輸電線路檢修智能單兵裝備研究

徐興華，楊 波

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東 威海 264200；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

輸電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，為保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行線路運(yùn)檢至關(guān)重要［1］。輸電線路巡檢過(guò)程中常常需要高空作業(yè)，當(dāng)檢修現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障或其他突發(fā)情況時(shí)，需要高空作業(yè)人員和地面指揮人員進(jìn)行有效溝通，而目前溝通雙方主要使用對(duì)講機(jī)或者直接人工交流，這種傳統(tǒng)的方式往往無(wú)法對(duì)復(fù)雜的檢修現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行有效描述，存在不及時(shí)、不準(zhǔn)確的狀況，導(dǎo)致高空作業(yè)人員不得不返回地面和地面人員進(jìn)行面對(duì)面溝通，降低了檢修效率，其次，針對(duì)同塔架設(shè)多回線路部分線路停電的工作，為區(qū)別檢修線路和運(yùn)行線路，需對(duì)檢修線路標(biāo)示與運(yùn)行線路不同的顏色以示區(qū)別，高空檢修人員需攜帶同樣顏色的袖章作為安全提示，以保證作業(yè)人員的安全，這種檢修線路標(biāo)示顏色和袖章顏色一對(duì)一的傳統(tǒng)作業(yè)方式，存在袖章需求多，成本高，不便于維護(hù)，警示袖章和線路編號(hào)不能實(shí)時(shí)更新，不利于計(jì)算機(jī)輔助工作，只能靠紙面進(jìn)行記錄的缺點(diǎn)，使用不方便。另外，由于高空作業(yè)巡視檢修工作時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)重，高空作業(yè)人員面臨較大的心理壓力和繁重的勞動(dòng)，導(dǎo)致工作人員存在工作一段時(shí)間后暫時(shí)遺忘警示袖章顏色，或出現(xiàn)將線路編號(hào)忽略的情況，增加了作業(yè)人員誤觸高壓帶電線路的可能性，同時(shí)，線路的運(yùn)檢記錄及檢修質(zhì)量，使用紙張建檔，既不形象，又不便于管理［2］。

電力輸電運(yùn)檢工智能單兵裝備是實(shí)現(xiàn)線路安全運(yùn)檢和建立可視化檔案的智能裝備。它能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路帶電狀態(tài)，具有動(dòng)態(tài)更新輸電巡檢工作人員佩戴的電子袖章底色和文字功能，可實(shí)現(xiàn)高空和地面作業(yè)人員之間實(shí)時(shí)音視頻通話，建立可視化運(yùn)檢檔案。

1 裝備組成

電力輸電運(yùn)檢工智能單兵裝備組成如圖1所示。

圖1 電力輸電運(yùn)檢工智能單兵裝備組成

高壓帶電測(cè)量系統(tǒng)主要由傳感器和報(bào)警器組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路帶電狀態(tài)。

電源系統(tǒng)為單兵裝備供電，包括光伏發(fā)電、鋰電池和控制電路3部分。

電子袖章可替代傳統(tǒng)袖章，通過(guò)電子設(shè)備顯示檢修線路的線路號(hào)和顏色標(biāo)識(shí)，由LED顯示器和PC機(jī)管理軟件2部分組成。LED顯示器，選擇彩色高亮LED顯示器，PC機(jī)管理軟件選用.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，軟件主界面如圖2所示。

圖2 電力輸電運(yùn)檢工單兵裝備電子袖章主界面

無(wú)線音視頻通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高空和地面作業(yè)人員之間實(shí)時(shí)音視頻通話，傳輸音頻和視頻信號(hào)，采用2.4 G WIFI無(wú)線方式進(jìn)行通信，建立可視化運(yùn)檢檔案。

2 高壓帶電測(cè)量系統(tǒng)

高壓帶電測(cè)量系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和報(bào)警3部分，如圖3所示。用于采集高壓電纜外側(cè)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)處理后得到高壓電纜的實(shí)時(shí)電壓值。

圖3 高壓帶電測(cè)量系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集

通過(guò)傳感器采集高壓線纜外側(cè)電磁感應(yīng)信號(hào)，傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器采集的信號(hào)中存在干擾信號(hào)，主要包括高頻干擾信號(hào)和同頻干擾信號(hào)。干擾模擬如圖5～8所示。

圖5 高頻信號(hào)干擾模擬

圖6 高頻信號(hào)干擾疊加模擬

圖7 同頻信號(hào)干擾模擬

圖8 同頻信號(hào)干擾疊加模擬

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是高壓帶電檢測(cè)的核心，三相信號(hào)采集到單片機(jī)后，需要加入高精度算法進(jìn)行信號(hào)處理。

對(duì)受到的高頻干擾信號(hào)，采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)的方法進(jìn)行處理。其基本思想是利用一個(gè)稱作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)元素的“探針”，將待處理信號(hào)的信息存放在“探針”中，信號(hào)各個(gè)部分之間的相互關(guān)系可依靠探針在信號(hào)中不斷移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行膨脹、腐蝕運(yùn)算，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算以及閉運(yùn)算等。通過(guò)處理，該算法可以有效地消除高頻信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)的干擾。

對(duì)于受到的同頻干擾信號(hào)，由于三路都是相同頻率的信號(hào)，一旦疊加，所有的濾波方法基本上都會(huì)失效，因?yàn)榀B加后就是一個(gè)正弦信號(hào)，是無(wú)法進(jìn)行分解的，無(wú)論是在時(shí)域還是頻域，都不能采用傳統(tǒng)的方法。對(duì)同頻干擾的消除，依據(jù)的是相關(guān)性理論。

普通的方法無(wú)法將同頻信號(hào)識(shí)別，是因?yàn)槔硐肭闆r下疊加后的信號(hào)成為同頻的一個(gè)新的單一信號(hào)。在實(shí)際的采樣過(guò)程中，每次采集到的數(shù)據(jù)并不完全相同，因此我們可以借助于2個(gè)周期間數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，進(jìn)行相應(yīng)的處理，再用相關(guān)性理論，求信號(hào)間的近似程度。算法采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行迭代，最后找到相似性最大的信號(hào)。重復(fù)上述過(guò)程，在采樣一定的次數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后，便可確定出有效信號(hào)和干擾信號(hào)間的比例關(guān)系，從而對(duì)其進(jìn)行有效消除。

系統(tǒng)算法采用dsPIC30F4013單片機(jī)完成，將上述算法改成在單片機(jī)上運(yùn)行的程序，編程后在dsPIC30F4013單片機(jī)中運(yùn)行。在計(jì)算時(shí)，利用單片機(jī)提供的模擬輸入通道AN2，AN3，AN4，對(duì)通道進(jìn)行掃描，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機(jī)主程序流程如圖9所示。

圖9 單片機(jī)部分的實(shí)現(xiàn)功能流程

2.3 聲光報(bào)警

根據(jù)安全距離設(shè)定，在運(yùn)檢工距帶電線纜距離小于安全距離時(shí)，在dsPIC30F4013單片機(jī)控制下，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED，完成聲光報(bào)警。

3 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)為單兵裝備提供12.0 V，3.3 V和4.2 V 3種電壓，最大電流分別為500mA，660mA和90mA，電源最大功率10 W。

3.1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用6.8 Ah聚合物鋰電池組作為核心儲(chǔ)能元件，工作中即可通過(guò)光伏發(fā)電裝置和DC／DC變換器對(duì)其充電，其中光伏電池板最大輸出功率為20 W，也可以由220 V市電經(jīng)過(guò)AC／DC變換器對(duì)進(jìn)行充電，市電電源最大輸出功率為15 W，光伏充電和市電充電的選擇通過(guò)控制電路的MCU進(jìn)行切換，具有方便靈活的特點(diǎn)，高空作業(yè)人員在地面時(shí)候可以用市電充滿電，在進(jìn)行高空作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)用光伏充電，提高了系統(tǒng)在野外的使用時(shí)間，電源系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 電源系統(tǒng)框

3.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是運(yùn)檢人員在野外及高空作業(yè)時(shí)的主要能量來(lái)源裝置，光伏電池板采用柔性制造技術(shù)，可折疊裝入特制箱組、便于運(yùn)檢人員攜帶且組裝靈活，光伏電池板輸出電能經(jīng)過(guò)DC／DC變換電路為高能鋰電池組及負(fù)載供電，使得系統(tǒng)持續(xù)供電能力得到加強(qiáng)［3］。

3.3 高能鋰電池組

系統(tǒng)采用6.8 Ah聚合物鋰電池組作為儲(chǔ)能裝置，高能鋰電池組具有能量密度大、壽命周期長(zhǎng)、安全性能高、不污染環(huán)境，便于攜帶的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式移動(dòng)設(shè)備中。在電力系統(tǒng)供電時(shí)，將電力系統(tǒng)作為能量來(lái)源對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電并為負(fù)載提供能量來(lái)源，光伏供電時(shí)如果光照強(qiáng)度較大時(shí)，且光伏電池板的能源滿足對(duì)負(fù)載需求時(shí)選用光伏電池板直接為負(fù)載供電，當(dāng)光照強(qiáng)度較弱，光伏供電不足以滿足負(fù)載需求時(shí)，不足部分由鋰電池組對(duì)負(fù)載供電，保證電力負(fù)荷的供電得到滿足。

光伏電池板采用最大功率跟蹤工作方式，保證最大限度的利用太陽(yáng)能，提高效率，同時(shí)對(duì)鋰電池組的充放電控制策略進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)鋰電池組充電損耗最小。由于鋰電池的充放電次數(shù)有一定限度，采用合理的電能管理技術(shù)，在滿足負(fù)荷供電的基礎(chǔ)上減少鋰電池組充放電次數(shù)，延長(zhǎng)鋰電池的最長(zhǎng)使用壽命［4］。高能鋰電池組的控制部分由鋰電池運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)模塊、電源切換控制模塊、光伏電池板檢測(cè)模塊組成。鋰電池運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)模塊通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池的運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)包括電壓、電流、電阻、溫度等，防止鋰電池在使用中出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放的情況。電源切換控制模塊負(fù)責(zé)判斷使用市電充電和光伏電池充電之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)檢測(cè)當(dāng)電力系統(tǒng)供電時(shí)進(jìn)行充電，否則使用光伏電池充電。通過(guò)光伏電池板檢測(cè)模塊對(duì)光伏電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，最終通過(guò)MCU的實(shí)時(shí)控制光伏電池板對(duì)高能鋰電池組的充電與否，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的電壓，同時(shí)保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行［5］。

4 結(jié)語(yǔ)

研制一套集成化、智能化的單兵運(yùn)檢裝備。通過(guò)使用單兵裝備，為安全生產(chǎn)提供了技術(shù)裝備，運(yùn)檢人員勞動(dòng)強(qiáng)度顯著降低，實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢過(guò)程的可視化建檔，提高了運(yùn)檢裝備的智能化水平，提高了運(yùn)檢工作效率和質(zhì)量，能夠滿足當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展對(duì)運(yùn)檢人員的要求。