基于激光測距的變電站機械作業安全預警系統

周曉磊 馬 保 靳瑩瑩 王曉蕾 王 鵬

（登封市供電公司）

0 引言

變電站是變換電壓和電流大小、接收并分配電能的場所，在現代電力系統中，各種電壓等級的變電站在電能傳輸中發揮著樞紐作用，是電能分配的重要支撐點[1-2]。隨著社會經濟發展，變電站電壓等級越來越高，同時站內設備體積和重量也隨之增加，為提高效率，變電站內的施工中需要用到大量大型機械輔助開展吊裝作業。變電站內工況復雜，尤其是改擴建工程，其站內往往存在帶電區域，大型機械在停電區域作業時，因視角問題，無法發現機械臂越過安全線靠近帶電區[3]，并且大多數機械未安裝近電禁止器，帶來較高安全風險[4]。

目前常用的測距方法有：移動定位服務系統（Location Based Service，LBS）、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、紅外線和超聲波等，變電站屬于設備密集和高電磁干擾的環境，LBS、紅外和超聲波無法正常使用，而GPS 無法在變電站這種非公開可視范圍內使用[5]。激光測距是近年來普及的新型測距方法，具有非接觸、高抗電磁干擾和高精度的優點[6-8]，同時不受衛星可視限制。本文提出以激光雷達為基礎，設計對空測距裝置，當機械超出安全作業面時發出聲光報警信號，告知設備駕駛員出現越界問題。

本文首先介紹激光測距技術，接著分析變電站內典型作業區域[9]，以此為基礎，給出基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統的總體設計和預警流程，最后開展預警系統測試。

1 激光測距技術

根據測距原理，激光測距技術有脈沖式、相位式和三角法三類，各種方式優缺點詳見表1。從表1可以看出，激光相位式測距方法最適用于變電站內大型機械施工工況。

表1 三類激光測距技術特點

相比于脈沖式測距中距離為光速乘時間差的直接計算方法，相位式測距采用調制激光束并測定激光往返測程一次產生的相位延遲換算距離的間接計算法，即利用發射激光束與反射激光束之間的相位差計算測程長度，如圖1 所示。

圖1 相位式激光測距示意圖

由圖1 可以推導出相位式測距計算為：

式中，x為測程長度；c為激光速度；f為調制波頻率；φ為發射波與接收波的相位差；N為整數尺；ΔN為余尺。

2 變電站內典型作業區域

2.1 三維半球區域

吊車等大型機械的施工范圍以吊臂可工作空間為基礎確定，常規大型吊車吊臂運動有底盤360°旋轉、吊臂上下90°旋轉和吊臂徑向長度伸縮三個自由度，是典型的球坐標體系，具體見圖2。考慮到實際中吊臂不可能向基座以下旋轉，因此本文分析三維半球典型作業區域，此典型區域適用于機械可工作范圍大、設備稀疏的場景，在機械工作范圍小、設備復雜時可根據半球形區域內最靠近機械的帶電區域設定安全距離，也可以視作三維半球典型作業區域。

圖2 三維半球作業區域示意圖

三維半球區域中底盤和吊臂的上下旋轉自由度均不涉及距離量，因此僅需取吊臂徑向長度作為安全預警系統的判斷值：

式中，l為吊臂徑向長度；LThreshod為吊臂徑向長度預警值。

2.2 長方體區域

在變電站改擴建現場，大型機械在停電間隔進行吊裝作業，工作區域局限在指定間隔內，其中變電站內典型的主變間隔和線路間隔都是長方體區域，為盡可能擴大工作區域同時減少旋轉面，吊車等機械往往位于長方體的某一側面，具體如圖3 所示。

圖3 長方體作業區域示意圖

由于吊車位于長方體的側面，不同底盤旋轉角度和吊臂上下旋轉角度時，吊臂可工作的徑向長度均不同，考慮到實際變電站中同一坐標下不同高度區域均屬同一間隔，即沿圖3 中z軸方向上帶電狀態相同，那么長方體區域可視作高度無窮高，所以吊臂上下旋轉角度不會導致越界問題，為簡化安全預警系統判斷值的計算，將三維長方體區域簡化為圖4 所示二維長方形區域，不過需考慮圖4 中吊臂徑向長度應為實際吊臂長度在地平面的投影，而非吊臂實際長度，即：

圖4 二維長方形作業區域示意圖

式中，l為實際吊臂長度；lxOy為吊臂在二維長方形區域的等效長度；ψ為吊臂與xOy平面的夾角。

長方體區域中吊臂的上下旋轉自由度對越界問題的影響已由上式考慮，下面僅需分析底盤旋轉和吊臂徑向長度兩個自由度對安全預警系統判斷值影響，為方便分析僅考慮吊臂在Oy軸右側：

式中，θ為底盤旋轉角度；θTh為吊臂在安全范圍內能伸至最長對應的角度，即計算公式變換的界限角度；a為長方體區域的寬；b為長方體區域的長。

3 系統總體設計和預警流程

3.1 總體設計

基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統架構包括設備層、數據層和邏輯層，具有指令下發、硬件設備、工作區域識別、工作面計算和邏輯分析等功能，如圖5 所示。

圖5 基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統設計圖

設備層由指令下發和硬件設備兩個模塊組成，指令下發主要是機械操作員根據作業區域下發工況指令，確定機械處在三維半球形區域還是長方體區域，這是預警系統運行的首要前提；硬件設備主要用于激光測距，根據前面分析的典型工作區域，激光測距僅需測量吊臂徑向長度，底盤旋轉角度和吊臂上下旋轉角度由吊車自身提供。將激光發射源置于吊臂與吊車底盤對接處，并且可隨底盤360°和吊臂上下90°旋轉，始終確保激光發射路徑與吊臂同向。將激光反射裝置置于吊臂頂端，并且可隨吊臂徑向伸縮移動，始終與激光發射路徑垂直。

數據層由工作區域識別和工作面數據計算兩個模塊組成，工作區域識別是根據指令確定吊車所處典型工作區域，工作面數據計算是根據激光測得徑向長度、底盤旋轉角度和吊臂上下旋轉角度描繪當前工作面。邏輯層由安全預警邏輯分析模塊組成，根據數據層識別的工作區域和描繪的實時工作面，判斷是否發出越界預警信息。

3.2 預警流程

基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統的工作流程如圖6 所示。

圖6 基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統流程圖

一個安全預警流程判斷周期以下發指令為起始，下發何種指令由機械操作員會商確定，指令包含工作區域種類和安全工作面，其中三維半球區域種類識別碼為0，其安全工作面參數為半球半徑；長方體區域種類識別碼為1，其安全工作面參數為吊車所在長方體的長寬。根據以激光測距模塊和吊車底盤、吊臂旋轉角度測量模塊實時獲得的距離和角度數據描繪吊車的實時工作面，接著進入吊車實時工作面與安全工作面比對環節，如實時工作面處在安全工作面內，則進入下一判斷周期，如實時工作面達到或超出安全工作面，則進入報警模塊，觸發吊車駕駛室內揚聲器和發光二極管，以聲光報警信號告知吊車駕駛員。

4 預警系統測試

2023 年10 月17 日在某220kV 交流變電站內主變間隔擴建現場進行了系統測試，所擴主變間隔位于變電站主變區的最東側，現場可作業區域及標定的安全圍欄均為長方體區域。在主變擴建間隔所用吊車上安裝激光測距裝置，并在吊車駕駛室內加裝基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統所用的數據采集和分析模塊、越界邏輯判斷模塊。

測試時為確保現場人員和設備安全，特在指令下發時將安全作業面參數較實際值減小1m，測試結果表明實際工作面在距設定安全工作面超過0.1m 時均能準確給出判斷結果，受限于激光測距精度，在設定安全工作面±0.1m 內判斷結果未知，如表2 所示。

表2 220kV 變電站主變擴建現場測試結果

5 結束語

通過變電站主變間隔擴建現場測試結果可以看出，本文設計的基于激光測距的變電站機械施工作業安全預警系統能夠判斷機械實際工作面是否越界，雖然受限于測距裝置精度在±0.1m 內無法準確判斷，但考慮現場吊車等機械移動量，該誤差可以忽略。本文所提系統能夠提高變電站吊裝作業時實時工作面可觀、可測、可預警的同時，并未大幅增加吊車等機械改裝的成本和復雜度，在變電站改擴建施工現場具備可實行性。