基于三維可視化的直流電場安全距離預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

國電電力雙維內(nèi)蒙古上海廟能源有限公司 張暄博 陳玉良

為解決火電廠項目運(yùn)行與施工環(huán)節(jié)安全預(yù)警系統(tǒng)存在的精度差、時率低等問題，基于三維可視化理念建立數(shù)字化模型，引入超級可視化計算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)合成電場運(yùn)行原理采用旋轉(zhuǎn)伏特計與超聲波雷達(dá)傳感器作為系統(tǒng)硬件，配合安全距離信號跟蹤、動態(tài)監(jiān)測與智能預(yù)警功能模塊的設(shè)計，最終將其應(yīng)用于某火電項目的現(xiàn)場測試環(huán)節(jié)，測得該系統(tǒng)可有效發(fā)揮三級預(yù)警功能，安全距離最大誤差僅為1.8%、最大誤差絕對值為0.14m，滿足工程需求，為同類火電項目現(xiàn)場施工安全管理提供重要參考。

近年來新能源的提速增量對于火電項目的活性改造與提質(zhì)增效提出現(xiàn)實要求，火電廠面臨的安全生產(chǎn)形勢漸趨嚴(yán)峻，雖然現(xiàn)行規(guī)程中對于施工機(jī)械與帶電體的最小安全距離做出嚴(yán)格限制，但仍無法避免在實際施工環(huán)節(jié)因安全距離測量精度差、估算不準(zhǔn)確等因素誘發(fā)觸電事故，威脅火電項目安全運(yùn)行及人員生命健康。研究一種高精度、抗干擾性能強(qiáng)的安全距離預(yù)警系統(tǒng)，對于維護(hù)火電項目施工現(xiàn)場安全具有顯著現(xiàn)實意義。

1 建立數(shù)字化模型

1.1 建立模型

基于上海廟火電項目三維數(shù)字化移交系統(tǒng)平臺建立火電廠全生命周期三維數(shù)字化模型。在設(shè)計階段以1∶1高精細(xì)化模型為載體，將火電項目的設(shè)計、采購、施工、調(diào)試等不同階段多維異構(gòu)數(shù)據(jù)輸入模型中，建立模型、圖紙、文檔與數(shù)據(jù)資料的自動關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)二維平面圖紙與三維模型建的雙向聯(lián)動機(jī)制，為火電廠項目建設(shè)管理、設(shè)備檢修、可視化安放以及模擬展示等場景的可視化管理提供模型基礎(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 信號采集裝置

選用BITTWAR 信號采集器，提供8 路開關(guān)、64 位芯體，配置FLASH 存儲器、SIM 卡接口，輸入電流25mA、輸入電壓10V、延遲時間18ns。利用該裝置進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，支持?jǐn)?shù)據(jù)實時共享與自動回復(fù)，滿足系統(tǒng)安全預(yù)警要求。系統(tǒng)采用集成式結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)置若干功能模塊，分別搭載傳感器、交換機(jī)等硬件設(shè)備，并基于統(tǒng)一HTTP 協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信及資源共享。在裝置運(yùn)行環(huán)節(jié)，通過提取采集信號與設(shè)定閾值進(jìn)行比較分析，判斷是否超過安全距離，執(zhí)行觸發(fā)告警或存儲數(shù)據(jù)庫等操作。

1.2.2 超級可視化計算機(jī)

基于三維可視化設(shè)計理念，引入KLC-8-5N-622超級可視化計算機(jī)取代原有顯示器，該計算機(jī)運(yùn)行RISC處理器、搭載3D 圖形系統(tǒng)，可提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，實現(xiàn)對采集信號、數(shù)據(jù)信息的可視化處理，并在計算機(jī)屏幕端呈現(xiàn)出高清處理結(jié)果。

1.2.3 報警裝置

采用LKOP-260 報警器，提供電源、常開信號接線，內(nèi)置GTF2640 芯片、提供語音提示功能。將裝置電阻設(shè)為100kΩ，以6.5kHz 頻率、20m 距離、360°執(zhí)行采樣操作，將其與旋轉(zhuǎn)伏特計、超聲波傳感器進(jìn)行同步安裝，當(dāng)測得系統(tǒng)安全距離超出設(shè)定閾值后，即自動觸發(fā)聲光報警提示功能，用于提示管理人員及操作人員。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.3.1 信號跟蹤模塊設(shè)計

根據(jù)旋轉(zhuǎn)伏特計、超聲波傳感器采集的安全距離信號，預(yù)先定義一個監(jiān)測預(yù)警數(shù)值組，根據(jù)三級預(yù)警機(jī)制對不同強(qiáng)度信號分別提取一個緯度賦值，用于獲取監(jiān)測強(qiáng)度數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)設(shè)的安全距離預(yù)警閾值，將上述信號經(jīng)分析處理后形成智能化預(yù)警指標(biāo)，用于對信號發(fā)送點(diǎn)位及傳輸路徑進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，即可實現(xiàn)對安全信號的實時跟蹤。

1.3.2 信號可視化模塊設(shè)計

在基于可視化技術(shù)引入超級可視化計算機(jī)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用3D 建模、渲染等工具進(jìn)行抽象信號傳輸路徑的可視化呈現(xiàn)，以投影方式直觀呈現(xiàn)在監(jiān)控畫面端，供系統(tǒng)管理人員及現(xiàn)場操作人員查看監(jiān)控圖形及數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場安全距離的可視化呈現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，針對安全距離信號進(jìn)行可信任度、可視化清晰度的定義，根據(jù)信號變化幅值計算結(jié)果得到映射值，并將終端數(shù)據(jù)傳輸，即可獲取信號指數(shù)變化規(guī)律，進(jìn)而識別干擾測試結(jié)果的風(fēng)險源數(shù)量及其具體分布位置，輔助完成干擾源排查及故障處理。

2 安全距離預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用及可視化管理

2.1 施工期智慧安防

合成電場在靜電場與電暈引起的離子疊加作用下形成[1]。以火電項目高壓廠用母線為例，母線周圍直流電場將決定母線尺寸與線路電壓，當(dāng)母線產(chǎn)生電暈后，將使空間帶電離子沿極性相反方向或?qū)Φ匾苿樱纬呻x子流場，并與標(biāo)稱電場疊加成為合成電場，但空間帶電離子不會影響直流電場儀的測量精度，因此可將其忽略不計。以火電廠內(nèi)高壓直流線路現(xiàn)場施工項目為例，為保證在施工現(xiàn)場嚴(yán)格控制安全距離，提出一種安全距離預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，在施工現(xiàn)場布設(shè)任意測點(diǎn)，通過測量該點(diǎn)位的電場強(qiáng)度值，計算出測點(diǎn)與帶電體之間的距離，并根據(jù)GB 26859-2011 中對于施工機(jī)械、帶電體之間最小安全距離作出的規(guī)定進(jìn)行數(shù)值比較（如表1所示），由此調(diào)動智慧安防功能模塊進(jìn)行電子圍欄安裝位置、安裝方案的可視化呈現(xiàn)，并以數(shù)字化移交方式構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及模型庫，形成實體電廠模型[2]。

表1 現(xiàn)行規(guī)程中的最小安全距離Tab.1 Minimum safety distance in current regulations

2.2 旋轉(zhuǎn)伏特計測量

要想保證直流電場安全，不僅要建立三維模型、調(diào)整硬件和軟件配置，還要對直流場強(qiáng)等安全距離相關(guān)指數(shù)進(jìn)行測量，確保預(yù)警系統(tǒng)能夠根據(jù)各項指數(shù)，及時啟動預(yù)警功能，同時根據(jù)危險源危險系數(shù)、可能引起的安全事故，對其所處風(fēng)險等級進(jìn)行判斷，為管理風(fēng)險源等工作的開展提供便利。事實證明，只有這樣才能使智能預(yù)警有效性達(dá)到預(yù)期。

2.2.1 直流場強(qiáng)測量

根據(jù)直流電場分布特征，應(yīng)選擇高分辨率、高精度測量裝置進(jìn)行電場測距。在微弱直流電場信號檢測與處理環(huán)節(jié)，借鑒采用運(yùn)算放大器放大交流信號的基本原理，引入一種旋轉(zhuǎn)伏特計作為測量裝置，將該裝置移動至現(xiàn)場高壓帶電體周圍，可將捕捉的微弱直流電場信號轉(zhuǎn)化為交流信號，伴隨測量時間的延長，裝置中定磨片暴露面積與感應(yīng)電荷量均呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，通過獲取測定的交流電流信號值，即可計算出該測點(diǎn)分布區(qū)域范圍內(nèi)的直流場強(qiáng)[3]。在此基礎(chǔ)上，針對測量裝置測得的直流場強(qiáng)結(jié)果進(jìn)行分解，以感應(yīng)面法向為參照，可分別沿水平、垂直方向延伸出具體分量，其中沿垂直方向的分量無法在磨片上形成感應(yīng)電荷，因此該裝置主要適用于測量直流場強(qiáng)的平行分量。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)伏特計測量

旋轉(zhuǎn)伏特計作為一種測量設(shè)備，在圓片上對稱開設(shè)兩扇形缺口，將兩圓片正對、沿垂直方向間隔一定距離安裝在同一軸體上，組成裝置整體結(jié)構(gòu)，并保持兩圓片間的絕緣效果。將系統(tǒng)沿三個坐標(biāo)軸設(shè)置的旋轉(zhuǎn)伏特計探頭測的場強(qiáng)數(shù)值分別記為Ex、Ey和Ez，伴隨測量時間的延長，將定磨片表面的電荷量設(shè)為qs(t)、暴露面積為A(t)，真空介電常數(shù)取值為ε0，以測點(diǎn)場強(qiáng)的x 軸分量Ex為例，則測點(diǎn)所在面積聚的電荷量計算公式如式（1）所示：

將磨片對數(shù)量n 取值為1，磨片轉(zhuǎn)速為ω，磨片半徑為d，定磨片有效面積為A0，測試時間為t，其中定磨片暴露面積A(t）與有效面積A0的比值為sin2nωt。已知空間帶電離子對測量場強(qiáng)的影響可忽略不計，則由此建立電流isx(t）計算公式如式（2）所示：

將采樣電阻阻值設(shè)為R0，采樣電壓為U，則分別建立x、y、z 三個方向上采樣電阻電壓與測點(diǎn)場強(qiáng)的關(guān)系式，如式（3）所示：

將測點(diǎn)場強(qiáng)設(shè)為E，所測電壓值為U，根據(jù)三個方向上采樣電壓與場強(qiáng)的關(guān)系式，可推導(dǎo)出測點(diǎn)電壓幅值Um與場強(qiáng)的關(guān)系，表示為如式（4）所示：

在此基礎(chǔ)上，針對火電廠內(nèi)高壓母線進(jìn)行周圍場強(qiáng)測試，已知介電常數(shù)為ε、電容為C、電荷量為τ，母線對地電壓為U1、對地高度為H、等效半徑為r，母線與測點(diǎn)間距為L，則母線電荷量及其與測點(diǎn)場強(qiáng)E 的關(guān)系式分別為如式（5）和式（6）所示：

整合上述關(guān)系式，建立旋轉(zhuǎn)伏特計的動態(tài)特性描述方程，表示為如式（7）所示：

考慮到交直流區(qū)域之間具有一定電氣聯(lián)系，因此在直流區(qū)域內(nèi)進(jìn)行場強(qiáng)測試時還需兼顧交流電場帶來的干擾因素，將交流電場信號設(shè)為E′，信號幅值為E′0，角速度為ω′。參考直流電場建立測點(diǎn)電壓幅值與場強(qiáng)的關(guān)系式，已知直流電場的測量電壓頻率為fu=2ω，則交流電場的測量電壓頻率為f′=ω′±2ω。在實際信號處理模塊設(shè)計上，通過加入測量電壓頻率為f 的帶通濾波器，能夠在場強(qiáng)測試環(huán)節(jié)有效排除交流電場信號干擾，保證測量結(jié)果精度。根據(jù)定磨片在直流電場中的暴露面積變化規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)伏特計選型與參數(shù)優(yōu)化，選取2 個半徑4cm 的1/4 圓狀不銹鋼片以29°拼接組成定磨片，定磨片有效面積為7.9cm2，傳動軸半徑為0.4cm，借此保證信號輸出正弦波形。

2.3 超聲波雷達(dá)測距

在引入旋轉(zhuǎn)伏特計測量直流場強(qiáng)的基礎(chǔ)上，考慮到火電項目實際施工過程中可能遇到停電問題，為保證在停電狀態(tài)下系統(tǒng)仍可正常發(fā)揮預(yù)警提示功能，擬在原系統(tǒng)中加裝超聲波傳感器裝置[4]。已知超聲波在空氣中的傳播速度v 與環(huán)境溫度T 存在關(guān)聯(lián)性，即v=331.41+0.607T，將超聲波單次收發(fā)時長設(shè)為t，則超聲波傳感器與障礙物的間距s 計算公式如式（8）所示：

在裝置實際安裝環(huán)節(jié)，采用數(shù)字化模型中提供的數(shù)字化移交功能進(jìn)行全廠三維數(shù)字化移交，基于上海廟火電項目三維數(shù)字化移交系統(tǒng)平臺輸入工程數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備安裝位置、圖紙及數(shù)據(jù)的自動關(guān)聯(lián)，為火電項目業(yè)主方、總包方與設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)理等多參建主體提供數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)合作平臺。例如在超聲波雷達(dá)測距平臺的設(shè)計與實現(xiàn)上，采用漸進(jìn)式數(shù)字化移交模式，已知沿測點(diǎn)的x、y、z 三軸向均安裝有旋轉(zhuǎn)伏特計探頭，可獲取電場強(qiáng)度的三維測量結(jié)果，并將現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)回傳至信息化管理平臺中，輔助實現(xiàn)現(xiàn)場管網(wǎng)負(fù)挖量計算、安全施工距離測算等功能，提高施工現(xiàn)場安全管理效率。通過獲取旋轉(zhuǎn)伏特計的各軸向場強(qiáng)測量結(jié)果，分別計算出測點(diǎn)對應(yīng)的場強(qiáng)幅值、旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)，用于輔助完成障礙物所在方位的分析與判斷。在此基礎(chǔ)上，將場強(qiáng)信號測定結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的報警閾值進(jìn)行比較，當(dāng)判斷超出閾值后自動啟動報警模塊，根據(jù)對應(yīng)的級別設(shè)置報警優(yōu)先級，并整合超聲波測距信號與報警閾值進(jìn)行同步比較，保證系統(tǒng)報警精度、避免發(fā)生漏報問題。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果

已知現(xiàn)場測點(diǎn)的電壓為500kV，設(shè)置3 級報警機(jī)制，各級報警距離分別為6.8m、7.8m 和8.8m，在各測點(diǎn)處重復(fù)測量20 次，取重復(fù)測量過程中的誤差最大值進(jìn)行比較分析，其中發(fā)現(xiàn)三級測量最大誤差報警距離分別為6.87m、7.94m 和8.92m，最大誤差為1.8%、最大誤差絕對值為0.14m，由此判斷其滿足現(xiàn)場施工機(jī)械設(shè)備安全作業(yè)要求，可有效發(fā)揮預(yù)警提示功能、防范安全事故發(fā)生。

4 結(jié)語

通過結(jié)合火電廠內(nèi)電場特征與測量原理，采用電壓頻率為f 的帶通濾波器進(jìn)行場強(qiáng)測試，能夠有效排除工頻交流信號等干擾因素，依托旋轉(zhuǎn)伏特計的選型及參數(shù)優(yōu)化保證安全距離測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)實際應(yīng)用于現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)有效發(fā)揮安全距離預(yù)警功能，維護(hù)現(xiàn)場安全作業(yè)秩序。