基于紅外對射和視頻監控的變電站電子圍欄設計

張 昭 ，劉 洋 ，呂梁輝 ，劉海朋 ，張 操 ，王春罡 ，吳春蕾

（1.國網青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810000；2.北京瑞盈智拓科技有限公司，北京 100032）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，用電需求迅速增長，對電網安全運行的要求越來越高，變電站的安全對保障電網安全運行至關重要。針對變電站施工現場工作人員的違章行為，現有的安全監控裝置不能完全滿足變電站現場安全管控的要求［1-4］。例如變電站圍墻的紅外報警裝置，體積龐大且需要固定安裝，因此不便于在變電站工作現場使用［5-8］。此外，安裝圍墻的紅外報警裝置，前期投入較高，且需220 V電源供電，功耗高，經濟性較差［9］。

本文設計了一種基于紅外對射和視頻監控的電子圍欄。該系統采用模塊化設計，通過紅外發射模塊、紅外接收模塊、報警模塊、視頻模塊、電源模塊與報警手環實現對圍欄區域的安全管控。通過支柱的組合來實現電子圍欄在變電站現場作業區域的應用。支柱采用可充電電源和太陽能板相結合進行供電，以延長電子圍欄工作時間，并在一定程度上減少對電網的依賴。支柱體積小，便于在要求的區域進行布置安裝。主動式紅外對射裝置根據現場狀況做出判斷，發出信號，結合現場視頻采集、聲音報警和現場檢修人員的手環振動提醒，分別實現對現場某些人員違章行為的信息存儲、及時警告和制止，有效提高變電站現場作業區域的安全性。

1 總體結構及運行特點

基于紅外對射和視頻監控的變電站現場電子圍欄單個支柱的結構由功能模塊（紅外發射模塊、紅外接收模塊、視頻模塊、報警模塊和電源模塊）、伸縮帶和支撐底座組成。通過支柱各部分的協同工作，實現對變電站現場工作環境的動態感知，以達到及時主動報警、視頻監控的目的。電子圍欄單個支柱結構如圖1所示。

圖1 電子圍欄單個支柱結構圖

支柱之間的紅外對射通過紅外發射模塊和紅外接收模塊來實現，形成不可見的紅外光路。考慮到紅外光路是不可見的，支柱之間設置內嵌的伸縮帶，實現光路與實體圍欄的連接。電子圍欄效果示意圖如圖2所示。

圖2 電子圍欄效果示意圖

一套電子圍欄系統至少包含6個支柱，并可根據現場需要進行擴展。電子圍欄工作原理如圖3所示。電子圍欄系統將目標防范區域以半封閉的形式圍出安全區，采用分段觸發方式，實現對變電站現場的安全管控。支柱的功能模塊包括紅外發射模塊、紅外接收模塊、報警模塊、視頻模塊和電源模塊，為實現系統的紅外對射報警和視頻監控等功能提供了硬件基礎。

圖3中1號支柱和6號支柱之間為工作出入口，人員可通過工作出入口自由進出。在安全區域內，人員可自由活動，不會觸發電子圍欄報警。當有違規入侵或意外遮擋等情況發生時，就會造成接收模塊接收到的光信號中斷，觸發現場聲音報警［10］，同時將現場錄像信息保存，以便查證。電子圍欄的布置可根據具體要求進行調整。必要情況下，可將電子圍欄圍成封閉區域，將帶電設備與其他設備進行隔離，防止違規入侵以及人員靠近。

圖3 電子圍欄工作原理圖

2 硬件設計

2.1 STM32芯片

電路設計時，選用STM32芯片。該芯片具有較強的數據處理能力和豐富的接口資源，能進行通信且具有較高的性價比。由于STM32芯片具有擴展能力強、外設單元豐富、精度高、代碼開源等優勢［11-13］，設計中采用該芯片代替單片機作為處理器。該處理器主要負責信息數據的采集、異常情況的判斷及事故發生前后的圖像存儲，是整個系統的核心組成部分。

2.2 功能模塊

功能模塊主要包括紅外發射模塊、紅外接收模塊、視頻模塊、報警模塊和電源模塊。功能模塊結構如圖4所示。

圖4 功能模塊結構圖

2.2.1 紅外發射模塊

紅外發射模塊由電源、發光源、光學系統等部分組成。在電源的作用下，發光源發射紅外光束，再經光學系統發射出去。

2.2.2 紅外接收模塊

紅外接收模塊由光學系統、放大器、光學傳感器、信號處理器等部分組成，負責接收發射模塊發射出的紅外線，經光電傳感器將光信號轉換成電信號［14-15］，經信號處理器分析處理后傳給報警控制器。

2.2.3 視頻模塊

系統開始工作后，視頻模塊自動持續錄制現場視頻，視頻資料隨存儲卡的容量被覆蓋。這不僅滿足了備份查證的需求，還提高了系統工作效率，節約硬盤資源。

2.2.4 報警裝置

報警包括語音報警和無線手環報警。當發生違規入侵或意外遮擋情況時，語音報警裝置，現場直接警示違規者勿入危險區。無線手環報警則是將報警信息發送給現場檢修人員佩戴的手環，通過振動提醒，確保現場工作的安全進行。

2.2.5 電源模塊

支柱電源主要為支柱的電子模塊提供電能，采用太陽能供電，內置可充電鋰電池。電池在正常充滿電的情況下，可保證整個支柱連續工作40 h以上。無需布設電源線和信號線，方便安裝及維護。

2.3 伸縮帶

伸縮帶內嵌在支柱里。帶體盡量設計較窄，或采用鏤空設計，以減少受風面積，防止風大時支柱傾倒，提高穩定性。以紅色作為警示條的警示色，直觀警示外部人員勿入。帶體材質根據防風、示警的要求來選擇。支柱間通過紅外線及伸縮帶形成光路與實體上的連接。

2.4 支撐底座

支撐底座采用圓盤設計，與支柱之間采用固定連接。根據應用區域的天氣情況，設計時對選擇的底座進行防風設計，到達一般抗風要求。

3 軟件設計

軟件采用模塊化設計，工作流程如圖5所示。系統各模塊初始化后，紅外發射模塊發射紅外線，系統判斷紅外接收模塊是否接收到紅外線。若接收模塊接收到穩定的光信號，則說明現場沒有違規入侵或意外遮擋情況。此時，視頻模塊保持開機狀態并持續錄制視頻，但不觸發聲音報警，也不發送報警信息至手環。若接收模塊接收到的光信號不穩定，則說明有違規入侵或者意外遮擋情況發生。此時，視頻模塊錄制入侵視頻，以供入侵證據查驗。同時系統發送觸發信號至報警模塊，觸發聲音報警，對違規入侵人員發出警示提醒；發送報警信息至手環，提醒現場檢修人員有意外情況發生，以便其及時制止和處理，保證現場工作安全進行。

圖5 工作流程圖

4 結語

基于紅外對射和視頻監控的電子圍欄在物理結構方面，考慮了安裝的可靠性和實用性，使設備安裝便捷、使用簡單，提高了工作效率。系統各模塊相互獨立，某模塊的損壞不影響其他功能的實現，設備運行維修更加便利。電子圍欄可根據需要選擇組合方式，在一個或幾個電子圍欄支柱損壞的情況下不影響現場警示圍欄布置，從而提高系統運行穩定性。該電子圍欄的應用，一方面能實現變電站現場作業區域的安全管控，另一方面可節約設備安裝和維護的成本。