不停電配網(wǎng)作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置的開發(fā)

一、引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會生產(chǎn)生活均對供電的穩(wěn)定性提出了更高的要求，供電質(zhì)量和安全已成為優(yōu)化營商環(huán)境的重要指標(biāo)。國網(wǎng)設(shè)備部在《關(guān)于全面加強(qiáng)配網(wǎng)不停電作業(yè)管理工作的通知》（設(shè)備配電〔2019〕77號）中要求：盡可能地用不停電作業(yè)方式對配電網(wǎng)開展各類作業(yè)，以提高供電穩(wěn)定性與可靠性。因此需要不斷提升配網(wǎng)不停電作業(yè)水平，確保電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。不斷開發(fā)帶電作業(yè)工具、帶電作業(yè)安全防護(hù)裝備和安全監(jiān)測裝備，來保障不停電作業(yè)人員的人身安全。

開發(fā)安全環(huán)境監(jiān)測裝置，旨在作業(yè)前迅速知悉現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，為安全開展不停電作業(yè)提供可靠性依據(jù)。安全環(huán)境要素包括上述的設(shè)備電流、電壓，環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速。安全環(huán)境監(jiān)控裝置需要實現(xiàn)對五大要素的實時監(jiān)測。作業(yè)前根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)確定現(xiàn)場環(huán)境是否適宜開展帶電作業(yè)，作業(yè)時當(dāng)任一要素發(fā)生突變影響作業(yè)安全時，裝置會在第一時間預(yù)警，提示帶電作業(yè)是否停止，從而提高作業(yè)人員的人身安全。

本文針對10kV配網(wǎng)不停電作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置的開發(fā)，主要分析五大安全環(huán)境要素數(shù)據(jù)采集裝置的構(gòu)成及工作原理、主機(jī)的構(gòu)成及控制電路的設(shè)計方案。

二、安全環(huán)境監(jiān)控裝置的構(gòu)成及技術(shù)原理

（一）裝置開發(fā)的主要技術(shù)原理

安全環(huán)境監(jiān)控裝置開發(fā)的主要功能部件包括：環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置、集成電路裝置、預(yù)警裝置。環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置負(fù)責(zé)采集作業(yè)現(xiàn)場的實時環(huán)境模擬量，并轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行傳輸。集成電路裝置負(fù)責(zé)接收電信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行液晶數(shù)字顯示，匹配電路模塊預(yù)設(shè)的安全數(shù)值，發(fā)出是否適宜開展帶電作業(yè)的提示；在帶電作業(yè)過程中，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)發(fā)生突變超過預(yù)設(shè)的安全數(shù)值時，能及時將其傳遞至預(yù)警電路模塊，觸發(fā)預(yù)警裝置實施報警。

應(yīng)用于10kV不停電作業(yè)的安全環(huán)境監(jiān)測裝置，監(jiān)測的五大要素分為三個方面要素：由于電壓高，為確保裝置使用安全，電氣要素的數(shù)據(jù)需要采用無線傳輸方式；環(huán)境要素的采集裝置可以內(nèi)置于主機(jī)內(nèi)，便于裝置集成與攜帶。

（二）環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置組成及工作原理

環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置包括電壓、電流、溫度、濕度、風(fēng)速共五套數(shù)據(jù)采集裝置。

1.10kV電壓采集裝置

由環(huán)形探鉤、電壓探測器、絕緣操作桿組成。電壓探測器上端安裝環(huán)形探鉤，可掛在高壓線上，下端旋接在絕緣操作桿上。3根組裝式絕緣操作桿，總長6米，其試驗電壓符合國標(biāo)GB113398-92《帶電作業(yè)用絕緣桿通用技術(shù)條件》。電壓探測器內(nèi)置鎳氫充電電池、無線電波發(fā)射機(jī)、信號轉(zhuǎn)換模塊和天線。

電壓采集裝置測量相電壓的工作原理：基于電磁場的相互轉(zhuǎn)換，電壓探測器通電工作時無線電波發(fā)射機(jī)會發(fā)出高頻磁場，當(dāng)這個高頻磁場與高壓電路中的三相電源形成的磁場合成時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個感應(yīng)電動勢的大小與三相電源的相電壓成正比。因此，通過測量這個感應(yīng)電動勢的大小，就可以進(jìn)行相電壓的測量。

信號轉(zhuǎn)換模塊將感應(yīng)電動勢測量的模擬數(shù)值轉(zhuǎn)換成無線電數(shù)字信號，并通過天線發(fā)送至集成電路裝置進(jìn)行處理。信號傳輸有效距離大于100米，改變了傳統(tǒng)接觸式測量方法，消除了接觸式測量的危險性，有力保障了測量人員的人身安全。電壓采集裝置采用人性化的設(shè)計，操作簡單方便，即使是沒有專業(yè)知識的人員也能輕松上手，操作過程安全可靠，確保裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

2.電流采集裝置

由高壓鉗形檢測儀和5根組裝式絕緣桿組成。絕緣桿組裝后長度為6米，頂端與檢測儀底部旋接。檢測采用鉗形CT方式，鉗口：48mm，可測Φ48mm及以下的導(dǎo)線。

電流采集裝置測量高壓輸電線路電流的工作原理：利用電磁感應(yīng)原理，通過檢測穿過被測導(dǎo)線的磁場強(qiáng)度，計算出被測導(dǎo)線的電流大小。即高壓鉗形CT內(nèi)部包含一個電磁鐵，一個霍爾傳感器，信號轉(zhuǎn)換模塊和天線。高壓導(dǎo)線穿過電磁鐵時，會在電磁鐵內(nèi)部產(chǎn)生磁場。這個磁場的大小與高壓導(dǎo)線的電流成正比。高壓鉗形CT內(nèi)部的霍爾傳感器，可以檢測到這個磁場的強(qiáng)度，并通過信號轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為無線電信號，通過天線進(jìn)行發(fā)送，傳輸至集成電路裝置進(jìn)行處理。

電流數(shù)據(jù)的無線傳輸方式使用無線電頻率（RF）技術(shù)，直線傳輸距離為30米，便于操作人員在安全距離外讀取電流測量結(jié)果，避免了與高壓電路的直接接觸。

3.溫度采集裝置

環(huán)境溫度采集裝置主要包括NTC熱敏電阻，信號轉(zhuǎn)換模塊，信號調(diào)制電路、電源模塊、輸出接口、數(shù)據(jù)線。其中NTC熱敏電阻是核心元件。

溫度采集裝置的工作原理：當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，NTC熱敏電阻的電阻值會發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化通過信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號，由信號調(diào)制電路進(jìn)行調(diào)制和放大后，由輸出接口和數(shù)據(jù)線將電信號傳輸?shù)郊呻娐纺K進(jìn)行后續(xù)處理。電源模塊為溫度采集裝置提供工作所需的電源。

4.濕度采集裝置

環(huán)境濕度采集裝置主要包括濕敏電容、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)制電路、電源模塊、輸出接口、數(shù)據(jù)線。濕敏電容用高分子薄膜電容制成，能夠根據(jù)環(huán)境濕度變化導(dǎo)致介電常數(shù)的變化，從而測量濕度。濕敏電容的優(yōu)點(diǎn)包括靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化。

濕度采集裝置的工作原理：濕敏電容是核心元件，可以感知環(huán)境濕度的變化，信號轉(zhuǎn)換模塊將濕敏電容感知到的濕度變化轉(zhuǎn)換為電信號。信號調(diào)制電路將電信號進(jìn)行調(diào)制和放大，信號調(diào)制電路包括放大器、濾波器、調(diào)制解調(diào)器。輸出接口和數(shù)據(jù)線將電信號傳輸?shù)郊呻娐纺K進(jìn)行后續(xù)處理。電源模塊為濕度采集裝置提供工作所需的電源。

5.風(fēng)速采集裝置

環(huán)境風(fēng)速采集點(diǎn)為人員高空作業(yè)的高度位置，離地面5.5—6.5米。風(fēng)速采集裝置包括六葉風(fēng)輪、風(fēng)速傳感器、可伸縮支撐桿、固定盤、數(shù)據(jù)線。其中可伸縮支撐桿最大伸長為6.5米，分6節(jié)，全部縮回為1.1米，類似伸縮式釣魚竿結(jié)構(gòu)，下端安裝在固定盤上，與地面垂直。六葉風(fēng)輪安裝在支撐桿頂端，風(fēng)輪迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，隨風(fēng)向繞支撐桿軸向轉(zhuǎn)動。

風(fēng)速傳感器設(shè)在六葉風(fēng)輪下方，是采集風(fēng)速的核心裝置，由風(fēng)速敏感元件、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)制電路、充電鋰電池、輸出接口組成。

風(fēng)速采集裝置的工作原理：利用六葉風(fēng)輪，將風(fēng)的流動轉(zhuǎn)換為可測量的機(jī)械運(yùn)動，然后通過風(fēng)速傳感器和信號轉(zhuǎn)換模塊將機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號調(diào)制電路進(jìn)行放大和處理后，經(jīng)輸出接口和數(shù)據(jù)線傳遞至集成電路裝置進(jìn)行后續(xù)處理。

三、主機(jī)及集成電路裝置的結(jié)構(gòu)開發(fā)

（一）主機(jī)結(jié)構(gòu)

主機(jī)結(jié)構(gòu)為手持便攜式人機(jī)交互機(jī)，外部件包括：絕緣硬質(zhì)殼體件、液晶顯示屏，數(shù)據(jù)線接口，USB接口，預(yù)警裝置等。其中液晶顯示屏為人機(jī)交互的終端，USB接口便于與多媒體互連。內(nèi)部件包括：絕緣主板和數(shù)據(jù)線。絕緣主板上安裝有集成電路模塊，溫度采集裝置，濕度采集裝置。即溫度和濕度采集裝置為主機(jī)內(nèi)置件，電壓、電流、風(fēng)速三個采集裝置為外置件。

根據(jù)所有電子元器件的大小、外形、電路板的大小進(jìn)行外包裝設(shè)計，對主機(jī)殼體進(jìn)行建模，包括殼體尺寸的大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開孔尺寸等，形成一套成型的便攜式設(shè)備，保證主機(jī)的結(jié)實度、美觀度、使用度。

（二）主機(jī)功能

五大要素的采集數(shù)據(jù)均需要數(shù)字化，并液晶顯示，用戶通過屏幕終端可以直觀地了解當(dāng)前的環(huán)境信息。同時實現(xiàn)作業(yè)前根據(jù)數(shù)值匹配性發(fā)出環(huán)境是否適宜開展帶電作業(yè)的提示。作業(yè)時當(dāng)任一要素發(fā)生突變偏離安全預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍時，裝置會在第一時間報警。

主機(jī)功能通過集成電路裝置來實現(xiàn)，集成電路裝置采用單片機(jī)作為計算中心，功能電路模塊以單片機(jī)為控制核心，電路設(shè)計包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計、電源電路設(shè)計、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、無線接收電路設(shè)計、接口電路設(shè)計、數(shù)字顯示電路設(shè)計、預(yù)警電路設(shè)計，共七種電路設(shè)計。

集成電路裝置的工作原理：由單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件的驅(qū)動，兩套無線接收電路負(fù)責(zé)接收電壓、電流的無線電信號，接口電路負(fù)責(zé)接收溫度、濕度、風(fēng)速的有線傳輸電信號。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將接收的上述五項模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由數(shù)字顯示電路將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號進(jìn)行液晶顯示，用戶通過屏幕終端直觀了解當(dāng)前環(huán)境五大信息的數(shù)值；帶電作業(yè)過程中，液晶屏幕全程實時顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)任一要素發(fā)生突變，偏離安全預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍時，預(yù)警電路會在第一時間通電報警。

單片機(jī)控制系統(tǒng)通過IIC通信與電路模塊連接，內(nèi)置的程序采用C語言編程，針對7個功能模塊均建立子程序，并將子程序嵌套到整個主程序內(nèi)，使程序編寫模塊化、功能化，保證程序運(yùn)行快速、合理。

四、結(jié)語

不停電配網(wǎng)作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置的開發(fā)，首先是可以判斷現(xiàn)場五大要素是否符合不停電安全作業(yè)的條件，其次更重要的是在已經(jīng)開展帶電作業(yè)的情況下，能夠解決帶電作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境突變不能第一時間預(yù)知的問題，為工作負(fù)責(zé)人和帶電作業(yè)人員提供實時、準(zhǔn)確的環(huán)境運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在超出規(guī)定范圍時及時報警，進(jìn)一步提升帶電作業(yè)人員的安全性。

裝置開發(fā)完成后，實現(xiàn)了以下目標(biāo)：

（1）判斷現(xiàn)場五大要素是否符合不停電安全作業(yè)，不符合時報警。

（2）電壓、電流（用戶側(cè)反送電）突然升高影響作業(yè)安全時及時報警。

（3）現(xiàn)場溫度、濕度突然變化，影響作業(yè)安全時及時報警。

（4）現(xiàn)場風(fēng)速大于5級，影響作業(yè)安全時及時報警。

2023年僅在安徽省國網(wǎng)系統(tǒng)就開展帶電作業(yè)1.4萬次以上，配網(wǎng)不停電作業(yè)能力仍然需要不斷提升。不停電配網(wǎng)作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置是一款全過程的自動化安全監(jiān)測裝備，可以提高帶電作業(yè)的穩(wěn)定性，提升作業(yè)人員的安全保障能力，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（作者單位：國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院）