基于空间定位测距原理的带电作业安全在线监测系统设计

姜玉靓1田野2许震欢3张昊蒙4梁佳宁5

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(1.身份证号码：41272419901020xxxx国网上海市电力公司;2.身份证号码：37230119950503xxxx上海置信电气非晶有限公司;3.身份证号码：31011219810821xxxx国网上海市电力公司;4.身份证号码：32062319940107xxxx上海置信电气非晶有限公司;5.身份证号码：32092519950202xxxx上海置信电气非晶有限公司)

摘要：带电作业过程中，作业人员与电力设备间保证一定的安全距离是电力作业安全防护的一个重要课题。然而，研究领域目前尚缺乏可以实时监测安全距离的警示装置。于是本文将空间定位测距技术引入到带电作业在线监测中，通过全站式测量设备实现对作业人员与带电设备间安全距离的多任务实时监测。系统采用球坐标测量原理，通过两旋转激光平面扫描测角度，再结合脉冲——相位法激光测距，并通过一定的算法解算出靶标在全局坐标系下空间坐标。该系统可实现多任务、实时测量，并且实现长距离精确测量。在此基础上，本文提出了变电站带电作业的分区域长方体模型，以实现越界提醒与警报。本文对基于空间定位测距原理的电力作业安全防护系统所做的前期研究，为后期深入研究奠定了基础。

关键词：带电作业安全防护全站式测距长方体模型

1引言

保证供电可靠性是电力行业中十分重要的一环，这就要求在输配电线路与设备的检修中有时要进行带电作业。在高压输电线路中电压较高，作业人员进入作业区域容易导致电场畸变，若与非等电位设备距离过近则容易导致暂态或稳态电击甚至击穿，所以要与导线保持一定的安全距离[1]。在配电网中，设备密集且设备间距和对地距离都比较小，作业人员容易与带电设备接触导致安全事故，所以也要与带电设备保持适当的安全距离[2]。由此可见，在带电作业过程中，与非等电位的线路和设备保持一定的安全距离十分重要。另外，变电站检修的带电作业工况较为复杂：一方面变电站内的一次设备比较密集，设备间电气间距较小，高压母线在空中密集分布，高压带电设备较多；另一方面检修工作临时性较强，工作周期短，工作人员对于现场设备与环境不完全熟悉，易发生事故。在输电线路、配电旁路和变电设备的带电工作中，在穿用屏蔽服、绝缘鞋、绝缘用具的基础上，还要特别注意最小安全距离的防护，所以有必要开发一种安全距离测量警示装置。这就对电力系统中的实时高精度测距提出了要求。

实时高精度测距通过在线监测系统来实现。在线监测技术利用信息采集仪器对电力系统中的电气设备和作业人员的相关指标进行实时的监控，并对监控结果进行实时的分析，同时将设备上的状况在监控可视终端上显示给技术人员进行处理，具有实时、精确的特点，能够快速精准的发现设备故障与作业问题并做出及时的处理，以防止故障及其危害进一步扩大[3]。将高精度测距应用于电力系统的在线监测中，可以实现对人员位置状态量进行实时监测，就可以保证作业人员的实时安全距离。目前电力系统在高精度实时测量领域的研究方向有磁性码智能监控技术、UWB无线定位技术、智能视频分析技术和无线传感网络技术等，并没有满足单台仪器实时高精度测量的需求[4]。所以为了满足此需求，可以通过全站式测量方法实现带电作业的安全防护中实时的高精度定位测距。

全站式测量方式是工业大尺度精密测量技术中的一种，只需要通过一台独立基站便可完成空间坐标的测量。主要运用的技术原理是球坐标测量原理，即测量出被测点在基站坐标系下的方位角和距离就能解算出该点的三维坐标，比较典型的设备为全站仪、激光雷达和激光跟踪器[5]。全站仪具有自动化程度高，无需人工标定，可以灵活多任务进行实时测量，符合研究需求。将这种空间定位技术与计算机和网络技术相结合应用于电力作业的安全距离在线监测，对于电力行业的安全保障有重要意义。

2空间定位测量

2.1空间定位测量原理

根据球坐标系空间定位测量原理，全站仪以基站为原点建立三维坐标系，然后使用单台基站测量靶标的空间角和空间间距，最后通过解算得出靶标的三维坐标。利用国家863科技支撑项目——面向航空数字化制造精密测量装置与系统(2012AA041205)——的研究成果，一种可行的方法是通过旋转的激光扫描平面来测量被测点的角度，再结合激光/超声波的测距方法来测量空间距离[6]。

该函数的优化问题通过Levenberg-Marquardt算法来求解，Levenberg-Marquardt算法是一种最小二乘拟合法，将初值代入进行多次迭代即可完成逼近，但是该算法对初值的要求很高，必须在真值附近，否则迭代结果不收敛[11]。

2.4误差与盲区

在理想情况下，通过扫描激光基站可以向空间进行全方位角的扫描，激光测距的方法可以很容易保证300m以内厘米级的分辨率，可以符合带电作业现场的需要[12]。系统误差主要是测量原理上的，只能让一个激光扫描光平面过原点，另一个光平面尽可能靠近原点，使得测量靶标角度时具有较小的偏差，但此误差只在测量距离很小的情况下较为明显，距离稍大的情况下该误差便可忽略。带电作业现场安全防护对坐标测量的精度、自动化程度、实时性、多任务线程等方面具有一定的要求，同时也要考虑到恶劣的带电作业现场环境带来的影响，对于带电作业中恶劣的现场环境如风、雷、雨、雾、高温、电磁波干扰等因素造成的误差，还需后续研究支持。

全站仪在水平方向上可以360°的扫描，而竖直方向上由于光平面与水平平面有夹角，存在一定的盲区，盲区大小与激光扫描平面内部参数有关，减小扫描平面竖直角可有效减小盲区。

3模型

在模型建立与仿真方面，目前的三维建模技术可以给我们很好的参考，虽然目前主要应用于培训方面，但是其立体性的效果，可以精确反应不同元素间几何拓扑关系，可以更好显示安全防护问题。以配电站进行检修作业时的在线监测为例，带电设备、电气间隔、人员通道均带有安全距离，可将以上这些按照距设备的远近具体分类为安全区、工作区、危险区和禁入区。将空间定位测距的坐标构建成全局坐标系下立体模型，然后对带电作业的人员与设备进行建模，使用三维模型中的元素代替复杂的空间实体，例如：将检修人员抽象为点然后在设备模型中添加人员宽度的裕度，用长方体代替变压器等，实现对人员、设备工作状态和坐标的实时在线监测。需要实现的功能是进入安全区时状态良好，进入工作区时进行提示，进入危险区时进行预警，越界危险区时报警。将该在线监测系统和现有的操作票与现场管理制度相配合，就能更好地保证作业人员与重要设备的安全。

以带电更换绝缘子为案例，作业员下半身在绝缘篮内，头戴安全帽，脚穿绝缘鞋，手上带两层绝缘手套，肩部绝缘披肩，需要与电线和零线保持一定的距离和对地的安全距离，当安全距离不够时，需要通过绝缘杆在电线上套上绝缘套管。主要考虑到的是裸露面部与电线的距离，有可能手部操作接触电线的安全距离。所以首先将绝缘篮、篮内人、套管、电线区域抽象成长方体模型，将靶标置于安全帽、绝缘手套上、电线与套管上，靠在线监测系统时刻获得靶标坐标，即可识别靶标间距离。当作业员进入工作区内时，系统提醒作业员穿戴检查安全防护用具；当作业员进入危险区内时，系统提醒作业员使用绝缘套管等安全防护用具；当作业员进入禁入区内，系统发出警报。使用这种辅助方法配合现有的安全防护方法。

在此基础上，区域的长方体模型需要与现场电力设备参数与安全防护参数相配合，标定好现场每个区域的参数，确定好长方体模型的尺寸与位置。在此基础上，在线监测硬件可以使用5.8GHz局域网进行数据传输，便携式移动终端作为主体内容，使用全站仪、激光传感器、arm控制单元和5.8G通信网桥集成设计成终端主机，便可以实现在线监测的要求。

图3-4监测系统硬件图

4优劣势分析

针对带电作业现场安全防护对坐标测量的精度、自动化程度、实时性、多任务线程等方面提出的复杂要求，本文设计了一个基于空间定位测距原理的带电作业安全在线监测系统，优点如下：只需要一台独立基站，基站可移动，测量灵活、方便；测距模块选择激光测距，将脉冲法和相位法相结合，既保证了较长的测量距离，又保证了较高的测量精度；自动化程度较高，无需人工标定；测量能做到多任务实时、并行处理。

但是，也具有一定的局限性：测量系统较为复杂搭建成本较高；测量过程受到恶劣的带电作业现场带来的环境影响还需进一步的现场测试；测量靶标角度时，由于基站装配过程不能做到两个激光平面同时过原点，会造成较小的系统误差；全站仪测量时，竖直方向上由于光平面与水平平面有夹角，存在一定的盲区。

5结语

本文主要研究了空间定位测距原理，并提出了一种测距方法，同时完成了参数标定和坐标转换，最后设计了带电作业安全防护的现场模型。采用的主要原理为脉冲-相位法激光测距、旋转激光平面测角度，设定的模型为长方体模型。本文提出的新型技术，现阶段处于前期理论研究，市场上缺乏此类相关产品技术，还需后续研究。研制出成熟的以大距离精确测量为主体、在复杂现场环境下满足带电作业安全防护要求的在线监测全站设备将是一项长期的工作。

参考文献:

[1]胡涛，胡毅，李景禄，龙立宏.输电线路带电作业的安全防护[J].高电压技术，2006,

32(5):22-25

[2]刘继雷.配网带电作业安全防护工作的分析[J].电力科技，2016,18:175-175

[3]邹建明.在线监测技术在电网中的应用[J].高电压技术，2007,33(8):203-206

[4]赵光兴.变电站检修作业3D越界预警系统的研究[D].燕山大学，2016