UWB定位的帶電作業(yè)安全監(jiān)測器的分析與設(shè)計(jì)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 王繼康 趙夢達(dá) 李俊宇

本文針對一種用于架空線路帶電作業(yè)的安全監(jiān)測器進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。該裝置集成了UWB定位模塊、聲光報(bào)警模塊、藍(lán)牙通信模塊、顯示模塊及MCU模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控帶電作業(yè)人員與周圍帶電體及接地體的有效安全距離，能夠有效提升作業(yè)人員的安全程度。

架空線路長期運(yùn)行在雨雪、大風(fēng)等惡劣環(huán)境中，為了保證電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，需要經(jīng)常在架空線路上進(jìn)行高壓帶電作業(yè)。根據(jù)電力作業(yè)的相關(guān)規(guī)程，在高壓帶電作業(yè)的過程中，作業(yè)人員及作業(yè)工具需要與帶電區(qū)域保持一定的安全距離，避免發(fā)生安全事故。實(shí)際操作過程中，作業(yè)人員往往會(huì)因?yàn)榭陀^因素導(dǎo)致違規(guī)行為，例如作業(yè)任務(wù)重、精力不集中或作業(yè)空間不足等。這些違規(guī)行為不僅會(huì)破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)：Φ阶鳂I(yè)人員的生命安全。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和人們對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性認(rèn)識的提高，高壓人工帶電作業(yè)開始逐漸成為相關(guān)從業(yè)人員的研究熱點(diǎn)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控帶電作業(yè)人員與周圍帶電體及接地體的有效安全距離來提升帶電作業(yè)人員的安全程度，本文提出一種基于UWB定位的帶電作業(yè)安全監(jiān)測器，并從UWB測距原理、安全監(jiān)測器硬件電路結(jié)構(gòu)、安全監(jiān)測器軟件模塊設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等部分進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 UWB測距原理

為了減少時(shí)鐘偏差對測距產(chǎn)生的影響，本文采用DS-TWR(Double-sided Two-way Ranging)雙邊雙向測距方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1 DS-TWR雙邊雙向測距原理圖

（1）記錄時(shí)間T1，即設(shè)備A轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)的時(shí)刻，也是設(shè)備A給設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)刻；

（2）記錄時(shí)間T2，設(shè)備B接收數(shù)據(jù)包，處理時(shí)間為Treplay1。T3時(shí)刻，設(shè)備A返回?cái)?shù)據(jù)包并進(jìn)入接收狀態(tài)；

（3）記錄時(shí)間T4，設(shè)備A收到返回?cái)?shù)據(jù)包，處理時(shí)間為Treplay2，在T5時(shí)刻給設(shè)備B發(fā)送最終數(shù)據(jù)包；

（4）記錄時(shí)間為T6，即設(shè)備B收到最終數(shù)據(jù)包。

將飛行時(shí)間和電磁波傳輸速率相乘即為設(shè)備A、B之間的距離。

通過計(jì)算，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A和B之間相距在20m之內(nèi)，時(shí)鐘引入的誤差會(huì)導(dǎo)致誤差為0.5mm，基本忽略不計(jì)。因此DS-TWR雙邊雙向測距是最常采用的測距方式。

2 安全監(jiān)測器總體方案

帶電作業(yè)安全監(jiān)測器包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)主要由UWB模塊（標(biāo)簽和基站）、聲光報(bào)警模塊、藍(lán)牙通信模塊、顯示模塊及MCU模塊組成，如圖2所示。其中UWB定位模塊選用D-DWM-PGPLUS版本，有基于DW1000定位芯片開發(fā)的評估板定位基站，測距精度在±5cm，二維定位精度在±10cm，搭配0.96in OLED顯示屏；MCU模塊采用STM32F103單片機(jī)構(gòu)建，基于ARM的32位微控制器，主系統(tǒng)由四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元和四個(gè)被動(dòng)單元組成，具有中斷延遲短、調(diào)試成本低的特點(diǎn)；藍(lán)牙無線傳輸可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊

軟件系統(tǒng)將跟隨硬件進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)，主要模塊包括有安全距離監(jiān)測和預(yù)警模塊、聲光報(bào)警控制模塊、遠(yuǎn)程藍(lán)牙傳輸模塊。其中，UWB模塊的設(shè)計(jì)包括基站軟件設(shè)計(jì)和標(biāo)簽軟件設(shè)計(jì)，分別如圖3和圖4所示。

圖4 基站與標(biāo)簽原始測距數(shù)據(jù)

圖3為UWB基站軟件流程圖，首先初始化HAL函數(shù)庫和GPIO口，然后開啟計(jì)時(shí)模塊，同時(shí)使能DW1000使其進(jìn)入輸入上拉工作模式，同時(shí)延時(shí)10ms開啟Timer1的定時(shí)中斷，最后進(jìn)入while循環(huán)，每隔10ms進(jìn)行一次DS-TWR雙邊雙向測距。

圖3 UWB基站軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

為了得出符合電力規(guī)程要求的不同電壓等級的安全距離，對UWB測距模塊及聲光報(bào)警模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，直至符合要求。

根據(jù)電力規(guī)程要求，220v-380v架空及電力電纜的報(bào)警距離設(shè)置在0.8m-1.0m；10kv架空線路及電力電纜報(bào)警距離在1.2m-1.8m；35kv架空線路及電力電纜報(bào)警距離設(shè)置在1.5m-2.5m。圖4的縱坐標(biāo)單位為m，橫坐標(biāo)單位為ms，由此可知，在實(shí)驗(yàn)室測試和調(diào)試之后，誤差在5cm內(nèi)，達(dá)到了帶電作業(yè)安全監(jiān)測器的基本要求。

采用本文所述的基于UWB定位的帶電作業(yè)安全監(jiān)測器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控帶電作業(yè)人員與周圍帶電體及接地體的有效安全距離，能夠有效提升作業(yè)人員的安全程度。

為了解決目前架空線路帶電作業(yè)的困難，本文提出一種基于UWB定位的帶電作業(yè)安全監(jiān)測器，并從UWB測距原理、安全監(jiān)測器硬件電路結(jié)構(gòu)、安全監(jiān)測器軟件模塊設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等部分進(jìn)行詳細(xì)論述。