基于多數(shù)據(jù)采集的電力線路作業(yè)安全管控技術研究

荊 峰

(中國石化勝利石油管理局有限公司電力分公司,山東東營 257099)

電力線路作業(yè)接觸危險因素多、涉及工種多、交叉作業(yè)多、環(huán)境不確定性大,具有高流動性、高分散性和高風險性的“三高”作業(yè)特征[1-2],存在高處墜落、觸電、物體打擊等風險[3]。作業(yè)安全主要依靠人員經(jīng)驗,風速影響現(xiàn)場作業(yè)人員登桿,桿塔結冰容易造成墜落,線路舞動易造成人員機械傷害,桿塔震動或傾斜等都可能會造成人身傷亡事故[4]。因此,實時監(jiān)控對消除作業(yè)人員風險有重要意義。某油田電網(wǎng)通過對動態(tài)、靜態(tài)風險進行要點耦合分析,得出關鍵要素,并利用數(shù)據(jù)采集和通訊技術,對安全因素進行數(shù)據(jù)采集傳輸,開展多數(shù)據(jù)綜合分析確認,以便在作業(yè)前判斷是否滿足安全要求。采取線上管理,將作業(yè)過程中的各種審批流程框圖化,配合視頻全面監(jiān)控,提高了現(xiàn)場作業(yè)安全性。

1 電力線路作業(yè)風險分析

電力線路由線路桿塔、導線、絕緣子、線路金具、拉線、桿塔基礎、接地裝置等構成,架設在地面之上[5-6]。線路工作中的風險是電網(wǎng)作業(yè)過程中的重點[7],經(jīng)過多年的研究分析,理論上相對成熟。

1.1 電力線路作業(yè)內(nèi)容

電力線路作業(yè)主要是發(fā)現(xiàn)和排除線路運行的潛在隱患,降低電力線路發(fā)生故障的概率,同時提升電力線路抵抗自然災害能力,保證整個電網(wǎng)的運行穩(wěn)定。常規(guī)的電力線路檢維修作業(yè)有以下11 類:①停電更換絕緣子;②帶電更換絕緣子;③更換導地線;④更換間隔棒;⑤帶電處理異物掛線;⑥瓷絕緣子帶電測零;⑦瓷絕緣子停電清掃;⑧更換桿塔拉線或拉棒;⑨帶電調(diào)整線路防震錘;⑩修剪或砍伐鄰近線路的超高樹木;更換線路避雷器及臺架維修。

不同作業(yè)類型的作業(yè)過程相近,以停電更換絕緣子為例,編寫相關作業(yè)步驟及內(nèi)容,見表1。

表1 停電更換絕緣子的相關作業(yè)步驟及內(nèi)容

1.2 靜態(tài)風險分析

結合電力線路屬性,作業(yè)高度、電壓等級、與帶電體距離、桿塔回路數(shù)等因素影響著作業(yè)的風險程度。例如,電壓等級的要求與帶電設備的距離的關系,見表2。

表2 人員與帶電導線最小安全距離[8]

部分電力線路存在同塔雙回或者同塔多回的情況,部分電力線路還存在交叉跨越,其安全距離要求見表3。

表3 鄰近或交叉其他電力線工作的安全距離[8]

結合不同作業(yè)流程的特點,作業(yè)內(nèi)容的復雜程度、連續(xù)作業(yè)時間、現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量、傳遞工器具次數(shù)也影響著作業(yè)風險程度。

1.3 動態(tài)風險分析

在形成事故的關系中,人、物、環(huán)境的因素都是造成事故的原因,是“或”的關系。管理因素與造成事故的上述3個因素是“與”的關系,如圖1所示。

圖1 事故原因要素關系

人的狀態(tài)直接影響現(xiàn)場作業(yè)的安全性,人員心理和身體的監(jiān)控狀態(tài)、業(yè)務技術能力等狀態(tài)在變化之中,容易在作業(yè)過程中不自覺地產(chǎn)生安全隱患甚至發(fā)生事故。物的狀態(tài)是指作業(yè)中的涉及的設備、機器、安全工器具等。各種器具的質(zhì)量和狀態(tài)直接影響作業(yè)風險。環(huán)境因素主要是地理、氣象等。地理位置從“事前-事中-事后”來考慮,特別是事故救援條件尤為重要;氣象因素是指風、雨、冰雪、環(huán)境溫度等,對野外作業(yè)影響較大。管理方面是通過管理制度的完善來抑制動態(tài)、靜態(tài)的風險因素。

1.4 線路作業(yè)風險耦合

“耦合”是指2個或2個以上的體系或運動形式之間通過各種形式的相互作用而彼此影響以致聯(lián)合互動的現(xiàn)象[9]。線路作業(yè)風險因素相互影響會加速事故發(fā)生進程甚至加重事故危害。將風險耦合分為單因素風險耦合、雙因素風險耦合和多因素風險耦合,若從風險耦合作用效果角度分析,則可以分為負向耦合、純度耦合和正向耦合[9],在線路作業(yè)的風險管理過程中,重點推進負向耦合的典型案例和措施,降低正向耦合導致的風險放大。

2 數(shù)據(jù)采集技術在電力線路風險管控中的應用

電力線路風險要素的在線監(jiān)控相對困難。首先,電力線路現(xiàn)場作業(yè)的范圍廣,數(shù)據(jù)采集通訊傳輸受環(huán)境影響大;其次,線路各點的風速、濕度、溫度等各種數(shù)據(jù)采集難度高;再次,桿塔的傾斜情況、拉線狀態(tài)等各種設施情況因素直接影響作業(yè)安全;最后,各種安全技術措施的監(jiān)控難以得到保障。登錯桿塔、接地線安裝不規(guī)范導致的事故時有發(fā)生。

針對作業(yè)風險要素監(jiān)控難題,利用新的數(shù)據(jù)采集技術進行線路運行狀態(tài)的全面監(jiān)控,為作業(yè)風險管理提供數(shù)據(jù)支撐,確定接地線和設備狀態(tài),降低觸電風險;確定環(huán)境狀態(tài)、桿塔狀態(tài)的桿塔震動情況和傾斜度等是否具備登桿條件,評估墜落、物體打擊等風險;通過視頻對作業(yè)人員的各種行為和勞保穿戴等行為進行監(jiān)測,降低作業(yè)風險。這樣,對多數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控進行定量分析,對管控措施的落實進行監(jiān)控。

2.1 新型通訊技術的工業(yè)應用

2.1.1北斗技術應用

通過電力北斗通信通用模塊開發(fā)適用于多種通信接口,方便與各類電力設備對接通信。針對線路偏遠且常規(guī)通訊無法實現(xiàn)的情況,將終端作為通用的數(shù)據(jù)傳輸天線使用,采用RS232、RS485 串口及網(wǎng)口,與遠方電力設備通信接口對接,選擇低功耗芯片主處理器,保障野外穩(wěn)定運行。該通訊方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜娓采w,成為其他通訊方式的補充,如圖2所示。

圖2 北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構

北斗數(shù)據(jù)傳輸安全性高,但是一次傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)受限,一般為80字節(jié),需要對長數(shù)據(jù)進行拆包和重新組包。組包后主要傳輸遙信等短數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)過長通過拆解分別發(fā)送,在前置通訊設備進行重新組合,如圖3所示。

圖3 北斗數(shù)據(jù)通訊協(xié)議封裝

2.1.25G通訊技術應用

發(fā)揮5G技術速度快的優(yōu)勢,降低空口時延和引入邊緣計算的方式來提升通訊速度,通過數(shù)據(jù)切片技術保證數(shù)據(jù)安全。將線路上的配電終端(DTU)、饋線終端(FTU)、智能電表、集中器、采集器等設備通過無線網(wǎng)絡安全接入電力業(yè)務主站。通過提升數(shù)據(jù)傳輸速度,具備實時高清圖像傳輸和違章行為識別的能力,特別是電力線路等野外作業(yè)違章行為的自動識別,如圖4所示。

圖4 5G應用網(wǎng)絡結構

2.2 電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全采集技術

針對電網(wǎng)安全技術措施中無法采集的數(shù)據(jù)進行實時采集,如接地線的采集和安全工作區(qū)域圍欄的實時采集。通過對接地線進行改造,接地線夾具掛接并觸發(fā)傳感器,用于北斗衛(wèi)星定位及其它模塊休眠喚醒,安裝位置及靈敏度至關重要。經(jīng)多款芯片搭建測試環(huán)境對比測試,最終確定為中科微北斗定位模組ATGM336H。該模組具有高靈敏度,且支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位。通過替換U-blox的MAX系列多款GPS模塊,實現(xiàn)主要接口信號Pin-Pin兼容,內(nèi)置天線檢測電路及短路保護功能,如圖5所示。

圖5 中科微北斗定位模組ATGM336H模塊框圖

在接地線夾具頂端安裝磁敏傳感器,通過橫向銑槽的方式避免傳感器受夾具金屬屏蔽磁路的影響,避免誤動。當導線推動觸頭移動時,嵌入的磁柱隨觸頭移動,經(jīng)過微孔,此時磁通量因無鋁層屏蔽而瞬間加大,確保掛接不同直徑接地線時磁敏傳感器可靠動作[10],如圖6所示。

圖6 磁敏傳感器與核心電路板連接

通過新型采集裝置的使用實現(xiàn)電網(wǎng)所有開關、刀閘狀態(tài)的全面采集工作,如圖7所示。通過數(shù)據(jù)的全采集消除了人為因素導致的誤操作行為,以軟閉鎖的模式實現(xiàn)相關的防誤掛接地線操作[11]。

圖7 刀閘遙信采集裝置

2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控技術

利用桿塔上的視頻終端和無線傳輸通道對風向、溫度及濕度的氣象參數(shù)進行實時監(jiān)控,為風險管控提供不同區(qū)域的實時數(shù)據(jù),評估線路絕緣子的覆冰情況,結合風力數(shù)據(jù)和線路狀態(tài)評估線路舞動情況,對作業(yè)的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 線路設施狀態(tài)的采集監(jiān)控

利用現(xiàn)場線路設施狀態(tài),評估現(xiàn)場作業(yè)人員中物的安全狀態(tài),通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對接數(shù)據(jù)與風險管控作業(yè)系統(tǒng)。

a) 桿塔傾斜及振動監(jiān)測。采用桿塔傾斜自動化檢測的方法,將桿塔傾斜狀態(tài)傳送到監(jiān)測中心,方便工作人員進行監(jiān)測和對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及分析。根據(jù)桿塔的實際結構特點對設備進行安裝,進而實現(xiàn)桿塔傾斜檢測的自動化,網(wǎng)絡化及安全化[12]。

b) 導地線舞動及微風振動實時監(jiān)測。微風振動實時監(jiān)測采用具備傳感功能、采集功能、通信功能、自啟動功能和在線診斷功能的新型監(jiān)測系統(tǒng)[13],在線路安裝導線拉力監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)相結合,同時對多個不同監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析及處理,計算輸電線路的信息及運行參數(shù),分析輸電線路是否有舞動危害發(fā)生,消除舞動風險。

3 視頻監(jiān)控技術在電力線路風險管控中的應用

3.1 電力線路視頻監(jiān)控技術

通過重點線路逐個安裝的模式實現(xiàn)了輸電線路的全監(jiān)控,終端以太陽能板和電池為電源,應用視頻遠程監(jiān)控和圖片定時拍攝傳輸相結合的方式實現(xiàn)自動巡視,提供實時圖像。

3.2 電力線路圖像識別技術

圖像識別終端采用人員身份識別模式,判斷作業(yè)人員所持有的特種作業(yè)證等是否符合要求,自動統(tǒng)計作業(yè)時間,評估人員狀態(tài)是否可以繼續(xù)工作。通過違章行為識別功能,對部分違章行為如安全帽、工作服的穿戴,安全帶的穿戴,物料、工器具傳遞規(guī)范性等行為進行識別,為現(xiàn)場作業(yè)的管理人員進行提示,降低動態(tài)風險,其識別流程如圖8所示。

圖8 視頻識別流程

3.2.1作業(yè)行為識別

根據(jù)作業(yè)票據(jù)的工作任務和停電范圍進行識別,針對人員在作業(yè)邊界外進行作業(yè)的行為進行告警。

3.2.2異常行為識別

作業(yè)過程中及時發(fā)現(xiàn)人員異常行為,對其行為進行告警,并通知現(xiàn)場負責人,對各種行為進行測試統(tǒng)計,如表4所示。

表4 現(xiàn)場測試情況統(tǒng)計

4 作業(yè)流程管控技術在電力線路風險管控中的應用

通過區(qū)塊鏈技術進行數(shù)據(jù)關聯(lián),保證作業(yè)過程數(shù)據(jù)正確性和不易修改性,對現(xiàn)場作業(yè)風險進行預警。作業(yè)過程中,通過手持式終端對每一個流程節(jié)點進行確認,通過各信息系統(tǒng)的實時狀態(tài)的對接,進行自動核對?，F(xiàn)場作業(yè)的流程圖,如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場作業(yè)流程

5 現(xiàn)場應用效果

通過對風險的各種要素的實時監(jiān)控,不斷優(yōu)化管控措施,降低人員的作業(yè)風險,加強對現(xiàn)場作業(yè)風險的預測及預警。作業(yè)風險管控流程如圖10所示。

圖10 作業(yè)風險管控流程

5.1 作業(yè)前的安全評估

通過氣象傳感器采集作業(yè)環(huán)境狀態(tài),提前掌握現(xiàn)場情況,高溫、大風等天氣應合理安排作業(yè)時間,減少不必要的停電和車輛往返。同時,通過鐵塔震動和傾斜檢測分析當前狀態(tài)是否具備登桿條件,結合遠程傳感器的數(shù)據(jù)采集快速判斷現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境,判斷是否符合作業(yè)條件。2023年1至8月,通過作業(yè)前安全評估,某油田電網(wǎng)因作業(yè)條件評估不合格取消作業(yè)、調(diào)整檢維修計劃31次,如表5所示。

表5 因作業(yè)條件評估不合格取消的作業(yè)次數(shù)

5.2 作業(yè)過程流程監(jiān)控

作業(yè)流程的監(jiān)控確保了作業(yè)過程中的每一個環(huán)節(jié)規(guī)范執(zhí)行。例如,安全措施或工作許可未完成開始作業(yè)易造成觸電風險。2023年1至8月,通過作業(yè)流程監(jiān)控,某油田電網(wǎng)累計停止了缺少流程節(jié)點的作業(yè)33次,如表6所示。

表6 因作業(yè)流程不合格停止的作業(yè)次數(shù)

5.3 作業(yè)過程視頻監(jiān)控

作業(yè)過程中通過視頻迅速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場中的不安全因素,并及時告知現(xiàn)場作業(yè)人員,消除作業(yè)風險因素。通過視頻監(jiān)控,識別作業(yè)過程中的典型危險因素。例如,戴手套使用大錘易造成人身傷害;登桿作業(yè)過程中器具未使用防墜落措施易造成物體打擊;腳扣帶磨損嚴重易造成高處墜落或者扭傷;現(xiàn)場作業(yè)人員在同一桿上下兩組交叉同時作業(yè)易造成物體打擊。2023年1至8月,通過圖像識別技術,某油田電網(wǎng)及時發(fā)現(xiàn)并制止作業(yè)過程未遂事件共計200余起。

6 結語

某油田電網(wǎng)提出了基于多數(shù)據(jù)采集的電力線路作業(yè)安全管控技術方法并進行了應用驗證。該技術方法通過采集現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)并加以分析利用,為現(xiàn)場作業(yè)人員提供了實時的氣象數(shù)據(jù)、震動和傾斜等設備狀態(tài),綜合評估是否具備登桿條件,實現(xiàn)提前預知,避免了帶電、風速過大及結冰登桿、線路舞動作業(yè)等高風險作業(yè);通過現(xiàn)場視頻監(jiān)控對作業(yè)風險進行確認,同時對不規(guī)范行為進行識別,及時通知相關人員,降低了事故發(fā)生概率;通過作業(yè)流程的線上管理規(guī)范作業(yè)流程,提升了作業(yè)規(guī)范性。通過綜合運用數(shù)據(jù)的采集與風險管控措施,有效降低作業(yè)風險,提升作業(yè)安全性,為電力線路安全管理提供了新的技術路線。