基于虛擬周界的激光對射技術(shù)在變電站作業(yè)中的應(yīng)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(qiáng)度高、方向性好、隱蔽性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，當(dāng)前被廣泛用于監(jiān)獄、看守所、軍事基地等需要重點(diǎn)監(jiān)護(hù)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(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)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(qiáng)度小于探測器接受強(qiáng)度的閾值，便會發(fā)出報警信號。

1.虛擬周界激光對射技術(shù)概述

1.1 激光對射技術(shù)應(yīng)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(dāng)接收機(jī)能收到激光射束為正常狀態(tài)；而當(dāng)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(jī)[1]。監(jiān)控主機(jī)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(jìn)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(shù)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(jī)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(yù)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(jìn)的圖像處理技術(shù)，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(guān)負(fù)責(zé)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(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

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(yīng)對惡劣氣候條件的適應(yīng)能力有明顯的優(yōu)勢，大大提高了本系統(tǒng)的應(yīng)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(jié)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(guān)數(shù)據(jù)表明激光傳輸過程中往往能表現(xiàn)很強(qiáng)的穿透力，更能適應(yīng)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(dǎo)致信號干擾的苦惱，強(qiáng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定

本系統(tǒng)通體采用鋼、鐵等復(fù)合金屬材料打造并電鍍防銹漆面，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)精密。激光對射系統(tǒng)及涉及的光學(xué)部件全部按照精密儀器加工而成，系統(tǒng)內(nèi)外結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(fēng)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(qiáng)

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(shè)備產(chǎn)生額外電磁干擾。

1.2.4 調(diào)試檢修方便

激光對射系統(tǒng)內(nèi)部配套的激光定位儀進(jìn)行周界范圍的調(diào)試，室內(nèi)調(diào)試精度可達(dá)毫米級，室外調(diào)試精度也能到達(dá)厘米級?？梢栽谌魏螘r間、環(huán)境下準(zhǔn)確快捷地指導(dǎo)檢修與調(diào)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(cè)面也減小了強(qiáng)光光束對安裝和運(yùn)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(zhuǎn)折或偏移都有準(zhǔn)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(diǎn)柱圍成封閉區(qū)域。在定點(diǎn)柱上順次成對安裝激光對射設(shè)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(dāng)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(jī)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(shè)立定點(diǎn)柱，并依次順向安裝激光對射探測器，利用激光技術(shù)構(gòu)設(shè)虛擬周界閉環(huán)作業(yè)區(qū)域。同時，在作業(yè)區(qū)域定點(diǎn)柱上安裝視頻監(jiān)控高清攝像頭，構(gòu)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(dāng)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(shè)備需要具備一定的抗干擾能力，保障電廠的正常運(yùn)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(xì)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(dǎo)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(yù)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(jìn)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(diào)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)圍界防區(qū)為南北方向時，發(fā)射端安裝在背光側(cè)即北側(cè)，接收端安裝在南側(cè)；當(dāng)圍界防區(qū)為東西方向時，考慮到陽光上午強(qiáng)度大，發(fā)射端安裝在東側(cè)，接收端安裝在西側(cè)；當(dāng)圍界防區(qū)為非正南正北方向時，發(fā)射端安裝在北側(cè)，接收端安裝在南側(cè)。

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(hù)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(qiáng)大且瞬變的可變磁場，其通過接地電阻耦合或感應(yīng)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(dá)和移動通信也能通過圍界中的激光設(shè)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(zhì)安全地和保護(hù)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(dāng)大地中流過電流時，大地各點(diǎn)上就會產(chǎn)生不同電位，因此造成不同接地點(diǎn)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(dāng)受到電磁波干擾時會在線路上感應(yīng)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(dǎo)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(shè)的管路，可以消除磁場和靜電場的干擾。同時做好保護(hù)套管接地，完全消除靜電感應(yīng)。另外，在鋪設(shè)信號線時要盡量避免干擾源，若電源線與信號線一樣沿機(jī)場周界敷設(shè)，則需要保證在敷設(shè)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(qiáng)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(yīng)。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(jié)論

系統(tǒng)研發(fā)為電力系統(tǒng)安全運(yùn)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(yùn)行，保障了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ畹恼＿M(jìn)行。從間接層面為社會和國家創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，同時也能樹立良好的電力企業(yè)形象。