出以下結論：

1)虛擬“口”型三維空間建立消除了變電站阻擋物(桿塔等)對測試精度的影響，其虛擬空間根據實際需要進行調試設置。

2)對于監測隨機運動物體間距離，傳統超聲波傳感器受測試角度、精度影響滿足不了現場實際需求；采用了UWB電磁波技術進行測試，測試信號不受變電站強電磁場干擾。

3)該裝置在現場應用過程中，能實時采集斗臂距離虛擬空間壁面距離，并發出告警信號。