基于變電站汽吊作業(yè)安全距離告警系統(tǒng)研發(fā)

(國網(wǎng)宜賓供電公司，四川 宜賓 644000)

0 引 言

在變電站進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或部分間隔停電檢修時(shí)，需要用到吊車等設(shè)備進(jìn)行輔助工作。在吊車工作時(shí)，會(huì)有旁邊間隔帶電的情況發(fā)生。而吊車斗臂在旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的過程中，按照《國家電網(wǎng)公司電力工作安全規(guī)程》[1]的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)保持一定的安全距離。在實(shí)際操作過程中，沒有相應(yīng)的測量措施，只能依靠現(xiàn)場指揮人員目測安全距離來提醒吊車司機(jī)，這樣會(huì)造成與帶電設(shè)備及母線的距離小于安全距離的情況，最后導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

為了避免吊車斗臂轉(zhuǎn)動(dòng)過程中誤碰帶電設(shè)備，減少安全事故發(fā)生，所以決定研制吊車作業(yè)距離帶電設(shè)備自動(dòng)檢測報(bào)警系統(tǒng)。

1 模型及原理

吊車作業(yè)安全告警系統(tǒng)檢測3D模型如圖1所示。假定圖1中圍欄內(nèi)為待檢修設(shè)備，圍欄以外為帶電設(shè)備，吊車斗臂作業(yè)范圍必須在圍欄以內(nèi)。作業(yè)過程中，吊車斗臂距離地面高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圍欄0.8 m高度，那么吊車斗臂距離旁邊帶電設(shè)備距離唯有依靠人眼經(jīng)驗(yàn)判斷，存在極大誤差，難以準(zhǔn)確把握。結(jié)合傳感器檢測技術(shù)，在作業(yè)范圍內(nèi)構(gòu)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(shí)時(shí)采集斗臂與所設(shè)置邊界點(diǎn)的距離并傳送至儀器后臺(tái)，利用海倫模型算出斗臂與虛擬墻壁的垂直距離。當(dāng)檢測距離小于《國家電網(wǎng)公司安全工作規(guī)程》規(guī)定的安全距離時(shí)，進(jìn)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(jì)算出的吊車斗臂到帶電區(qū)域(A1-A2構(gòu)成的垂直于水平面的面)的空間垂直距離。(b)理論計(jì)算模型圖1 吊車作業(yè)安全告警系統(tǒng)檢測

理論計(jì)算模型中相關(guān)計(jì)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h(yuǎn)0為

三角形T0-A1-A2面積S2為

三角形T0-A1-A2高h(yuǎn)1為

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

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)值h2與《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》吊車作業(yè)安全距離D進(jìn)行判斷，D值如表1所示：當(dāng)h2大于D時(shí)，裝置正常運(yùn)行，告警裝置不動(dòng)作；當(dāng)h2小于D時(shí)，告警裝置動(dòng)作，發(fā)出告警信號(hào)。

表1 吊車斗臂與帶電體最小安全距離D

2 方案優(yōu)選及裝置研制

2.1 方案優(yōu)選

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，該裝置的總體設(shè)計(jì)方案分為3部分，即距離測試(步驟1)、數(shù)據(jù)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(diǎn)t0空間位置隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此，該裝置研發(fā)的重點(diǎn)難度為(步驟1)。根據(jù)傳感器技術(shù)應(yīng)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(jìn)行距離的測量；方案2是采用UWB[3]方案進(jìn)行距離測量。兩種方案對(duì)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(jìn)行距離測量。

2.2 裝置研制

根據(jù)系統(tǒng)的要求以及需要實(shí)現(xiàn)的功能，將裝置分為三大板塊：傳感器板塊、單片機(jī)板塊以及報(bào)警器板塊，如圖3所示，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表2 方案對(duì)比分析

表3 測量數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 汽吊作業(yè)安全距離告警系統(tǒng)裝置

圖4 硬件結(jié)構(gòu)

報(bào)警器板塊由單片機(jī)模塊、UWB傳感器和警示裝置組成，對(duì)超過安全距離的情況進(jìn)行報(bào)警。

單片機(jī)模塊，是整個(gè)裝置的神經(jīng)中樞，用以處理數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)算法完成距離檢測，并控制報(bào)警器。UWB傳感器板塊主要負(fù)責(zé)距離測量的發(fā)射與接收，其測距的原理為s=vt，式中：s為發(fā)送端和接收端之間的距離(每個(gè)模塊既可以做發(fā)送端也可以作為接收端)；v為光速；t為傳輸?shù)臅r(shí)間，通過獲取發(fā)送端和接收端的時(shí)間差即可計(jì)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(xiàn)有的測量距離模塊可高達(dá)到500 m，能夠極大滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。警示裝置，對(duì)超過安全距離的情況進(jìn)行報(bào)警。

該裝置于現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，其效果良好。

3 測試數(shù)據(jù)分析

由圖1可知，整個(gè)裝置最原始的測量數(shù)據(jù)是T0-A0 、T0-A1、T0-A2、A0-A1、A0-A2、A1-A2的距離，但實(shí)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(shù)據(jù)可以看出，實(shí)際距離和裝置測量距離似乎存在一定的線性關(guān)系，因此，通過最小二乘法[4]擬合出一個(gè)線性關(guān)系，如圖5所示。擬合之后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

通過算法擬合后的數(shù)據(jù)和實(shí)際距離的最大誤差在±7 cm內(nèi)，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(jìn)行了現(xiàn)場檢驗(yàn)，如圖6所示。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，裝置報(bào)警的時(shí)候，報(bào)警器設(shè)定的安全距離和實(shí)際測量距離誤差均小于±40 cm，滿足最初設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場實(shí)際需求。

圖5 數(shù)據(jù)擬合曲線及擬合公式

實(shí)際距離/cm擬合之后的數(shù)據(jù)和實(shí)際距離的差值(擬合之后的數(shù)據(jù)-實(shí)際距離)/cm最大誤差絕對(duì)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(xiàn)場應(yīng)用

表5 某220 kV變電站現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步分析誤差數(shù)據(jù)的合理性，對(duì)其誤差值采用單因子二項(xiàng)分析[5]，分析結(jié)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(jìn)一步論證數(shù)據(jù)滿足要求，能夠在現(xiàn)場得以應(yīng)用推廣。

圖7 誤差二項(xiàng)均值分析

4 結(jié) 語

通過單片機(jī)技術(shù)與運(yùn)動(dòng)物體測距傳感器技術(shù)結(jié)合構(gòu)建虛擬“口”型三維空間，研發(fā)變電站汽吊作業(yè)安全距離告警系統(tǒng)。根據(jù)研究成果得出以下結(jié)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(duì)測試精度的影響，其虛擬空間根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)試設(shè)置。

2)對(duì)于監(jiān)測隨機(jī)運(yùn)動(dòng)物體間距離，傳統(tǒng)超聲波傳感器受測試角度、精度影響滿足不了現(xiàn)場實(shí)際需求；采用了UWB電磁波技術(shù)進(jìn)行測試，測試信號(hào)不受變電站強(qiáng)電磁場干擾。

3)該裝置在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，能實(shí)時(shí)采集斗臂距離虛擬空間壁面距離，并發(fā)出告警信號(hào)。