基于三維可視化的直流電場安全距離預警系統設計

國電電力雙維內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行與施工環節安全預警系統存在的精度差、時率低等問題，基于三維可視化理念建立數字化模型，引入超級可視化計算機進行人機交互界面的優化設計，根據合成電場運行原理采用旋轉伏特計與超聲波雷達傳感器作為系統硬件，配合安全距離信號跟蹤、動態監測與智能預警功能模塊的設計，最終將其應用于某火電項目的現場測試環節，測得該系統可有效發揮三級預警功能，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增效提出現實要求，火電廠面臨的安全生產形勢漸趨嚴峻，雖然現行規程中對于施工機械與帶電體的最小安全距離做出嚴格限制，但仍無法避免在實際施工環節因安全距離測量精度差、估算不準確等因素誘發觸電事故，威脅火電項目安全運行及人員生命健康。研究一種高精度、抗干擾性能強的安全距離預警系統，對于維護火電項目施工現場安全具有顯著現實意義。

1 建立數字化模型

1.1 建立模型

基于上海廟火電項目三維數字化移交系統平臺建立火電廠全生命周期三維數字化模型。在設計階段以1∶1高精細化模型為載體，將火電項目的設計、采購、施工、調試等不同階段多維異構數據輸入模型中，建立模型、圖紙、文檔與數據資料的自動關聯，實現二維平面圖紙與三維模型建的雙向聯動機制，為火電廠項目建設管理、設備檢修、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。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 信號采集裝置

選用BITTWAR 信號采集器，提供8 路開關、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。利用該裝置進行設備運行狀態數據的動態采集，支持數據實時共享與自動回復，滿足系統安全預警要求。系統采用集成式結構設計，內置若干功能模塊，分別搭載傳感器、交換機等硬件設備，并基于統一HTTP 協議進行網絡通信及資源共享。在裝置運行環節，通過提取采集信號與設定閾值進行比較分析，判斷是否超過安全距離，執行觸發告警或存儲數據庫等操作。

1.2.2 超級可視化計算機

基于三維可視化設計理念，引入KLC-8-5N-622超級可視化計算機取代原有顯示器，該計算機運行RISC處理器、搭載3D 圖形系統，可提供強大的人機交互功能，實現對采集信號、數據信息的可視化處理，并在計算機屏幕端呈現出高清處理結果。

1.2.3 報警裝置

采用LKOP-260 報警器，提供電源、常開信號接線，內置GTF2640 芯片、提供語音提示功能。將裝置電阻設為100kΩ，以6.5kHz 頻率、20m 距離、360°執行采樣操作，將其與旋轉伏特計、超聲波傳感器進行同步安裝，當測得系統安全距離超出設定閾值后，即自動觸發聲光報警提示功能，用于提示管理人員及操作人員。

1.3 系統軟件設計

1.3.1 信號跟蹤模塊設計

根據旋轉伏特計、超聲波傳感器采集的安全距離信號，預先定義一個監測預警數值組，根據三級預警機制對不同強度信號分別提取一個緯度賦值，用于獲取監測強度數據。根據預設的安全距離預警閾值，將上述信號經分析處理后形成智能化預警指標，用于對信號發送點位及傳輸路徑進行動態監測，即可實現對安全信號的實時跟蹤。

1.3.2 信號可視化模塊設計

在基于可視化技術引入超級可視化計算機的基礎上，運用3D 建模、渲染等工具進行抽象信號傳輸路徑的可視化呈現，以投影方式直觀呈現在監控畫面端，供系統管理人員及現場操作人員查看監控圖形及數據，實現對施工現場安全距離的可視化呈現。在此基礎上，針對安全距離信號進行可信任度、可視化清晰度的定義，根據信號變化幅值計算結果得到映射值，并將終端數據傳輸，即可獲取信號指數變化規律，進而識別干擾測試結果的風險源數量及其具體分布位置，輔助完成干擾源排查及故障處理。

2 安全距離預警系統應用及可視化管理

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，當母線產生電暈后，將使空間帶電離子沿極性相反方向或對地移動，形成離子流場，并與標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。以火電廠內高壓直流線路現場施工項目為例，為保證在施工現場嚴格控制安全距離，提出一種安全距離預警系統設計方案，在施工現場布設任意測點，通過測量該點位的電場強度值，計算出測點與帶電體之間的距離，并根據GB 26859-2011 中對于施工機械、帶電體之間最小安全距離作出的規定進行數值比較（如表1所示），由此調動智慧安防功能模塊進行電子圍欄安裝位置、安裝方案的可視化呈現，并以數字化移交方式構建基礎數據庫及模型庫，形成實體電廠模型[2]。

表1 現行規程中的最小安全距離Tab.1 Minimum safety distance in current regulations

2.2 旋轉伏特計測量

要想保證直流電場安全，不僅要建立三維模型、調整硬件和軟件配置，還要對直流場強等安全距離相關指數進行測量，確保預警系統能夠根據各項指數，及時啟動預警功能，同時根據危險源危險系數、可能引起的安全事故，對其所處風險等級進行判斷，為管理風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警有效性達到預期。

2.2.1 直流場強測量

根據直流電場分布特征，應選擇高分辨率、高精度測量裝置進行電場測距。在微弱直流電場信號檢測與處理環節，借鑒采用運算放大器放大交流信號的基本原理，引入一種旋轉伏特計作為測量裝置，將該裝置移動至現場高壓帶電體周圍，可將捕捉的微弱直流電場信號轉化為交流信號，伴隨測量時間的延長，裝置中定磨片暴露面積與感應電荷量均呈現出周期性變化規律，通過獲取測定的交流電流信號值，即可計算出該測點分布區域范圍內的直流場強[3]。在此基礎上，針對測量裝置測得的直流場強結果進行分解，以感應面法向為參照，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電荷，因此該裝置主要適用于測量直流場強的平行分量。

2.2.2 旋轉伏特計測量

旋轉伏特計作為一種測量設備，在圓片上對稱開設兩扇形缺口，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，組成裝置整體結構，并保持兩圓片間的絕緣效果。將系統沿三個坐標軸設置的旋轉伏特計探頭測的場強數值分別記為Ex、Ey和Ez，伴隨測量時間的延長，將定磨片表面的電荷量設為qs(t)、暴露面積為A(t)，真空介電常數取值為ε0，以測點場強的x 軸分量Ex為例，則測點所在面積聚的電荷量計算公式如式（1）所示：

將磨片對數量n 取值為1，磨片轉速為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場強的關系式，如式（3）所示：

將測點場強設為E，所測電壓值為U，根據三個方向上采樣電壓與場強的關系式，可推導出測點電壓幅值Um與場強的關系，表示為如式（4）所示：

在此基礎上，針對火電廠內高壓母線進行周圍場強測試，已知介電常數為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，母線與測點間距為L，則母線電荷量及其與測點場強E 的關系式分別為如式（5）和式（6）所示：

整合上述關系式，建立旋轉伏特計的動態特性描述方程，表示為如式（7）所示：

考慮到交直流區域之間具有一定電氣聯系，因此在直流區域內進行場強測試時還需兼顧交流電場帶來的干擾因素，將交流電場信號設為E′，信號幅值為E′0，角速度為ω′。參考直流電場建立測點電壓幅值與場強的關系式，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，能夠在場強測試環節有效排除交流電場信號干擾，保證測量結果精度。根據定磨片在直流電場中的暴露面積變化規律進行旋轉伏特計選型與參數優化，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 超聲波雷達測距

在引入旋轉伏特計測量直流場強的基礎上，考慮到火電項目實際施工過程中可能遇到停電問題，為保證在停電狀態下系統仍可正常發揮預警提示功能，擬在原系統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 與環境溫度T 存在關聯性，即v=331.41+0.607T，將超聲波單次收發時長設為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：

在裝置實際安裝環節，采用數字化模型中提供的數字化移交功能進行全廠三維數字化移交，基于上海廟火電項目三維數字化移交系統平臺輸入工程數據進行設備安裝位置、圖紙及數據的自動關聯，為火電項目業主方、總包方與設計、建設、監理等多參建主體提供數據共享與業務合作平臺。例如在超聲波雷達測距平臺的設計與實現上，采用漸進式數字化移交模式，已知沿測點的x、y、z 三軸向均安裝有旋轉伏特計探頭，可獲取電場強度的三維測量結果，并將現場測量數據回傳至信息化管理平臺中，輔助實現現場管網負挖量計算、安全施工距離測算等功能，提高施工現場安全管理效率。通過獲取旋轉伏特計的各軸向場強測量結果，分別計算出測點對應的場強幅值、旋轉角度參數，用于輔助完成障礙物所在方位的分析與判斷。在此基礎上，將場強信號測定結果與系統預設的報警閾值進行比較，當判斷超出閾值后自動啟動報警模塊，根據對應的級別設置報警優先級，并整合超聲波測距信號與報警閾值進行同步比較，保證系統報警精度、避免發生漏報問題。

3 現場測試結果

已知現場測點的電壓為500kV，設置3 級報警機制，各級報警距離分別為6.8m、7.8m 和8.8m，在各測點處重復測量20 次，取重復測量過程中的誤差最大值進行比較分析，其中發現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，由此判斷其滿足現場施工機械設備安全作業要求，可有效發揮預警提示功能、防范安全事故發生。

4 結語

通過結合火電廠內電場特征與測量原理，采用電壓頻率為f 的帶通濾波器進行場強測試，能夠有效排除工頻交流信號等干擾因素，依托旋轉伏特計的選型及參數優化保證安全距離測定結果的準確性，使系統實際應用于現場施工環節有效發揮安全距離預警功能，維護現場安全作業秩序。