【精彩论文】基于ToF技术的带电作业安全监测与预警系统

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

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李稳，顾苏，汪志刚

国网湖南省电力有限公司输电检修分公司

引文信息

李稳, 顾苏, 汪志刚, 等. 基于ToF技术的带电作业安全监测与预警系统[J]. 中国电力, 2020, 53(2): 63-68.

LI Wen, GU Su, WANG Zhigang, et al. The safety monitoring and warning system for live working based on ToF technology[J]. Electric Power, 2020, 53(2): 63-68.

研究背景

随着中国电网的迅速发展，带电作业技术已经成为中国输配电线路维修、电网设备检测以及维护的重要手段。但是带电作业也是非常危险的一项工作，高强度的电场、暂态电击和稳态电击的存在，以及作业过程中对误操作短接空气间隙放电，使带电作业人员的安全时刻受到威胁，因此带电作业安全防护成为了带电作业顺利实施的关键。目前，中国输电线路带电作业的人员安全主要是依靠具有丰富实际操作经验的专责监护人员的监督及作业人员的自觉性来实现。在实际的作业过程中，由于现场作业点多面广，工作繁重，作业人员易疲劳，精力不够集中，容易发生违反操作规程、忽视安全距离等行为，从而导致安全事故的发生。

论文所解决的问题及意义

带电作业的安全监控重点在于安全距离的实时监测，TOF技术是利用传感器发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离，以产生深度信息，此外再结合传统的相机拍摄，就能将物体的三维轮廓以不同颜色代表不同距离的地形图方式呈现出来。TOF技术特点与空间方位距离监测要求高度契合，不仅能计算带电作业人员的空间方位，还能测算作业方位的安全距离，最终实现声、光等报警。

本文针对目前中国带电作业中安全监控及预警手段和方法缺乏的现状，提出基于TOF技术的输电带电作业实时安全监测与预警系统，实时监测安全距离以及预警等手段和方法，对预防或减少带电作业人身伤害等事故的发生具有十分重要的工程实践价值。

论文重点内容

输电线路带电作业安全监测与预警系统硬件主要由主控板卡、网络设备、TOF深度相机、电源系统、报警设备等部分组成，系统功能模块包括：安全距离监测与预警、声光报警控制、监测区域参数化设置、监测区域自动匹配、3D点云数据转2D图像、远程视频传输、视频及数据存储、系统日志、电源控制及管理、通信自恢复及管理、传感器自诊断与恢复、远程同步与交互，系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构

安全距离监测原理如图2所示，监测区域表示带电作业人员所在的立体区域，在带电作业过程中，作业人员限于在此范围内工作。监测深度d表示需要监测的区域在深度方向的中心面离相机端面的距离。监测深度容差e表示设定监测区域的厚度。监测宽度w表示监测区域的宽度，作业人员所允许的活动宽度。监测高度h表示监测区域的高度，作业人员所允许的活动高度。安全监测边界表示监测区域面向相机的四条边界，该当设定后，作业人员越过安全监测边界，表示作业过程出现了安全风险，监测系统通过声光报警设备进行报警，提醒作业人员注意作业安全。

图2 安全距离监测原理示意

现场实验在某220 kV同塔双回输电线路上进行，作业方式为等电位作业。带电作业安全距离监测画面如图3所示。图中红色的边界为安全预警边界，由于等电位作业主要防止人员离杆塔塔身和头顶横档距离过近导致放电出现危险，因此系统设置左右两侧的边界入侵和闯入不进行报警，上下边界为安全报警线，当作业人员的身体部位不超过上下边界时，系统不报警，处于正常工作状态。安全边界的顶部有绝缘绳索侵入时系统自动过滤，并不进行报警。

图3 安全监测实时画面

当带电作业人员的身体部位越过或接触安全线时，系统立刻报警，报警画面如图4所示。带电作业人员的足部触及了安全边界，系统立即报警，系统同时显示危险程度，此时危险程度为11，显示带电作业人员触及报警边界的接触面积大小，数字越大表示触及危险的身体部位越多。同时安装在塔上的监测系统自动进行语音报警和警示光报警，提醒操作人员和观察人员带电作业人员存在作业安全风险。

图4 实时报警画面

研究结论

本文提出了一种基于TOF技术的距离监测方法，通过发送经调制的近红外光线来测距，从而不依赖于环境光线，成像速度快，实时性好，能够及时对事故做出相应，精度高，8 m范围内依然能够保持厘米级别的精度。研制的系统可以适用于35~1 100 kV线路带电作业的安全监测与预警，通过自由调整检测区域的上下左右边界，来满足不同距离监测需求。通过现场实验验证了基于TOF高压带电作业实时安全监测系统的准确性和可靠性，与人工监护相比，系统能大幅提高带电作业安全监测的有效性和实时性，能有效、科学预防带电作业人身伤害事故的发生。

主要作者介绍

第一作者：李稳，男，工程师，从事高电压技术、带电作业技术研究。

E-mail: 416272905@qq.com。

第二作者：顾苏，男，高级工程师，从事输电线路运检技术研究。

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