高压输电线路下吊车作业报警和监控系统设计

姚维明 王 一 陈 俊 顾 韧 范文江

（苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

高压输电线路下吊车作业报警和监控系统设计

姚维明 王 一 陈 俊 顾 韧 范文江

（苏州供电公司，江苏 苏州 215004）

本文介绍一种安全报警与作业监控于一体的防止吊车触电的监控系统。它利用电场感应原理和ZigBee通信技术判断吊车臂与高压输电线路之间的距离，当低于预先设定的安全距离时向车载装置发送报警信息。系统将吊车实时的位置通过简化匹配算法显示在GIS地图上，同时根据车载装置中的GPS模块发送的位置信息判断吊车与输电线路之间的距离，低于设定的保护距离时，系统通过3G/GPRS向车载装置发送语音提示，同时通过短消息向巡检人员发送消息。系统分为近电监测、车载装置以及吊车作业报警和监控系统 3个部分。近电检测装置安装在吊车臂，车载装置安装在驾驶室内。实际测试表明，系统测试精度较高，满足高压输电线路下的吊车防触电保护和实时作业监控的需求。

电场感应；ZigBee；GIS；3G/GPRS；监控系统

近几年，一个市级地区供电公司每年因吊车等大型施工机械造成的110kV及以上线路跳闸事件有数十起，造成直接经济损失数百万元，同时也可能造成电力客户经济损失数百万元[1]。特别是电力系统施工时，不可避免地要在高压输电线路下进行吊运作业。吊车起吊时，司机很难根据肉眼目测来判断吊车臂与电缆间的距离，往往因距离较近而未及时停止吊车臂作业而引发人身安全和大范围停电事故[2]。随着电力系统的不断扩大，供电部门通过增加巡视频次来加强电力线路的保护，目前已有根据电场感应原理和无线通信技术判断吊车臂与输电线路距离的报警系统，该系统在一定程度上避免了目测方式存在的潜在危险源，而电场感应原理容易受到外在因素如天气等影响，仍无法完全取代或从源头上减少线路管理人员的巡视频次。

本文从减少停电损失的目的出发设计开发吊车作业监控系统。该系统由安装在吊车臂上的近电检测装置、安装在驾驶室的车载装置以及安装在远程管理中心的吊车作业报警和监控系统3个部分组成。近电检测装置中的加速度传感器可以实时判断吊车目前所处的状态（行驶、等待、作业和停车），当吊车处于行驶、等待和停车状态时，车载装置中的GPS定位模块实时将吊车所处的位置（经纬度）信息发送到吊车作业报警和监控系统，该系统可以实时的将吊车的位置显示在GIS地图上，行驶状态时，吊车靠近输电线路保护区域内，系统及时向车载装置发送语音提示并以短信的方式发送巡检员手机上，当吊车处于作业状态时，近电检测装置可以实时监测吊车臂与输电线路之间的距离，并发送到车载装置用于提示司机，同时巡检员也可以根据手机提示到吊车作业现场进行监督。该系统集吊车作业报警和监控于一体，可进一步降低输电线路巡视次数。

1 系统原理

安装在吊车臂上的近电检测装置可以检测吊车臂与输电线路之间的距离，当检测到距离小于国家标准规定的安全距离规定值时，通过ZigBee网络向车载装置发送报警信号，同时车载装置中的GPS定位模块通过 3G网实时将吊车位置信息（经度、纬度、速度和方向）发送到吊车作业报警与监控系统。被授予不同使用权限的输电线路管理人员或巡检员可以登录系统后通过GIS地图实时查看吊车所处的位置。当吊车靠近输电线路规定的保护区时，系统会自动向车载装置发送提示信息命令，车载装置会向司机发出吊车已进入输电线路保护区的语音提示信息，同时会将吊车位置、车牌号以及驾驶员等信息通过短信息的方式发送到该条线路的巡检员手机上。系统原理如图1所示。

1.1 工作原理

近电检测装置根据电磁感应原理判断吊车臂与输电线路距离，不同电压等级的安全距离规定值[3]见表1。

表1 不同等级输电线路安全距离限定值

图1 系统原理图

近电检测装置除了用于检测吊车臂与输电线路之间的距离外，其集成的加速度传感器还可以实时判断吊车所处的状态。本文吊车主要有行驶、等待、作业和停车4种状态。

当吊车报警和监控系统向车载装置发送提示信息时，系统根据吊车的实时经纬度信息和存储在后台数据库中的杆塔位置信息进行判断，具体设定是，500kV为20m，220kV及以下为15m。

吊车报警和监控系统采用B/S架构和多线程设计，最大同时可以允许2000辆吊车同时向其发送位置信息。不同的使用人员授予不同的权限，可以通过GIS地图实时查看吊车实际位置。

1.2 道路匹配

吊车位置在GIS地图上显示需要相应的匹配技术，吊车处在行驶状态时一定处在去往某条输电线路的路上，因而该条道路和输电线路在地图上的投影区域存在空间上的拓扑相连关系。可将输电线路投影折线化等效为道路来处理，方便描述道路与输电线路之间的拓扑关系。具体步骤如下：

1）根据一条输电线路中的杆塔编号将输电线路折线化，并根据杆塔编号用直线连接，且每一直线可等效为一条道路，其中每条输电线路中杆塔的经度、纬度、编号、与前后杆塔的距离、转角方向都可以从监控中心的数据库中获取。

2）划分杆塔和道路区域，假设杆塔所在的区域范围为L×H，吊车经纬度坐标为Pt( x,y)，根据车辆运动的连续性，以1000m为步长将整个道路网自左到右、自上而下划分为m× n个区域。根据公式

得出

式中，[]表示取整，t为区域编号，m和n分别代表所划分区域的行数和列数，且每个区域有唯一与其对应的索引号，每个索引号包括落入其内部并与其相交的所有道路。

3）对 GPS定位数据经行筛选，可删除无效的GPS信息点，从上传的数据帧中逐点读出吊车的经纬度、速度、方向、时间以及工作状态，经过坐标转换后存储到数据库中；同时各个输电线路杆塔所在的区域也存储到相应的数据库中，为下一步分析处理做好准备。

4）根据第2）步确定GPS信息点所在的区域，查询数据库确定该区域内的所有道路，并根据当前吊车的运行状态，借助投影算法进行道路匹配。

5）匹配成功后，将当前的 GPS经纬度实时存入历史数据库中，便于后续的历史轨迹生成和查询，或为第 4）步中，当吊车遇到交叉路口或多条道路难以区分时提供决策用。

其中第四步中，当吊车为行驶状态时，进行道路匹配的具体步骤如下。

首先，将待匹配道路分为如下3类：

（1）与吊车当前所在区域内的输电线路拓扑相连，并且与吊车前一时刻所匹配道路拓扑相连。

（2）与输电线路拓扑上不存在连通性，只与吊车前一时刻所匹配道路拓扑相连。

（3）与输电线路和吊车前一时刻所匹配道路拓扑上都不存在连通性的道路。

进行匹配计算时，优先从（1）道路中选择待匹配的道路，匹配失败再依次从（2）和（3）道路中选择待匹配的道路进行投影匹配计算。在投影算法中[6]，可用信息包含定位点到待匹配道路的距离d和吊车行驶方向与待匹配道路方向的夹角，则道路匹配度为

式中，dω和θω分别表示GPS定位点到待匹配路段的投影距离d和车辆行驶方向与待匹配道路方向夹角θ在匹配度函数中的权重大小，其满足每次匹配取的最大值所在道路作为最终匹配的道路。

当遇到两条或多条道路交叉点时，以交叉点为O圆心，以dmax为半径所得的圆形区域作为权值的判断区域，如果定位点在这个区域外，则直接向待匹配路段投影[5]；如果在区域内部，则当时采用如下公式计算道路匹配度，即

GPS定位点到待匹配道路垂直距离以及所在区域输电线路的距离dti，通过如下通用式计算：

2 系统硬件设计

硬件设计主要包括近电检测装置和车载装置两部分：近电检测装置负责吊车臂与输电线路之间安全提示，车载装置负责吊车定位和吊车进入输电线路保护区域时语音报警提示功能。近电检测装置与车载装置之间采用ZigBee技术通信。系统硬件原理框图如图2所示。

图2 系统硬件原理框图

2.1 近电检测

近电检测模块安装在吊臂顶端，检测到电场阈值，通过ZigBee向安装于吊车驾驶室内的车载装置发出告警信号。其硬件原理框图如图3所示。

图3 近电检测模块硬件原理框图

近电检测模块主要包括：电场传感器、信号调理电路、计算处理模块、无线通信模块、档位开关以及电池组及电源转换电路。

电场传感器采用球型电场传感器来测量空间电场强度，该传感器利用静电感应原理，将信号转为与电场强度成正比的电压信号，再通过A/D转换芯片转为数字信号给 CC2530处理并判断其余输电线路之间的实际距离。

计算处理模块选用基于增强型 8051内核的CC2530芯片，该芯片是可应用 2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee以及RF4CE协议的片上系统（SoC）解决方案[4]。可以移植 Z-Stack协议栈，方便实现ZigBee设备间互联和通信，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。

2.2 车载装置

车载装置中的主控制模块选用基于ARM 32bit Cortex-M3的STM32F207处理器，其与吊车报警与监控系统选用SIM5320E模块以3G方式完成数据上传、通知相关巡检员以及 GPS信息获取等功能，ZigBee模块负责接收安装于吊车臂上的近电检测模块发送的报警信息。其硬件原理框图如图4所示，核心控制板和WCDMA+GPS模块、ZigBee模块之间采用串口通信方式，与声光报警模块之间采用SPI通信。

图4 车载装置硬件原理框图

3 系统软件设计

3.1 近电检测软件整体框图

吊车作业监控软件部署在云端，供电公司工作人员可以远程访问实时监控和查看吊车所处的位置和工作状态。其整体软件框图如图5所示，主要功能如下。

1）实时接收车载装置发送的GIS信息，计算吊车距离架空线路的距离。

2）根据车载装置发出的GIS信息和其他信息，判断吊车的状态，并通过短信的方式通知相关工作人员及时到现场查看。

3）在地图上实时显示吊车位置，并突出显示有触电危险的吊车位置，可以实时查询吊车的历史轨迹。

4）灵活导入Excel格式的输电线路杆塔表中的线路信息，支持GIS地图在线升级。

5）可灵活添加或更改线路管理人员、联系方式以及所管理的输电线路、吊车以及驾驶员基本信息。

图5 系统整体软件框图

3.2 道路匹配和距离判断

GPS信号的接收会存在误差，道路匹配算法主要通过对接受的GPS数据不断进行修正来保证精确定位，以克服因GPS定位模块自身原因（如采样频率降低、定位误差加大、信号丢失等）导致的匹配不准确性，有效弥补了定位系统的不足[6]。距离判断主要是计算吊车实时位置与输电线路之间的距离，从而决定是否向线路巡检人员发送短消息提示。

本文结合电力系统吊车使用的实际情况，根据吊车所处的不同状态进行不同的匹配处理。吊车处在行驶状态时一定处在去往某条输电线路的路上，因而该条道路和输电线路在地图上的投影区域一定存在空间上的拓扑相连关系。同时将输电线路投影折线化可等效为道路来处理，方便求解吊车已输电线路之间的距离。具体流程如图6所示。

4 系统测试

4.1 系统精度测试

系统主要测量的参数有：吊车臂与输电线路之间的距离、吊车与输电线路之间的距离。

近电检测装置通过检测到的电压值，拟合出不同电压等级下电压分布随距离的变化曲线以及函数关系，完成吊车臂与输电线路之间的实际距离的转换，不同电压等级下电压与距离的关系如图7所示。

从图7感应电压与距离对应的关系可以看出：当吊车臂逐渐靠近高压输电线路时，传感器检测到的感应电压反之增强，电压等级越高，相同距离时对应的感应电压等级也越强。根据不同电压等级，分别设定110kV、220kV和500kV的安全报警距离为4m、6m和8.5m，转换为对应的阈值电压，通过ZigBee模块传输给车载装置，即可实现报警提示功能。

当吊车在行驶状态时，系统会根据定位模块上传的经纬度信息判断吊车与输电线路间的距离，小于设定值时，系统向车载装置发送语音提示信息。本文在实际输电线路区域进行10次测试，其吊车与输电线路之间距离以及测试误差见表2。

图6 道路匹配和距离判断流程图

图7 不同电压等级下感应电压与距离关系

表2 杆塔距离精度测试

从图8的测试结果可以看出：吊车与高压输电线路之间距离最大测试误差为 2.6981%，最小为0.2782%，10次测试其平均误差为-0.1985%，可以满足吊车实时距离判断和提示工作。

4.2 软件功能测试

系统管理员通过吊车报警与监控系统的登录页面后可看到车辆监控、实时监控、历史信息查询、权限管理以及基础信息管理5个功能页面，其实时监控页面如图8所示，主要在GIS地图上实时显示吊车的位置，选中吊车还可以显示车牌号、公司、驾驶员、联系电话等基本信息，还可以通过点击语音报警向吊车发送语音提示功能，当吊车处在作业状态时，管理员可以点击发送短信按钮手工方式将吊车的基本信息发给所在输电线路的巡检人员的手持PDA上，提示巡检员到现场监督吊车作业情况。

图8 系统实时监控页面

当吊车处在行驶状态、进入输电线路保护区域时，系统可以实时判断其与输电线路之间的距离；当小于设定的线路报警提示阈值时，系统会自动通过短信息的方式将吊车所在位置的基本信息（吊车基本信息、靠近的输电线路基本信息学以及吊车靠近的输电线路杆塔等信息）发送到该条线路的巡检员手持PDA上，其效果如图9所示。管理员、巡检员以及吊车的基础信息添加和地图在线更新等软件功能均能正常使用。

图9 吊车监控页面与短消息提示

5 结论

本文设计的近电检测装置和车载装置已成功安装在苏州供电公司作业的3辆吊车上试用，吊车报警与作业监控系统也已部署到苏州供电公司的运监中心的服务器中试运行。从系统现场应用和测试来看，当吊车在运行状态时，能够有效语音提示吊车驾驶员；当吊车在作业状态时，安装在吊车臂上的近电检测装置可以实时提示吊车驾驶员操作，以避免吊车碰触输电线路，并能够实时通知巡检员到现场监督。真正实现了吊车作业报警和监控于一体，从源头上降低了输电线路巡检员巡视和吊车作业导致的输电线路停电次数，有效减轻了线路管理人员的工作量。同时系统记录的巡视信息还可以帮助供电公司用于巡检人员的日常考核工作。

[1]赵应军,徐峰.高压输电线路附近吊装作业触电事故故障树分析[J].安全、健康和环境,2013,13(7): 41-43.

[2]李全祺,郁婷,张广海,等.输电线路下吊装作业防触电检测装置开发与应用[J].中国安全生产科学技术,2014,10(6): 153-156.

[3]张霄蕾,高明,刘振海,等.防止吊车触碰高压输电线的报警装置研制[J].华东电力,2011,39(7): 1201-1203.

[4]蔡骏峰,汤胜,严涛.基于电场测量的起重机防触电报警系统[J].中国安全生产科学技术,2010,6(5): 177-180.

[5]华永平,刘砚一.车载定位系统中综合地图匹配算法研究[J].现代雷达,2010,32(3): 53-56.

[6]余彦培.一种融合地图与传感器信息的室内地图匹配新算法[J].电讯技术,2014,54(12): 1656-1662.

Design of Crane Operation Alarm and Monitoring System under the High Voltage Transmission Line

Yao Weiming Wang Yi Chen Jun Gu Ren Fan Wenjiang
(Suzhou Power Supply Company,Suzhou,Jiangsu 215004)

An alarming and monitoring system is introduced to prevent crane contact with high voltage transmission lines,which determines the distance between the vehicle with the high voltage power cables by using electric field induction principle and ZigBee technology.When the distance is less than preset safe distance,it begin to send out sound alarm.The crane real-time position will be displayed the GIS map by simplify matching algorithm,and determine the distance between the crane and the transmission line based on the position information that send by GPS module in the vehicle-mounted device,when the distance is less than preset protection distance,system will to alarming information by 3G/GPRS and SMS.System divided into three parts,including electric field detection device,vehicle-mounted device and crane alarming and monitoring system,electric field detection device is mounted on crane arm and vehicle-mounted device is mounted in the cab.Practical tests show that the system has high test accuracy,it can meet crane shock protection and real-time monitoring under the high voltage transmission lines.

electric field induction；ZigBee；GIS；3G/GPRS；monitoring system

姚维明（1986-），男，工程师，苏州供电公司安全监察质量部专职，研究方向为电力安全技术、电力设施保护。