基于虛擬周界的激光對射技術在變電站作業(yè)中的應用

鄭蓓 呂燈明 王峰 楊勝亞 周楠

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司，安徽蕪湖 241000）

0.引言

激光因其發(fā)光強度高、方向性好、隱蔽性高、穩(wěn)定性強，當前被廣泛用于監(jiān)獄、看守所、軍事基地等需要重點監(jiān)護的警戒區(qū)，是現(xiàn)代安防手段中不可或缺的一部分。激光對射周界警戒系統(tǒng)主要由光源（發(fā)射端）和光探測器（接收端）兩部分組成，兩者在直線上形成一個隱蔽閉合的光通路。多個閉合的光通路形成一個隱形周界，當系統(tǒng)正常運行時，接收端的探測器穩(wěn)定接收到來自發(fā)射端的激光，光路被遮擋時，探測器接收不到或接收到的激光強度小于探測器接受強度的閾值，便會發(fā)出報警信號。

1.虛擬周界激光對射技術概述

1.1 激光對射技術應用原理分析

1.1.1 激光對射系統(tǒng)工作原理分析

本系統(tǒng)采用的激光對射探測器可以實現(xiàn)零誤差、零時差的安全報警功能，激光對射探測器由收、發(fā)兩部分組成。激光發(fā)射器發(fā)射激光線束，當接收機能收到激光射束為正常狀態(tài)；而當有作業(yè)人員闖入防誤入?yún)^(qū)域時，激光射束被遮擋，接收器接收不到激光光源，輸出報警電信號給監(jiān)控主機[1]。監(jiān)控主機控制單元輸出報警，啟動聲光報警。同時，聯(lián)動啟動高清攝像頭進行抓拍存儲。本裝置對監(jiān)測范圍內(nèi)2m左右高度的作業(yè)人員誤入實現(xiàn)了選擇報警。如圖1所示。

圖1 激光對射探測技術原理示意圖

1.1.2 數(shù)字智能報警原理分析

如果作業(yè)人員誤入虛擬周界，這時監(jiān)控主機實時采集激光對射探測器輸出的報警電信號，立即控制輸出聲光報警，并聯(lián)動啟動視頻抓拍，并保存數(shù)據(jù)到本地SD存儲卡。從而實現(xiàn)了對誤入虛擬周界的帶電間隔作業(yè)人員的實時監(jiān)測、預警和數(shù)據(jù)存儲。高清監(jiān)控攝像頭實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)字化閉環(huán)防誤入?yún)^(qū)域的侵入情況，采用先進的圖像處理技術，即時抓拍并存儲，同時聯(lián)動聲光報警，并通過微信小程序推送至相關負責人，監(jiān)督并制止違規(guī)行為，這樣就實現(xiàn)了對變電站施工作業(yè)閉環(huán)區(qū)域的雙系統(tǒng)監(jiān)測[2]。

1.2 激光對射技術應用特點

1.2.1 傳輸效果良好

激光對射探測系統(tǒng)與先前主動探測系統(tǒng)相比，在應對惡劣氣候條件的適應能力有明顯的優(yōu)勢，大大提高了本系統(tǒng)的應用范圍。由于激光束發(fā)射功率密度大，向外發(fā)散角度小，光束相對集中。在研究試驗期間，我公司選用同等功率電子元器，得到了在接收激光束的功率密度的結果顯示，激光光束功率密度約是紅外發(fā)光二極管光束功率密度上千倍[2]。證明了在同等氣候條件下，激光對射系統(tǒng)要比其他同類探測器傳輸衰減能力更小，傳輸效果更佳。相關數(shù)據(jù)表明激光傳輸過程中往往能表現(xiàn)很強的穿透力，更能適應我國北方光伏電站建在山區(qū)不能克服山區(qū)早晚霧氣濃導致信號干擾的苦惱，強大的穿透力能夠極大地減少投放區(qū)因氣候環(huán)境的影響所產(chǎn)生的困擾。

1.2.2 裝置結構穩(wěn)定

本系統(tǒng)通體采用鋼、鐵等復合金屬材料打造并電鍍防銹漆面，系統(tǒng)機械結構精密。激光對射系統(tǒng)及涉及的光學部件全部按照精密儀器加工而成，系統(tǒng)內(nèi)外結構穩(wěn)定且安裝牢固可靠。激光對射探測器固定在鋼管及焊接成一體的法蘭盤座上，隨后固定于水泥基礎上，能夠最大程度地降低外力作用所帶來的破壞，有效切斷風霜雨雪及家禽家畜對本系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1.2.3 抗干擾能力強

變電站周邊往往存在頻繁的電磁波干擾情況，而本次研發(fā)的虛擬周界選用的激光對射系統(tǒng)自身能夠很好地防范電磁波的干擾。由于激光束發(fā)射功率密度大，向外發(fā)散角度小，光束相對集中，不僅不會想先前的紅外探測系統(tǒng)一樣相互干擾，而且還不會對激光光束傳播路徑以外的區(qū)域和設備產(chǎn)生額外電磁干擾。

1.2.4 調試檢修方便

激光對射系統(tǒng)內(nèi)部配套的激光定位儀進行周界范圍的調試，室內(nèi)調試精度可達毫米級，室外調試精度也能到達厘米級。可以在任何時間、環(huán)境下準確快捷地指導檢修與調試。此外，激光對射系統(tǒng)對周界外環(huán)境無任何光散射、污染，側面也減小了強光光束對安裝和運維人員眼睛造成的損害。在激光報警系統(tǒng)投入使用后發(fā)射器工作是否順暢、傳播途中是否有外來物體遮擋、在何處遮擋、激光信號又在何處轉折或偏移都有準確指示，為后期檢修提供了極大便利。

2.防范報警系統(tǒng)的實施方案

2.1 虛擬周界作業(yè)區(qū)搭建

變電站施工工作現(xiàn)場為閉環(huán)作業(yè)區(qū)域，由定點柱圍成封閉區(qū)域。在定點柱上順次成對安裝激光對射設備，使誤入?yún)^(qū)域形成閉環(huán)監(jiān)控區(qū)域。激光發(fā)射器發(fā)射激光線束，當有作業(yè)人員誤入監(jiān)控區(qū)域時，激光線束被遮擋，接收探測器輸出報警電信號，監(jiān)控主機實時采集激光接收器報警輸出信號狀態(tài)，輸出聲光報警控制，啟動聲光報警[3]。變電站作業(yè)現(xiàn)場虛擬周界示意圖如圖2所示。

圖2 變電站作業(yè)現(xiàn)場虛擬周界示意圖

2.2 安裝激光對射系統(tǒng)

在變電站施工作業(yè)區(qū)域的邊界設立定點柱，并依次順向安裝激光對射探測器，利用激光技術構設虛擬周界閉環(huán)作業(yè)區(qū)域。同時，在作業(yè)區(qū)域定點柱上安裝視頻監(jiān)控高清攝像頭，構建基于數(shù)字化違章管控閉環(huán)監(jiān)控區(qū)域。正常狀態(tài)時，激光發(fā)射器發(fā)射激光光束，激光接收器接收，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。當有作業(yè)人員誤入閉環(huán)作業(yè)監(jiān)測區(qū)域時，會遮擋激光光束，激光接收器不能接收到激光光源，立即輸出報警電信號[4]。

3.本系統(tǒng)中開發(fā)過程中的抗干擾研究

電廠周邊不可避免的存在著各種信號的干擾，比如太陽輻射、通信信號或者電磁信號。在電廠安裝的設備需要具備一定的抗干擾能力，保障電廠的正常運行。同樣，在研發(fā)激光對射系統(tǒng)的過程中也需要考慮其抗干擾性能，由此可以成功克服太陽輻射、報警信號傳輸干擾等主要問題，并做如下詳細論證。

3.1 陽光干擾

太陽光具有照射或反射的作用，在陽光所發(fā)散的光中存在著與對射激光同樣的波長，所以，一旦與對射激光相同波長的太陽光被裝置接受就會導致裝置判斷失誤的情況發(fā)生，即射探測裝置失靈，難以判斷是否真的有異常情況，無法起到預警的作用。在該系統(tǒng)的試用階段，通過多次實驗也證明了上述情況存在的合理性[5]。

為了防止上述干擾情況的發(fā)生，對該裝置的研發(fā)進行了下一步的改良，即在該裝置的兩端同時配備紅外入侵探測器。該探測器可以主動識別所接收的信號是否為干擾信號，并主動排除，該功能的實現(xiàn)依托于由編碼調制的發(fā)射器和接收器，并以互射式的方法工作[3]。所以從理論上，該研發(fā)產(chǎn)品可以一定程度上抵抗在短時間內(nèi)單向度直接照射的陽光對接收信號造成的干擾。然而，在實際的實驗應用中，又引發(fā)其他的問題。由于多對同種類型的探測器被集中安裝在同一場所使用，這些同類的探測器所發(fā)射的紅外線波長相同，導致增加了相同波長的長時間干擾源，出現(xiàn)新的狀況。具體措施如下：

（1）在端口加窄距過濾光片。

（2）在激光對射外殼上加裝遮陽蓋，反射陽光輻射。

（3）激光對射系統(tǒng)的發(fā)射端背光安裝，與接收端與發(fā)射端相對。

激光對射系統(tǒng)中的發(fā)射端受太陽光的影響比較大。所以要背光安裝，具體的原則如下：

當圍界防區(qū)為南北方向時，發(fā)射端安裝在背光側即北側，接收端安裝在南側；當圍界防區(qū)為東西方向時，考慮到陽光上午強度大，發(fā)射端安裝在東側，接收端安裝在西側；當圍界防區(qū)為非正南正北方向時，發(fā)射端安裝在北側，接收端安裝在南側。

3.2 報警信號的傳輸中的干擾

3.2.1 信號傳輸中的干擾的來源

邊界上的電源線一般通過地埋的方式，由于控制線離電源線較近，需要對信號線路采取保護的措施，否則信號會受到電源所帶有磁場的干擾。此外，由于天氣原因，在夏季多是雷雨天氣，雷電會產(chǎn)生強大且瞬變的可變磁場，其通過接地電阻耦合或感應耦合方式入系統(tǒng)的電源或控制電路中，對信號傳輸造成干擾。另外，無線電廣播、電視、雷達和移動通信也能通過圍界中的激光設備及線路干擾信號傳輸[5]。

地電流干擾指的是接地系統(tǒng)混亂時的干擾。接地系統(tǒng)由信號回路地、屏蔽地、本質安全地和保護地組成。由于大地電勢分布不均勻，接地系統(tǒng)混亂對激光對射系統(tǒng)造成了干擾。具體來說，實際的大地電阻不為零，因此，當大地中流過電流時，大地各點上就會產(chǎn)生不同電位，因此造成不同接地點間出現(xiàn)電位差，產(chǎn)生環(huán)路電流。

電網(wǎng)為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的供電電源。電網(wǎng)具有廣泛的覆蓋范圍，因此，當受到電磁波干擾時會在線路上感應到電壓和電流，形成內(nèi)部干擾。內(nèi)部干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元件及電路間相互的電磁輻射產(chǎn)生。電網(wǎng)內(nèi)部的這些變化都將通過輸電線路傳至激光對射系統(tǒng)，由此對信號傳輸造成干擾。

3.2.2 抗干擾措施

抗干擾措施主要分為兩個方面：一是消除干擾來源；二是在可能的情況下將干擾的影響減弱到最小，所以可以分為以下兩種方法。

（1）隔離、屏蔽。屏蔽指的是用金屬導體包圍被屏蔽的元件或者信號線。例如，采用鍍鋅鋼管做為信號線槽敷設的管路，可以消除磁場和靜電場的干擾。同時做好保護套管接地，完全消除靜電感應。另外，在鋪設信號線時要盡量避免干擾源，若電源線與信號線一樣沿機場周界敷設，則需要保證在敷設時需要保持一定的距離，且交叉角度為直角[5]。

（2）絞合。干擾電壓的大小，不僅受到交變磁場和電場的強度的影響，還包括磁場穿過信號線回路的面積大小的影響。選用絞合信號線能有效減少信號線回路所形成的面積，減弱磁場穿過受到的干擾。而且由于兩根信號線與干擾線之間是大致等距的，所以，在此周圍分布電容也大致相等，因而能夠減弱輸入端呈現(xiàn)的干擾電壓，消除靜電感應。對于低電平（熱電阻、熱電偶、電磁流量計、渦輪流量計）的信號線來說，由于存在于磁場干擾的環(huán)境中，采用屏蔽絞合線能起到很好的抑制干擾作用，保證變電站作業(yè)的順利就行。見表1。

表1 控制電纜與電力電纜最小間距表

4.結論

系統(tǒng)研發(fā)為電力系統(tǒng)安全運行提供了有力保障，確保了人身安全、杜絕了人身傷亡事故、排除了隱患，減少了損失，消滅了電網(wǎng)瓦解和大面積停電事故的發(fā)生，保障了電力用戶正常的生產(chǎn)運行，保障了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ畹恼＿M行。從間接層面為社會和國家創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，同時也能樹立良好的電力企業(yè)形象。