一种感应式临近带电安全距离预警系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种感应式临近带电安全距离预警系统及一种感应式临近带电安全距离预警方法，属于高电压与绝缘技术领域。
背景技术
目前，电力系统基础设施建设从飞速发展步入高质量发展阶段，用户电力供应可靠性成为供电企业服务质量的重要指标，运行设备及线路停电情况减少，输变电新建及改扩建施工临近带电作业风险数量逐年增多，作业现场环境复杂，带电设备及线路辨识至关重要，施工机械近电距离难以观测，近电作业安全距离监控预警系统成为迫切需求。
近年来，因施工机械跨越临近带电安全距离导致人员伤亡及区域性停电事件时有发生，造成较大经济损失，社会影响恶劣。调研发现，即使施工现场按要求部署足够的安全监护人员，采取相应监控措施，仍然无法完全避免事故发生，究其原因，是由于：
1. 电力工程临近带电作业施工现场环境较为复杂，施工机械与带电设备及导线的距离难以测量，安全监护人及施工机械指挥人员仅凭经验判断机械近电距离，施工机械操作人员稍有疏忽便有可能致使机械与带电体安全距离过小，导致事故发生。
2. 部分变电站、线路环境复杂，存在多电压等级交错、多电源供电情况，施工人员在确定某一路电源停电后，错误认为设备或线路已不带电，直接进场验电、施工，导致事故发生。
现有的电力工程施工安全管控手段，比如视频监控、红外测距、硬质围栏等，均无法解决上述问题。而通过在施工机械上安装感应式临近带电安全距离监控预警装置，则可以解决该问题，但是现有的类似产品，并没有得到很好的应用，其原因主要在于：现有装置报警方式单一，在嘈杂的施工环境下难以引起操作人员注意；现有装置只能对施工机械驾驶员进行警示，而不能供安全监护人及管理人员进行监控；现有装置需要施工机械操作人员手动调节电压等级档位，然而机械操作人员电力专业基础薄弱，很难熟练使用装置，给装置推广应用带来很大阻力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种感应式临近带电安全距离预警系统及其方法，可以向施工机械操作人员及安全监护人和管理人员同时发出报警信号，并且可以自主识别作业机械所处位置的电压等级，其在应用场景上及推广前景上显著优于现有同类技术。
为达到上述目的，本发明提供一种感应式临近带电安全距离预警方法，包括以下步骤：
步骤一，将近电感应器安装在作业机械端部，报警器位于机械操作室中，预先在报警器中设定安全管理人员的手机号码；
步骤二，近电感应器探测施工机械端部电场强度，并进行电压等级的识别，近电感应器将电场强度的信号和电压等级的信号发送给报警器；
步骤三，报警器中预先设定各个电压等级所对应的电场强度阈值，
报警器将接收到的电场强度的信号与电场强度阈值进行对比，若电场强度的信号超过电场强度阈值则判断越限，报警器发出声光报警并向安全管理人员的手机拨号或发送短信。
优先地，步骤二中，电容耦合探头阵列采集施工机械端部上下左右四个方位的电场强度，将四个方位的电场强度转化为四个微电压信号；四个微电压信号经过电压跟随模块和滤波放大模块输入至单片机模块一。
优先地，滤波放大模块对四个微电压信号滤波后，单片机模块一接收到四个微电压信号，单片机模块一将四个微电压信号折算成四个空间电场强度；单片机模块一对四个空间电场强度进一步运算识别得到电压等级及平均电场强度，单片机模块一将电压等级及平均电场强度输出至无线透传模块一，供报警器接收，单片机模块一通过无线透传模块一和报警器通信。
优先地，步骤三中，单片机模块一初始化后开始运行，单片机模块进入“慢扫模式”，单片机模块一每隔10s采集一次电容耦合探头阵列的数据，并将四个方位的电场强度求平均值计算得到电场强度平均值Eavg；如果Eavg≥0.2 kV/m且持续时间超过1分钟，则单片机模块一进入“快扫模式”，单片机模块一每隔2s采集一次电容耦合探头阵列的数据，并计算得到电压等级及电场强度平均值；若Eavg＜0.2 kV/m，则单片机模块一进入“休眠模式”，单片机模块一停止采集电容耦合探头阵列的数据；
如果在“快扫模式”下，相邻两次测得的电场强度平均值Eavg做差得到差值，差值和相邻两次电场强度平均值Eavg中前一次测得的电场强度平均值Eavg的比值小于10%且持续1分钟，则单片机模块一进入“休眠模式”，否则单片机模块一保持“快扫模式”，并实时将电压等级和电场强度平均值的数据传输至无线透传模块一；
单片机模块一进入“休眠模式”后，唤醒时钟开始计时，达到1分钟后单片机模块一被“唤醒”，单片机模块一进入“慢扫模式”。
优先地，供电模块一产生多个数值的电压给跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一和单片机模块一供电。
优先地，包括近电感应器和报警器，近电感应器包括电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一、单片机模块一和供电模块一，电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块和单片机模块一依次电连接，无线透传模块一电连接单片机模块一，供电模块一电连接电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一和单片机模块一。
优先地，报警器由超声模块、爆闪灯、无线透传模块二、GPRS模块、单片机模块二和供电模块二，单片机模块二电连接超声模块、无线透传模块二、爆闪灯和GPRS模块，供电模块二电连接单片机模块二、爆闪灯、超声模块、无线透传模块二和GPRS模块。优先地，电容耦合探头阵列包括四个电容耦合探头，四个电容耦合探头包括电容耦合探头A、电容耦合探头B、电容耦合探头C和电容耦合探头D，四个电容耦合探头按照对角线相等原则安装在单片机模块一的上下左右四个方向，电容耦合探头A和电容耦合探头C的中心距离与电容耦合探头B和电容耦合探头D的中心距离相等，电容耦合探头A和电容耦合探头C的中心线与电容耦合探头B和电容耦合探头D的中心线相互等分。
优先地，供电模块一包括锂电池一、充电模块一和逆变模块一，锂电池一输入端电连接充电模块一，锂电池一输出端电连接逆变模块一，逆变模块一电连接单片机模块一和电压跟随模块。
优先地，供电模块二包括锂电池二、充电模块二和逆变模块二，锂电池二输入端电连接充电模块二，锂电池二输出端电连接逆变模块二，逆变模块二电连接单片机模块二和爆闪灯。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种感应式临近带电安全距离监控预警系统，其采用声光报警和电话拨号的方式，保证了施工机械操作人员及安全监护人、管理人员都能接收到作业机械安全距离越限的报警信号，成为临近带电作业安全管控的重要手段；此外本发明采用低功耗算法，延长了近电感应器的待机时间，采用电容耦合探头阵列的方式，使近电感应器能够自主识别带电区域电压等级，更加方便了机械操作人员及安全监护人、管理人员的使用。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为近电感应器的工作原理图；
图3为近电感应器低功耗工作的逻辑图；
图4为报警器的工作原理图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种感应式临近带电安全距离预警方法，包括以下步骤：
步骤一，将近电感应器安装在作业机械端部，报警器位于机械操作室中，预先在报警器中设定安全管理人员的手机号码；
步骤二，近电感应器探测施工机械端部电场强度，并进行电压等级的识别，近电感应器将电场强度的信号和电压等级的信号发送给报警器；
步骤三，报警器中预先设定各个电压等级所对应的电场强度阈值，
报警器将接收到的电场强度的信号与电场强度阈值进行对比，若电场强度的信号超过电场强度阈值则判断越限，报警器发出声光报警并向安全管理人员的手机拨号或发送短信。
进一步地，步骤二中，电容耦合探头阵列采集施工机械端部上下左右四个方位的电场强度，将四个方位的电场强度转化为四个微电压信号；四个微电压信号经过电压跟随模块和滤波放大模块输入至单片机模块一。
进一步地，滤波放大模块对四个微电压信号滤波后，单片机模块一接收到四个微电压信号，单片机模块一将四个微电压信号折算成四个空间电场强度；单片机模块一对四个空间电场强度运算识别得到电压等级及平均电场强度，单片机模块一将电压等级及平均电场强度输出至无线透传模块一，供报警器接收，单片机模块一通过无线透传模块一和报警器通信。
进一步地，步骤三中，单片机模块一采用低功耗算法，算法如下：单片机模块一初始化后开始运行，单片机模块进入“慢扫模式”，单片机模块一每隔10s采集一次电容耦合探头阵列的数据，并将四个方位的电场强度求平均值计算得到电场强度平均值Eavg；如果Eavg≥0.2 kV/m且持续时间超过1分钟，则单片机模块一进入“快扫模式”，单片机模块一每隔2s采集一次电容耦合探头阵列的数据，并计算得到电压等级及电场强度平均值；若Eavg＜0.2kV/m，则单片机模块一进入“休眠模式”，单片机模块一停止采集电容耦合探头阵列的数据；
如果在“快扫模式”下，相邻两次测得的电场强度平均值Eavg做差得到差值，差值和相邻两次电场强度平均值Eavg中前一次测得的电场强度平均值Eavg的比值小于10%且持续1分钟，则单片机模块一进入“休眠模式”，否则单片机模块一保持“快扫模式”，并实时将电压等级和电场强度平均值的数据传输至透传模块一；
单片机模块一进入“休眠模式”后，唤醒时钟开始计时，达到1分钟后单片机模块一被“唤醒”，单片机模块一进入“慢扫模式”。
进一步地，供电模块一产生多个数值的电压给跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一和单片机模块一供电。
进一步地，包括近电感应器和报警器，近电感应器包括电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一、单片机模块一和供电模块一，电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块和单片机模块一依次电连接，无线透传模块一电连接单片机模块一，供电模块一电连接电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一和单片机模块一。
进一步地，报警器由超声模块、爆闪灯、无线透传模块二、GPRS模块、单片机模块二和供电模块二，单片机模块二电连接超声模块、无线透传模块二、爆闪灯和GPRS模块，供电模块二电连接单片机模块二、爆闪灯、超声模块、无线透传模块二和GPRS模块。进一步地，电容耦合探头阵列包括四个电容耦合探头，四个电容耦合探头包括电容耦合探头A、电容耦合探头B、电容耦合探头C和电容耦合探头D，四个电容耦合探头按照对角线相等原则安装在单片机模块一的上下左右四个方向，电容耦合探头A和电容耦合探头C的中心距离与电容耦合探头B和电容耦合探头D的中心距离相等，电容耦合探头A和电容耦合探头C的中心线与电容耦合探头B和电容耦合探头D的中心线相互等分。
进一步地，供电模块一包括锂电池一、充电模块一和逆变模块一，锂电池一输入端电连接充电模块一，锂电池一输出端电连接逆变模块一，逆变模块一电连接单片机模块一和电压跟随模块。
进一步地，供电模块二包括锂电池二、充电模块二和逆变模块二，锂电池二输入端电连接充电模块二，锂电池二输出端电连接逆变模块二，逆变模块二电连接单片机模块二和爆闪灯。
本装置中的充电模块一、充电模块二、逆变模块一、逆变模块二、超声波模块、爆闪灯、电容耦合探头阵列、电压跟随模块、滤波放大模块、单片机模块一、单片机模块二、无线透传模块一、无线透传模块二、近电感应器、报警器、GPRS模块、锂电池一、锂电池二和手机终端，在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
作业机械端部可以为吊机的起重钩或者吊机的吊绳上安装的吊篮，施工机械端部为本领域技术人员即将要施工的部位。
如图1所示，本发明提供的一种感应式临近带电安全作业预警系统，其包括近电感应器、报警器和手机终端，其工作原理为：所述近电感应器安装在作业机械端部，报警器放置在机械操作室，手机为安全监护人、管理人员的手机；所述近电感应器通过电磁感应，探测施工机械端部电场强度，进行数据分析识别后，将电场强度、电压等级等信号发送给所述报警器；所述报警器结合接收到的电压等级和电场强度，与预先设定的阈值进行对比，从而判断是否越限；如果越限，则报警器发出声光报警，且同时向预先设定的安全管理人员手机拨号，手机将接到远程报警电话。
如图2所示，近电感应器的工作原理为：电容耦合探头阵列采集近电感应器上下左右四个方位的空间电场强度，将其转化为四个微电压信号；四个微电压信号经过四个电压跟随模块、四个滤波放大模块输入至单片机模块一，以消除高频干扰；单片机模块一接收到四个电压信号，对其进一步通过软件算法滤波后，将其折算成四个空间电场强度数据；单片机模块一对四个空间电场强度数据进行进一步运算识别得到电压等级及平均电场强度数据，单片机模块一将电压等级及平均电场强度数据输出至无线透传模块，供报警器接收。所述锂电池一经逆变模块，产生多个数值大小的电压，来给跟随模块、滤波放大模块、无线透传模块一和单片机模块一供电；所述锂电池一通过外部电源，经所述充电模块一充电。
如图2所示，电容耦合探头阵列由四个电容耦合探头组成，该阵列按对角线相等原则分布，分为安装在近电感应器的上下左右四个位置，即探头A、探头C的中心距离与探头B、探头D的中心距离相等，探头A、探头C和探头B、探头D的中心线相互等分。通过这四个探头位置处的电场强度差异以及它们的对角线距离，可以反推得出外界未知高压源电压值所处的范围，进而确定作业机械高压源的电压等级。
如图3所示，由于近电感应器安装在作业机械端部，无法及时外接线充电，为延长其待机时间，其单片机模块一搭载了低功耗算法，低功耗算法的工作流程为：单片机模块一初始化程序，开始运行，进入“慢扫模式”，此时每隔10s采集一次探头阵列数据，并同时计算电场强度平均值Eavg；如果得到Eavg≥0.2 kV/m且持续1分钟，则单片机模块一进入“快扫模式”，开始每2s采集一次探头阵列数据，并计算电压等级及平均电场强度；否则单片机模块一进入“休眠模式”，即单片机模块一关闭所有外设电路，停止所有采集和运算程序的运行。如果在“快扫模式”下，相邻两次测得的电场强度平均值Eavg做差得到差值，差值和相邻两次电场强度平均值Eavg中前一次测得的电场强度平均值Eavg的比值小于10%且持续1分钟，则单片机模块一也将进入“休眠模式”，否则单片机模块一将电压等级和电场强度平均值的数据传输至透传模块一。单片机模块一进入“休眠模式”后，唤醒时钟开始计时，达到1分钟后单片机模块一被“唤醒”，单片机模块一进入“慢扫模式”。
如图4所示，所述锂电池二经逆变模块二产生不同大小的电压供各个模块工作；当锂电池二馈电时，可通过外部电源，经所述充电模块二向锂电池二充电。后台中继的工作原理为：无线透传模块二接收近电感应器所发送的数据，并传送至单片机模块二；单片机模块二中预设了各个电压等级所对应的电场强度阈值，其根据接收到的电压等级及平均电场强度进行判别，如果阈值越限，则单片机模块二通过管脚触发超声模块、爆闪灯动作，开始声光报警；同时GPRS模块也收到单片机模块二发送的触发指令，向预先留存的手机号码拨号告警。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
