基于三維可視化的直流電場(chǎng)安全距離預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)電電力雙維內(nèi)蒙古上海廟能源有限公司 張暄博 陳玉良

為解決火電廠項(xiàng)目運(yùn)行與施工環(huán)節(jié)安全預(yù)警系統(tǒng)存在的精度差、時(shí)率低等問(wèn)題，基于三維可視化理念建立數(shù)字化模型，引入超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)合成電場(chǎng)運(yùn)行原理采用旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)與超聲波雷達(dá)傳感器作為系統(tǒng)硬件，配合安全距離信號(hào)跟蹤、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警功能模塊的設(shè)計(jì)，最終將其應(yīng)用于某火電項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)節(jié)，測(cè)得該系統(tǒng)可有效發(fā)揮三級(jí)預(yù)警功能，安全距離最大誤差僅為1.8%、最大誤差絕對(duì)值為0.14m，滿足工程需求，為同類火電項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工安全管理提供重要參考。

近年來(lái)新能源的提速增量對(duì)于火電項(xiàng)目的活性改造與提質(zhì)增效提出現(xiàn)實(shí)要求，火電廠面臨的安全生產(chǎn)形勢(shì)漸趨嚴(yán)峻，雖然現(xiàn)行規(guī)程中對(duì)于施工機(jī)械與帶電體的最小安全距離做出嚴(yán)格限制，但仍無(wú)法避免在實(shí)際施工環(huán)節(jié)因安全距離測(cè)量精度差、估算不準(zhǔn)確等因素誘發(fā)觸電事故，威脅火電項(xiàng)目安全運(yùn)行及人員生命健康。研究一種高精度、抗干擾性能強(qiáng)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于維護(hù)火電項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)安全具有顯著現(xiàn)實(shí)意義。

1 建立數(shù)字化模型

1.1 建立模型

基于上海廟火電項(xiàng)目三維數(shù)字化移交系統(tǒng)平臺(tái)建立火電廠全生命周期三維數(shù)字化模型。在設(shè)計(jì)階段以1∶1高精細(xì)化模型為載體，將火電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、調(diào)試等不同階段多維異構(gòu)數(shù)據(jù)輸入模型中，建立模型、圖紙、文檔與數(shù)據(jù)資料的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二維平面圖紙與三維模型建的雙向聯(lián)動(dòng)機(jī)制，為火電廠項(xiàng)目建設(shè)管理、設(shè)備檢修、可視化安放以及模擬展示等場(chǎng)景的可視化管理提供模型基礎(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 信號(hào)采集裝置

選用BITTWAR 信號(hào)采集器，提供8 路開關(guān)、64 位芯體，配置FLASH 存儲(chǔ)器、SIM 卡接口，輸入電流25mA、輸入電壓10V、延遲時(shí)間18ns。利用該裝置進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集，支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享與自動(dòng)回復(fù)，滿足系統(tǒng)安全預(yù)警要求。系統(tǒng)采用集成式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)置若干功能模塊，分別搭載傳感器、交換機(jī)等硬件設(shè)備，并基于統(tǒng)一HTTP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信及資源共享。在裝置運(yùn)行環(huán)節(jié)，通過(guò)提取采集信號(hào)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較分析，判斷是否超過(guò)安全距離，執(zhí)行觸發(fā)告警或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)等操作。

1.2.2 超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)

基于三維可視化設(shè)計(jì)理念，引入KLC-8-5N-622超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)取代原有顯示器，該計(jì)算機(jī)運(yùn)行RISC處理器、搭載3D 圖形系統(tǒng)，可提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信號(hào)、數(shù)據(jù)信息的可視化處理，并在計(jì)算機(jī)屏幕端呈現(xiàn)出高清處理結(jié)果。

1.2.3 報(bào)警裝置

采用LKOP-260 報(bào)警器，提供電源、常開信號(hào)接線，內(nèi)置GTF2640 芯片、提供語(yǔ)音提示功能。將裝置電阻設(shè)為100kΩ，以6.5kHz 頻率、20m 距離、360°執(zhí)行采樣操作，將其與旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)、超聲波傳感器進(jìn)行同步安裝，當(dāng)測(cè)得系統(tǒng)安全距離超出設(shè)定閾值后，即自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警提示功能，用于提示管理人員及操作人員。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 信號(hào)跟蹤模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)、超聲波傳感器采集的安全距離信號(hào)，預(yù)先定義一個(gè)監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)值組，根據(jù)三級(jí)預(yù)警機(jī)制對(duì)不同強(qiáng)度信號(hào)分別提取一個(gè)緯度賦值，用于獲取監(jiān)測(cè)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)設(shè)的安全距離預(yù)警閾值，將上述信號(hào)經(jīng)分析處理后形成智能化預(yù)警指標(biāo)，用于對(duì)信號(hào)發(fā)送點(diǎn)位及傳輸路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)安全信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤。

1.3.2 信號(hào)可視化模塊設(shè)計(jì)

在基于可視化技術(shù)引入超級(jí)可視化計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用3D 建模、渲染等工具進(jìn)行抽象信號(hào)傳輸路徑的可視化呈現(xiàn)，以投影方式直觀呈現(xiàn)在監(jiān)控畫面端，供系統(tǒng)管理人員及現(xiàn)場(chǎng)操作人員查看監(jiān)控圖形及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)安全距離的可視化呈現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)安全距離信號(hào)進(jìn)行可信任度、可視化清晰度的定義，根據(jù)信號(hào)變化幅值計(jì)算結(jié)果得到映射值，并將終端數(shù)據(jù)傳輸，即可獲取信號(hào)指數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而識(shí)別干擾測(cè)試結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)量及其具體分布位置，輔助完成干擾源排查及故障處理。

2 安全距離預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用及可視化管理

2.1 施工期智慧安防

合成電場(chǎng)在靜電場(chǎng)與電暈引起的離子疊加作用下形成[1]。以火電項(xiàng)目高壓廠用母線為例，母線周圍直流電場(chǎng)將決定母線尺寸與線路電壓，當(dāng)母線產(chǎn)生電暈后，將使空間帶電離子沿極性相反方向或?qū)Φ匾苿?dòng)，形成離子流場(chǎng)，并與標(biāo)稱電場(chǎng)疊加成為合成電場(chǎng)，但空間帶電離子不會(huì)影響直流電場(chǎng)儀的測(cè)量精度，因此可將其忽略不計(jì)。以火電廠內(nèi)高壓直流線路現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目為例，為保證在施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制安全距離，提出一種安全距離預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)任意測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量該點(diǎn)位的電場(chǎng)強(qiáng)度值，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)與帶電體之間的距離，并根據(jù)GB 26859-2011 中對(duì)于施工機(jī)械、帶電體之間最小安全距離作出的規(guī)定進(jìn)行數(shù)值比較（如表1所示），由此調(diào)動(dòng)智慧安防功能模塊進(jìn)行電子圍欄安裝位置、安裝方案的可視化呈現(xiàn)，并以數(shù)字化移交方式構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及模型庫(kù)，形成實(shí)體電廠模型[2]。

表1 現(xiàn)行規(guī)程中的最小安全距離Tab.1 Minimum safety distance in current regulations

2.2 旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)測(cè)量

要想保證直流電場(chǎng)安全，不僅要建立三維模型、調(diào)整硬件和軟件配置，還要對(duì)直流場(chǎng)強(qiáng)等安全距離相關(guān)指數(shù)進(jìn)行測(cè)量，確保預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)各項(xiàng)指數(shù)，及時(shí)啟動(dòng)預(yù)警功能，同時(shí)根據(jù)危險(xiǎn)源危險(xiǎn)系數(shù)、可能引起的安全事故，對(duì)其所處風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判斷，為管理風(fēng)險(xiǎn)源等工作的開展提供便利。事實(shí)證明，只有這樣才能使智能預(yù)警有效性達(dá)到預(yù)期。

2.2.1 直流場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量

根據(jù)直流電場(chǎng)分布特征，應(yīng)選擇高分辨率、高精度測(cè)量裝置進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)距。在微弱直流電場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)與處理環(huán)節(jié)，借鑒采用運(yùn)算放大器放大交流信號(hào)的基本原理，引入一種旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)作為測(cè)量裝置，將該裝置移動(dòng)至現(xiàn)場(chǎng)高壓帶電體周圍，可將捕捉的微弱直流電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)，伴隨測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，裝置中定磨片暴露面積與感應(yīng)電荷量均呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，通過(guò)獲取測(cè)定的交流電流信號(hào)值，即可計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)分布區(qū)域范圍內(nèi)的直流場(chǎng)強(qiáng)[3]。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)量裝置測(cè)得的直流場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果進(jìn)行分解，以感應(yīng)面法向?yàn)閰⒄?，可分別沿水平、垂直方向延伸出具體分量，其中沿垂直方向的分量無(wú)法在磨片上形成感應(yīng)電荷，因此該裝置主要適用于測(cè)量直流場(chǎng)強(qiáng)的平行分量。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)測(cè)量

旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)作為一種測(cè)量設(shè)備，在圓片上對(duì)稱開設(shè)兩扇形缺口，將兩圓片正對(duì)、沿垂直方向間隔一定距離安裝在同一軸體上，組成裝置整體結(jié)構(gòu)，并保持兩圓片間的絕緣效果。將系統(tǒng)沿三個(gè)坐標(biāo)軸設(shè)置的旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)探頭測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值分別記為Ex、Ey和Ez，伴隨測(cè)量時(shí)間的延長(zhǎng)，將定磨片表面的電荷量設(shè)為qs(t)、暴露面積為A(t)，真空介電常數(shù)取值為ε0，以測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的x 軸分量Ex為例，則測(cè)點(diǎn)所在面積聚的電荷量計(jì)算公式如式（1）所示：

將磨片對(duì)數(shù)量n 取值為1，磨片轉(zhuǎn)速為ω，磨片半徑為d，定磨片有效面積為A0，測(cè)試時(shí)間為t，其中定磨片暴露面積A(t）與有效面積A0的比值為sin2nωt。已知空間帶電離子對(duì)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)的影響可忽略不計(jì)，則由此建立電流isx(t）計(jì)算公式如式（2）所示：

將采樣電阻阻值設(shè)為R0，采樣電壓為U，則分別建立x、y、z 三個(gè)方向上采樣電阻電壓與測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系式，如式（3）所示：

將測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)設(shè)為E，所測(cè)電壓值為U，根據(jù)三個(gè)方向上采樣電壓與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系式，可推導(dǎo)出測(cè)點(diǎn)電壓幅值Um與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，表示為如式（4）所示：

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)火電廠內(nèi)高壓母線進(jìn)行周圍場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，已知介電常數(shù)為ε、電容為C、電荷量為τ，母線對(duì)地電壓為U1、對(duì)地高度為H、等效半徑為r，母線與測(cè)點(diǎn)間距為L(zhǎng)，則母線電荷量及其與測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)E 的關(guān)系式分別為如式（5）和式（6）所示：

整合上述關(guān)系式，建立旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)的動(dòng)態(tài)特性描述方程，表示為如式（7）所示：

考慮到交直流區(qū)域之間具有一定電氣聯(lián)系，因此在直流區(qū)域內(nèi)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試時(shí)還需兼顧交流電場(chǎng)帶來(lái)的干擾因素，將交流電場(chǎng)信號(hào)設(shè)為E′，信號(hào)幅值為E′0，角速度為ω′。參考直流電場(chǎng)建立測(cè)點(diǎn)電壓幅值與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系式，已知直流電場(chǎng)的測(cè)量電壓頻率為fu=2ω，則交流電場(chǎng)的測(cè)量電壓頻率為f′=ω′±2ω。在實(shí)際信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)上，通過(guò)加入測(cè)量電壓頻率為f 的帶通濾波器，能夠在場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試環(huán)節(jié)有效排除交流電場(chǎng)信號(hào)干擾，保證測(cè)量結(jié)果精度。根據(jù)定磨片在直流電場(chǎng)中的暴露面積變化規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)選型與參數(shù)優(yōu)化，選取2 個(gè)半徑4cm 的1/4 圓狀不銹鋼片以29°拼接組成定磨片，定磨片有效面積為7.9cm2，傳動(dòng)軸半徑為0.4cm，借此保證信號(hào)輸出正弦波形。

2.3 超聲波雷達(dá)測(cè)距

在引入旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)測(cè)量直流場(chǎng)強(qiáng)的基礎(chǔ)上，考慮到火電項(xiàng)目實(shí)際施工過(guò)程中可能遇到停電問(wèn)題，為保證在停電狀態(tài)下系統(tǒng)仍可正常發(fā)揮預(yù)警提示功能，擬在原系統(tǒng)中加裝超聲波傳感器裝置[4]。已知超聲波在空氣中的傳播速度v 與環(huán)境溫度T 存在關(guān)聯(lián)性，即v=331.41+0.607T，將超聲波單次收發(fā)時(shí)長(zhǎng)設(shè)為t，則超聲波傳感器與障礙物的間距s 計(jì)算公式如式（8）所示：

在裝置實(shí)際安裝環(huán)節(jié)，采用數(shù)字化模型中提供的數(shù)字化移交功能進(jìn)行全廠三維數(shù)字化移交，基于上海廟火電項(xiàng)目三維數(shù)字化移交系統(tǒng)平臺(tái)輸入工程數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備安裝位置、圖紙及數(shù)據(jù)的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，為火電項(xiàng)目業(yè)主方、總包方與設(shè)計(jì)、建設(shè)、監(jiān)理等多參建主體提供數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)合作平臺(tái)。例如在超聲波雷達(dá)測(cè)距平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，采用漸進(jìn)式數(shù)字化移交模式，已知沿測(cè)點(diǎn)的x、y、z 三軸向均安裝有旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)探頭，可獲取電場(chǎng)強(qiáng)度的三維測(cè)量結(jié)果，并將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)回傳至信息化管理平臺(tái)中，輔助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)負(fù)挖量計(jì)算、安全施工距離測(cè)算等功能，提高施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理效率。通過(guò)獲取旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)的各軸向場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果，分別計(jì)算出測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)幅值、旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，用于輔助完成障礙物所在方位的分析與判斷。在此基礎(chǔ)上，將場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)測(cè)定結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)判斷超出閾值后自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警模塊，根據(jù)對(duì)應(yīng)的級(jí)別設(shè)置報(bào)警優(yōu)先級(jí)，并整合超聲波測(cè)距信號(hào)與報(bào)警閾值進(jìn)行同步比較，保證系統(tǒng)報(bào)警精度、避免發(fā)生漏報(bào)問(wèn)題。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

已知現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的電壓為500kV，設(shè)置3 級(jí)報(bào)警機(jī)制，各級(jí)報(bào)警距離分別為6.8m、7.8m 和8.8m，在各測(cè)點(diǎn)處重復(fù)測(cè)量20 次，取重復(fù)測(cè)量過(guò)程中的誤差最大值進(jìn)行比較分析，其中發(fā)現(xiàn)三級(jí)測(cè)量最大誤差報(bào)警距離分別為6.87m、7.94m 和8.92m，最大誤差為1.8%、最大誤差絕對(duì)值為0.14m，由此判斷其滿足現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備安全作業(yè)要求，可有效發(fā)揮預(yù)警提示功能、防范安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)結(jié)合火電廠內(nèi)電場(chǎng)特征與測(cè)量原理，采用電壓頻率為f 的帶通濾波器進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試，能夠有效排除工頻交流信號(hào)等干擾因素，依托旋轉(zhuǎn)伏特計(jì)的選型及參數(shù)優(yōu)化保證安全距離測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)有效發(fā)揮安全距離預(yù)警功能，維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)秩序。