抗干擾潛望式紅外線外擴(kuò)工具的研制

李超平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任有限公司江門新會(huì)供電局，廣東江門 529000）

1 研究背景

電力營(yíng)銷管理工作中集抄和用電檢查工作是經(jīng)營(yíng)管理效益體現(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性直接關(guān)系到用電檢查和抄核收工作質(zhì)量的好壞。在當(dāng)前電能計(jì)量裝置管理過(guò)程中往往需要使用手持式終端通過(guò)紅外通信對(duì)電能表電量信息、電氣量（電流、電壓等）、事件記錄及內(nèi)置時(shí)鐘等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，以現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)為依據(jù)，以便制定針對(duì)性的電能計(jì)量裝置維護(hù)策略，提高電能計(jì)量裝置維護(hù)效率，提升電力企業(yè)服務(wù)質(zhì)量。

紅外通信具有直觀、操作簡(jiǎn)便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，也是現(xiàn)場(chǎng)采集電能表數(shù)據(jù)中使用最為普遍的一種通信方式[1]（圖1）。但是，居民電能表大多數(shù)安裝于多位表箱中，布局相對(duì)緊湊，部分電能表安裝過(guò)高，表箱前空間狹小，難以操作，導(dǎo)致紅外信號(hào)相互干擾，嚴(yán)重妨礙紅外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，造成數(shù)據(jù)串位，從而影響工作效率。手動(dòng)輸入電能表地址進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信工作效率低，不適用于開展大規(guī)模排查工作。

圖1 紅外通信原理

為解決紅外通信數(shù)據(jù)采集效率低的問(wèn)題，發(fā)揮紅外通信在數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)一種在復(fù)雜嚴(yán)苛環(huán)境下提高紅外通信準(zhǔn)確率的工具。

2 可行性分析

2.1 紅外線遵循光的反射特性

紅外原理就是利用可見紅光光譜之外的不可見光，因?yàn)榧t外線也是光的一種，因此同樣具有光的特性——無(wú)法穿越不透光的物體。按照波長(zhǎng)的大小，紅外波段可以分為3 個(gè)不同的區(qū)域：近紅外區(qū)（波長(zhǎng)0.75～2.5 μm）、中紅外區(qū)（波長(zhǎng)2.5～25 μm）和遠(yuǎn)紅外區(qū)（波長(zhǎng)25～1000 μm）。紅外通信則是利用950 nm 近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。

由于紅外線的波長(zhǎng)較短，對(duì)障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無(wú)線通信的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸。紅外線技術(shù)指向性差、容易受干擾。但是紅外線反射時(shí)也遵循光的反射規(guī)律。根據(jù)這一特性，設(shè)計(jì)一個(gè)封閉的傳輸結(jié)構(gòu)，管內(nèi)壁使用紅外高反射低吸收材料，為其創(chuàng)造一個(gè)良好的反射條件，降低紅外信號(hào)衰減，增強(qiáng)數(shù)據(jù)接收的有效性。

2.2 潛望鏡結(jié)構(gòu)原理

潛望鏡本是指從海面下伸出海面或從低洼坑道伸出地面，用以窺探海面或地面上活動(dòng)的裝置。其構(gòu)造與普通地上望遠(yuǎn)鏡相同，潛望鏡的原理是利用兩個(gè)反射鏡使物光經(jīng)兩次反射而折向眼中。潛望鏡之所以可以從下邊看到上面，而且十分清楚，是因?yàn)閮蓧K平面鏡互相平行，且都與水平方向成45°，景象通過(guò)平面鏡的兩次反射成像，從而從下邊可以看到上面的景象[2]。借助潛望鏡結(jié)構(gòu)原理，根據(jù)光的反射特性，可以將其延伸應(yīng)用到短距離紅外通信中。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)論是電表安裝高度過(guò)高、角度刁鉆，還是操作空間狹小，都可以應(yīng)用該結(jié)構(gòu)調(diào)整角度適應(yīng)采集現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)抄表終端與對(duì)應(yīng)的采集電表實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一準(zhǔn)確紅外通信接收數(shù)據(jù)。

由于近紅外線波長(zhǎng)較短、衍射能力差，在其有效傳輸距離內(nèi)加裝非透明管狀通道，通過(guò)管狀工具屏蔽紅外線散射，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外通信創(chuàng)造專屬的物理通信通道。在普通潛望鏡的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將班員日常相關(guān)工作中遇到的困境進(jìn)行總結(jié)分析，以實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，將工具外形修整為潛望鏡結(jié)構(gòu)，底部可以將手持終端固定，以便穩(wěn)定的接收數(shù)據(jù)。工具小型化設(shè)計(jì)，可以采用軟管結(jié)構(gòu)，也可以對(duì)其伸縮旋轉(zhuǎn)調(diào)整，以便在各種高差環(huán)境、狹窄環(huán)境下實(shí)現(xiàn)紅外通信。

3 效益分析

3.1 提高大規(guī)模排查效率

用電檢查等大規(guī)模篩查工作對(duì)于班員個(gè)體的工作效率是一項(xiàng)很大的考驗(yàn)，傳統(tǒng)方式下需要攜帶簡(jiǎn)易爬高工具才能完成，即費(fèi)時(shí)費(fèi)力又增加了危險(xiǎn)性。

從實(shí)際工作需要出發(fā)，考慮到其使用條件多為單人使用，對(duì)此，工具的設(shè)計(jì)必須滿足單人操作的條件。該工具小型化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可伸縮折疊，方便攜帶。由于技術(shù)原理簡(jiǎn)單無(wú)需培訓(xùn)，可以實(shí)現(xiàn)單人操作，減少人員占用。在電能表批量檢查開蓋記錄、采集指定日期抄表數(shù)據(jù)等用電檢查和抄核收工作中完全消除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式對(duì)同一個(gè)工作任務(wù)需多次采集才能完成的弊病，大幅提高了大規(guī)模排查的工作效率。

3.2 提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式中，人員需手持終端對(duì)準(zhǔn)電表紅外通信接口，由于紅外線遇障礙物不能穿透，所以必須在短距離內(nèi)傳輸，通常距離為0.2～1.0 m，造成了極大的接收不穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)差錯(cuò)率。

在紅外線其傳輸路徑上增加了管狀導(dǎo)光通道，用于提高紅外線接收信號(hào)強(qiáng)度并抑制相鄰電表的干擾。該裝置主要是利用一個(gè)光學(xué)導(dǎo)光筒作為紅外線或其他可見光的反射面，利用光的多次反射向內(nèi)匯集來(lái)自近方向的信號(hào)，以提高紅外線接收模塊接收信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)可利用該光學(xué)導(dǎo)光筒的長(zhǎng)度及張角控制通信范圍。通過(guò)上述方式，可排除干擾、增強(qiáng)接收信號(hào)的強(qiáng)度和信號(hào)接收角度，達(dá)到數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確的目的。

3.3 解決高差環(huán)境、狹小空間的紅外通信

由于城區(qū)多為住戶集中式表箱，電表之間相互距離較近，而且很多商戶、車房鋪和充電樁電表是單獨(dú)安裝在一個(gè)表箱里，這就導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在很多電表高度過(guò)高、位置刁鉆和空間狹小等問(wèn)題，由于紅外線發(fā)射角度一般不超過(guò)30°，所以可控性比較小，發(fā)送接收方的位置要求相對(duì)固定，移動(dòng)性差，加之缺乏相應(yīng)的輔助工具，在用手持終端直接采集的情況下會(huì)出現(xiàn)很多不便。

該工具小型化設(shè)計(jì)，加入可伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，適合多情景應(yīng)用；接頭可適配多種手持終端，適用面廣；關(guān)鍵部件采用3D打印技術(shù)一體成型，可采用軟管結(jié)構(gòu)，勝任多種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，更方便狹小空間下操作，可靠性高（圖2）。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)

裝置內(nèi)壁采用一種可以反射紅外線的黑褐色顏料，將Fe2O3、Cr2O3、CoO、Al2O3和反應(yīng)控制劑按一定質(zhì)量百分比稱量后放入球磨機(jī)中混合研磨均勻，將研磨后的混合物在1000 ℃下煅燒6～8 h，冷卻后再放入球磨機(jī)中磨成粉體。該黑褐色顏料具有良好的紅外線反射性能，添加到涂料中制成隔熱涂料[3]。

3.4 高強(qiáng)度絕緣材料防觸電

“安全第一、預(yù)防為主”。安全，對(duì)于電力生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)永恒不變的生命線，是企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有很多老城區(qū)舊金屬表箱的接地存在安全隱患以及安全通道和工作空間不足等情況，然而數(shù)據(jù)采集多是單人操作，有一定程度的觸電風(fēng)險(xiǎn)，工器具的絕緣性能則顯得尤為重要。因此，在設(shè)計(jì)這種外擴(kuò)工具時(shí)首先把員工作業(yè)安全擺在第一位，工具采用高強(qiáng)度絕緣外殼，以防誤觸表箱內(nèi)帶電部分和規(guī)避表箱漏電的危險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)，數(shù)據(jù)采集和用電檢查是一項(xiàng)力求準(zhǔn)確、高效的大規(guī)模工作，其準(zhǔn)確性和采集效率直接決定工作質(zhì)量的好壞。在綜合考慮當(dāng)前基層采集工作的不足之處，工作效率和準(zhǔn)確率尚有很大的提升空間，從實(shí)際工作需要出發(fā)設(shè)計(jì)抗干擾潛望式紅外線輔助工具，因其操作簡(jiǎn)便、無(wú)須復(fù)雜的電氣理論基礎(chǔ)及豐富的反竊電工作經(jīng)驗(yàn)也可開展，在試驗(yàn)階段準(zhǔn)確高效地完成了多種復(fù)雜苛刻環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集工作，進(jìn)一步完善后也使得城區(qū)反竊電普查工作變?yōu)榭赡堋?/p>