基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)

周曉磊 馬 保 靳瑩瑩 王曉蕾 王 鵬

（登封市供電公司）

0 引言

變電站是變換電壓和電流大小、接收并分配電能的場(chǎng)所，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，各種電壓等級(jí)的變電站在電能傳輸中發(fā)揮著樞紐作用，是電能分配的重要支撐點(diǎn)[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，變電站電壓等級(jí)越來越高，同時(shí)站內(nèi)設(shè)備體積和重量也隨之增加，為提高效率，變電站內(nèi)的施工中需要用到大量大型機(jī)械輔助開展吊裝作業(yè)。變電站內(nèi)工況復(fù)雜，尤其是改擴(kuò)建工程，其站內(nèi)往往存在帶電區(qū)域，大型機(jī)械在停電區(qū)域作業(yè)時(shí)，因視角問題，無法發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂越過安全線靠近帶電區(qū)[3]，并且大多數(shù)機(jī)械未安裝近電禁止器，帶來較高安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

目前常用的測(cè)距方法有：移動(dòng)定位服務(wù)系統(tǒng)（Location Based Service，LBS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、紅外線和超聲波等，變電站屬于設(shè)備密集和高電磁干擾的環(huán)境，LBS、紅外和超聲波無法正常使用，而GPS 無法在變電站這種非公開可視范圍內(nèi)使用[5]。激光測(cè)距是近年來普及的新型測(cè)距方法，具有非接觸、高抗電磁干擾和高精度的優(yōu)點(diǎn)[6-8]，同時(shí)不受衛(wèi)星可視限制。本文提出以激光雷達(dá)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)對(duì)空測(cè)距裝置，當(dāng)機(jī)械超出安全作業(yè)面時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，告知設(shè)備駕駛員出現(xiàn)越界問題。

本文首先介紹激光測(cè)距技術(shù)，接著分析變電站內(nèi)典型作業(yè)區(qū)域[9]，以此為基礎(chǔ)，給出基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和預(yù)警流程，最后開展預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試。

1 激光測(cè)距技術(shù)

根據(jù)測(cè)距原理，激光測(cè)距技術(shù)有脈沖式、相位式和三角法三類，各種方式優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。從表1可以看出，激光相位式測(cè)距方法最適用于變電站內(nèi)大型機(jī)械施工工況。

表1 三類激光測(cè)距技術(shù)特點(diǎn)

相比于脈沖式測(cè)距中距離為光速乘時(shí)間差的直接計(jì)算方法，相位式測(cè)距采用調(diào)制激光束并測(cè)定激光往返測(cè)程一次產(chǎn)生的相位延遲換算距離的間接計(jì)算法，即利用發(fā)射激光束與反射激光束之間的相位差計(jì)算測(cè)程長(zhǎng)度，如圖1 所示。

圖1 相位式激光測(cè)距示意圖

由圖1 可以推導(dǎo)出相位式測(cè)距計(jì)算為：

式中，x為測(cè)程長(zhǎng)度；c為激光速度；f為調(diào)制波頻率；φ為發(fā)射波與接收波的相位差；N為整數(shù)尺；ΔN為余尺。

2 變電站內(nèi)典型作業(yè)區(qū)域

2.1 三維半球區(qū)域

吊車等大型機(jī)械的施工范圍以吊臂可工作空間為基礎(chǔ)確定，常規(guī)大型吊車吊臂運(yùn)動(dòng)有底盤360°旋轉(zhuǎn)、吊臂上下90°旋轉(zhuǎn)和吊臂徑向長(zhǎng)度伸縮三個(gè)自由度，是典型的球坐標(biāo)體系，具體見圖2。考慮到實(shí)際中吊臂不可能向基座以下旋轉(zhuǎn)，因此本文分析三維半球典型作業(yè)區(qū)域，此典型區(qū)域適用于機(jī)械可工作范圍大、設(shè)備稀疏的場(chǎng)景，在機(jī)械工作范圍小、設(shè)備復(fù)雜時(shí)可根據(jù)半球形區(qū)域內(nèi)最靠近機(jī)械的帶電區(qū)域設(shè)定安全距離，也可以視作三維半球典型作業(yè)區(qū)域。

圖2 三維半球作業(yè)區(qū)域示意圖

三維半球區(qū)域中底盤和吊臂的上下旋轉(zhuǎn)自由度均不涉及距離量，因此僅需取吊臂徑向長(zhǎng)度作為安全預(yù)警系統(tǒng)的判斷值：

式中，l為吊臂徑向長(zhǎng)度；LThreshod為吊臂徑向長(zhǎng)度預(yù)警值。

2.2 長(zhǎng)方體區(qū)域

在變電站改擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)，大型機(jī)械在停電間隔進(jìn)行吊裝作業(yè)，工作區(qū)域局限在指定間隔內(nèi)，其中變電站內(nèi)典型的主變間隔和線路間隔都是長(zhǎng)方體區(qū)域，為盡可能擴(kuò)大工作區(qū)域同時(shí)減少旋轉(zhuǎn)面，吊車等機(jī)械往往位于長(zhǎng)方體的某一側(cè)面，具體如圖3 所示。

圖3 長(zhǎng)方體作業(yè)區(qū)域示意圖

由于吊車位于長(zhǎng)方體的側(cè)面，不同底盤旋轉(zhuǎn)角度和吊臂上下旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，吊臂可工作的徑向長(zhǎng)度均不同，考慮到實(shí)際變電站中同一坐標(biāo)下不同高度區(qū)域均屬同一間隔，即沿圖3 中z軸方向上帶電狀態(tài)相同，那么長(zhǎng)方體區(qū)域可視作高度無窮高，所以吊臂上下旋轉(zhuǎn)角度不會(huì)導(dǎo)致越界問題，為簡(jiǎn)化安全預(yù)警系統(tǒng)判斷值的計(jì)算，將三維長(zhǎng)方體區(qū)域簡(jiǎn)化為圖4 所示二維長(zhǎng)方形區(qū)域，不過需考慮圖4 中吊臂徑向長(zhǎng)度應(yīng)為實(shí)際吊臂長(zhǎng)度在地平面的投影，而非吊臂實(shí)際長(zhǎng)度，即：

圖4 二維長(zhǎng)方形作業(yè)區(qū)域示意圖

式中，l為實(shí)際吊臂長(zhǎng)度；lxOy為吊臂在二維長(zhǎng)方形區(qū)域的等效長(zhǎng)度；ψ為吊臂與xOy平面的夾角。

長(zhǎng)方體區(qū)域中吊臂的上下旋轉(zhuǎn)自由度對(duì)越界問題的影響已由上式考慮，下面僅需分析底盤旋轉(zhuǎn)和吊臂徑向長(zhǎng)度兩個(gè)自由度對(duì)安全預(yù)警系統(tǒng)判斷值影響，為方便分析僅考慮吊臂在Oy軸右側(cè)：

式中，θ為底盤旋轉(zhuǎn)角度；θTh為吊臂在安全范圍內(nèi)能伸至最長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的角度，即計(jì)算公式變換的界限角度；a為長(zhǎng)方體區(qū)域的寬；b為長(zhǎng)方體區(qū)域的長(zhǎng)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和預(yù)警流程

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)包括設(shè)備層、數(shù)據(jù)層和邏輯層，具有指令下發(fā)、硬件設(shè)備、工作區(qū)域識(shí)別、工作面計(jì)算和邏輯分析等功能，如圖5 所示。

圖5 基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

設(shè)備層由指令下發(fā)和硬件設(shè)備兩個(gè)模塊組成，指令下發(fā)主要是機(jī)械操作員根據(jù)作業(yè)區(qū)域下發(fā)工況指令，確定機(jī)械處在三維半球形區(qū)域還是長(zhǎng)方體區(qū)域，這是預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行的首要前提；硬件設(shè)備主要用于激光測(cè)距，根據(jù)前面分析的典型工作區(qū)域，激光測(cè)距僅需測(cè)量吊臂徑向長(zhǎng)度，底盤旋轉(zhuǎn)角度和吊臂上下旋轉(zhuǎn)角度由吊車自身提供。將激光發(fā)射源置于吊臂與吊車底盤對(duì)接處，并且可隨底盤360°和吊臂上下90°旋轉(zhuǎn)，始終確保激光發(fā)射路徑與吊臂同向。將激光反射裝置置于吊臂頂端，并且可隨吊臂徑向伸縮移動(dòng)，始終與激光發(fā)射路徑垂直。

數(shù)據(jù)層由工作區(qū)域識(shí)別和工作面數(shù)據(jù)計(jì)算兩個(gè)模塊組成，工作區(qū)域識(shí)別是根據(jù)指令確定吊車所處典型工作區(qū)域，工作面數(shù)據(jù)計(jì)算是根據(jù)激光測(cè)得徑向長(zhǎng)度、底盤旋轉(zhuǎn)角度和吊臂上下旋轉(zhuǎn)角度描繪當(dāng)前工作面。邏輯層由安全預(yù)警邏輯分析模塊組成，根據(jù)數(shù)據(jù)層識(shí)別的工作區(qū)域和描繪的實(shí)時(shí)工作面，判斷是否發(fā)出越界預(yù)警信息。

3.2 預(yù)警流程

基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)的工作流程如圖6 所示。

圖6 基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)流程圖

一個(gè)安全預(yù)警流程判斷周期以下發(fā)指令為起始，下發(fā)何種指令由機(jī)械操作員會(huì)商確定，指令包含工作區(qū)域種類和安全工作面，其中三維半球區(qū)域種類識(shí)別碼為0，其安全工作面參數(shù)為半球半徑；長(zhǎng)方體區(qū)域種類識(shí)別碼為1，其安全工作面參數(shù)為吊車所在長(zhǎng)方體的長(zhǎng)寬。根據(jù)以激光測(cè)距模塊和吊車底盤、吊臂旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量模塊實(shí)時(shí)獲得的距離和角度數(shù)據(jù)描繪吊車的實(shí)時(shí)工作面，接著進(jìn)入吊車實(shí)時(shí)工作面與安全工作面比對(duì)環(huán)節(jié)，如實(shí)時(shí)工作面處在安全工作面內(nèi)，則進(jìn)入下一判斷周期，如實(shí)時(shí)工作面達(dá)到或超出安全工作面，則進(jìn)入報(bào)警模塊，觸發(fā)吊車駕駛室內(nèi)揚(yáng)聲器和發(fā)光二極管，以聲光報(bào)警信號(hào)告知吊車駕駛員。

4 預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試

2023 年10 月17 日在某220kV 交流變電站內(nèi)主變間隔擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，所擴(kuò)主變間隔位于變電站主變區(qū)的最東側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)可作業(yè)區(qū)域及標(biāo)定的安全圍欄均為長(zhǎng)方體區(qū)域。在主變擴(kuò)建間隔所用吊車上安裝激光測(cè)距裝置，并在吊車駕駛室內(nèi)加裝基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)所用的數(shù)據(jù)采集和分析模塊、越界邏輯判斷模塊。

測(cè)試時(shí)為確保現(xiàn)場(chǎng)人員和設(shè)備安全，特在指令下發(fā)時(shí)將安全作業(yè)面參數(shù)較實(shí)際值減小1m，測(cè)試結(jié)果表明實(shí)際工作面在距設(shè)定安全工作面超過0.1m 時(shí)均能準(zhǔn)確給出判斷結(jié)果，受限于激光測(cè)距精度，在設(shè)定安全工作面±0.1m 內(nèi)判斷結(jié)果未知，如表2 所示。

表2 220kV 變電站主變擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

通過變電站主變間隔擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于激光測(cè)距的變電站機(jī)械施工作業(yè)安全預(yù)警系統(tǒng)能夠判斷機(jī)械實(shí)際工作面是否越界，雖然受限于測(cè)距裝置精度在±0.1m 內(nèi)無法準(zhǔn)確判斷，但考慮現(xiàn)場(chǎng)吊車等機(jī)械移動(dòng)量，該誤差可以忽略。本文所提系統(tǒng)能夠提高變電站吊裝作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)工作面可觀、可測(cè)、可預(yù)警的同時(shí)，并未大幅增加吊車等機(jī)械改裝的成本和復(fù)雜度，在變電站改擴(kuò)建施工現(xiàn)場(chǎng)具備可實(shí)行性。