基于变电站汽吊作业安全距离告警系统研发

(国网宜宾供电公司，四川 宜宾 644000)

0 引 言

在变电站进行基础设施建设或部分间隔停电检修时，需要用到吊车等设备进行辅助工作。在吊车工作时，会有旁边间隔带电的情况发生。而吊车斗臂在旋转移动的过程中，按照《国家电网公司电力工作安全规程》[1]的相关规定，应保持一定的安全距离。在实际操作过程中，没有相应的测量措施，只能依靠现场指挥人员目测安全距离来提醒吊车司机，这样会造成与带电设备及母线的距离小于安全距离的情况，最后导致安全生产事故的发生。

为了避免吊车斗臂转动过程中误碰带电设备，减少安全事故发生，所以决定研制吊车作业距离带电设备自动检测报警系统。

1 模型及原理

吊车作业安全告警系统检测3D模型如图1所示。假定图1中围栏内为待检修设备，围栏以外为带电设备，吊车斗臂作业范围必须在围栏以内。作业过程中，吊车斗臂距离地面高度远远大于围栏0.8 m高度，那么吊车斗臂距离旁边带电设备距离唯有依靠人眼经验判断，存在极大误差，难以准确把握。结合传感器检测技术，在作业范围内构件虚拟“口”型三维空间，即将围栏高度向上无限延伸。利用UWB定位模块实时采集斗臂与所设置边界点的距离并传送至仪器后台，利用海伦模型算出斗臂与虚拟墙壁的垂直距离。当检测距离小于《国家电网公司安全工作规程》规定的安全距离时，进行告警提示。

(a)3D示意

注：T0-A0 、T0-A1、T0-A2、A0-A1、A0-A2、A1-A2的距离通过测距模块测量，h2为最终需要计算出的吊车斗臂到带电区域(A1-A2构成的垂直于水平面的面)的空间垂直距离。(b)理论计算模型图1 吊车作业安全告警系统检测

理论计算模型中相关计算公式如下：

三棱锥T0-A0-A1-A2体积V为

式中：a为 T0-A0距离；b为 T0-A1距离；c为 T0-A2距离；I为A0-A1距离；m为A1-A2距离；n为A0-A2距离。

三角形A0-A1-A2面积S1为

三棱锥T0-A0-A1-A2以A0-A1-A2为底面的高h0为

三角形T0-A1-A2面积S2为

三角形T0-A1-A2高h1为

T0到A1-A2形成的垂直面的空间距离(最终吊车到带电区域的空间垂直距离)h2为

根据现场检测数值h2与《国家电网公司电力安全工作规程》吊车作业安全距离D进行判断，D值如表1所示：当h2大于D时，装置正常运行，告警装置不动作；当h2小于D时，告警装置动作，发出告警信号。

表1 吊车斗臂与带电体最小安全距离D

2 方案优选及装置研制

2.1 方案优选

根据现场实际需求，该装置的总体设计方案分为3部分，即距离测试(步骤1)、数据分析(步骤2)和距离判断及告警(步骤3)，如图2所示。其中距离测试基本原理如图1所示，但图中吊车斗臂定点t0空间位置随机运动，因此，该装置研发的重点难度为(步骤1)。根据传感器技术应用情况，提出了两套不同的解决方案：方案1是采用超声波[2]进行距离的测量；方案2是采用UWB[3]方案进行距离测量。两种方案对比如表2所示。

图2 总体方案流程

综合测量角度和最大测量距离分析，最终采用UWB方案进行距离测量。

2.2 装置研制

根据系统的要求以及需要实现的功能，将装置分为三大板块：传感器板块、单片机板块以及报警器板块，如图3所示，硬件结构如图4所示。

表2 方案对比分析

表3 测量数据和实际数据对比

图3 汽吊作业安全距离告警系统装置

图4 硬件结构

报警器板块由单片机模块、UWB传感器和警示装置组成，对超过安全距离的情况进行报警。

单片机模块，是整个装置的神经中枢，用以处理数据，设计相应算法完成距离检测，并控制报警器。UWB传感器板块主要负责距离测量的发射与接收，其测距的原理为s=vt，式中：s为发送端和接收端之间的距离(每个模块既可以做发送端也可以作为接收端)；v为光速；t为传输的时间，通过获取发送端和接收端的时间差即可计算出距离。由于UWB采用电磁波的传输模式，其理论上没有传输角度上的限制，且市面上现有的测量距离模块可高达到500 m，能够极大满足现场应用要求。警示装置，对超过安全距离的情况进行报警。

该装置于现场进行实际应用，其效果良好。

3 测试数据分析

由图1可知，整个装置最原始的测量数据是T0-A0 、T0-A1、T0-A2、A0-A1、A0-A2、A1-A2的距离，但实际距离和装置测量距离存在一定的误差，如表3所示。

从表3中数据可以看出，实际距离和装置测量距离似乎存在一定的线性关系，因此，通过最小二乘法[4]拟合出一个线性关系，如图5所示。拟合之后实验数据如表4所示。

通过算法拟合后的数据和实际距离的最大误差在±7 cm内，很大程度上降低了直线距离的测量误差。

为检测装置的最终效果，进行了现场检验，如图6所示。

现场实验数据如表5所示，装置报警的时候，报警器设定的安全距离和实际测量距离误差均小于±40 cm，满足最初设计要求和现场实际需求。

图5 数据拟合曲线及拟合公式

实际距离/cm拟合之后的数据和实际距离的差值(拟合之后的数据-实际距离)/cm最大误差绝对值/cm200-32…2340011…1260023…348004-2…34100056…361200-34…3414006-2…37160045…251800-24…44200022…33

图6 某220 kV变电站现场应用

表5 某220 kV变电站现场实验数据

为进一步分析误差数据的合理性，对其误差值采用单因子二项分析[5]，分析结果如图7所示。从图中可以看出，其样本误差值比率均在0.133%～1.767%之间，进一步论证数据满足要求，能够在现场得以应用推广。

图7 误差二项均值分析

4 结 语

通过单片机技术与运动物体测距传感器技术结合构建虚拟“口”型三维空间，研发变电站汽吊作业安全距离告警系统。根据研究成果得出以下结论：

1)虚拟“口”型三维空间建立消除了变电站阻挡物(杆塔等)对测试精度的影响，其虚拟空间根据实际需要进行调试设置。

2)对于监测随机运动物体间距离，传统超声波传感器受测试角度、精度影响满足不了现场实际需求；采用了UWB电磁波技术进行测试，测试信号不受变电站强电磁场干扰。

3)该装置在现场应用过程中，能实时采集斗臂距离虚拟空间壁面距离，并发出告警信号。