CN108882143A - 一种基于gps+场强感应的输电线路防外破装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置及其控制方法，属于输电线路运维技术领域。包括安装于施工车辆机械臂杆顶端的高压探测器、安装于施工车辆操作室挡风玻璃上的车载终端，高压探测器与车载终端无线通讯连接，车载终端与远程服务器无线通讯连接，远程服务器与运维人员及施工机械司机手机相通讯，远程服务器还通讯连接有数据库服务器、监控计算机，数据库服务器与监控计算机相通讯。本发明可有效监控线路保护区附近流动性施工机械作业，避免施工机械外破跳闸事故的发生。

Description

一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置及其控制方法，属于输电线路运维技术领域。
背景技术
近年来，随着经济社会的快速发展和电网规模的不断扩大，各种施工机械（包括汽车吊、挖掘机、打夯机和斗臂车等大型施工机械）在架空输电线路保护区(架空输电线路保护区：架空导线外线向外侧水平延伸并垂直于地面所形成的两平行面内的区域)附近施工时，其臂杆未与架空输电线路导线保持足够的距离，导致施工机械臂杆对导线放电，引起输电线路外破跳闸事故。
施工机械引起的线路跳闸具有随机性大、流动性强、难以管控的特点，目前采取的人员蹲守看护和远程视频监控两种方式，对点多面广的输电线路线下施工机械作业很难做到全时段、全方位监控。
全面掌握输电线路保护区附近各种施工机械施工情况，减少因施工机械臂杆接近或接触导线引起的架空输电线路跳闸事故成为当前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足之处,提供一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置及控制方法，当施工机械进入输电线路保护区时（施工车辆对线路距离越限），将发出一级外破预警，当施工机械臂杆最高处场强超出预警值时，将进行二级外破预警，该系统可有效监控线路保护区附近流动性施工机械作业，避免施工机械外破跳闸事故的发生。
一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特殊之处在于包括安装于施工车辆机械臂杆顶端的高压探测器1、安装于施工车辆操作室挡风玻璃上的车载终端2，高压探测器1与车载终端2无线通讯连接，车载终端2与远程服务器3无线通讯连接，远程服务器3与运维人员及施工机械司机手机5相通讯，远程服务器3还通讯连接有数据库服务器4、监控计算机6，数据库服务器4与监控计算机6相通讯；
作为本发明一种优选的技术方案，所述高压探测器1包括高压探测器壳体1-5及设于高压探测器壳体1-5内部的电源模块1-1、控制模块1-2、用于实时探测电场强度的高压探测模块1-4、用于将检测的电场强度信号发送至车载终端2的通信模块1-3，其中，控制模块1-2与高压探测模块1-4、通信模块1-3相互通讯；
作为本发明一种优选的技术方案，所述车载终端2包括壳体2-6及设于壳体2-6内部的电源模块2-1、控制模块2-2、告警模块2-3、GPS定位模块2-4、用于将位置信息发送至应用服务器3以及用于接收高压探测器1数据的通信模块2-5，其中，控制模块2-2与GPS定位模块2-4、通信模块2-5相互通讯；
作为本发明一种优选的技术方案，所述高压探测器壳体1-5的顶部设有太阳能光伏板1-6、底部设置有强力胶1-8及多个强磁铁1-7；所述壳体2-6的顶部设有太阳能光伏板2-7，太阳能光伏板2-7的上方设置有强力胶2-8；
作为本发明一种优选的技术方案，所述控制模块1-2采用STM8L单片机、高压探测模块1-4采用YUDA-9988A验电芯片、通信模块1-3采用433通信模块；所述控制模块2-2采用STM32单片机、告警模块2-3采用声光报警器、GPS定位模块2-4采用GPS芯片；所述通信模块2-5包括与通信模块1-3相通讯的433通信模块2-9、与远程服务器3相通讯的GPRS通信模块2-10；
作为本发明一种优选的技术方案，所述应用服务器3包括数据通信单元3-1、数据运算单元3-2，数据运算单元3-2与数据通信单元3-1、数据库服务器4相互通讯，其中数据通信单元3-1用于接收多个车载终端2所上传的数据，数据库服务器4内存储有多个杆塔坐标数据，数据运算单元3-2根据车载终端2上传的位置坐标数据和数据库中存储的杆塔坐标数据计算出距离施工机械最近的线路以及施工机械距离该线路的距离；
作为本发明一种优选的技术方案，所述数据库服务器4中安装有数据库软件，在数据库软件中建立用户信息表、杆塔信息表、车载终端表和报警信息表四张数据表，其中，用户信息表用于存储用户信息，杆塔信息表用于存储杆塔信息，车载终端表用于存储车载终端和高压探测器的型号、参数数据，报警信息表用于存储各类报警信息及信息处理情况；
作为本发明一种优选的技术方案，所述监控计算机6内安装有监控软件，监控软件包括用户管理模块6-1、车载终端管理模块6-2、杆塔信息管理模块6-3、报警信息管理模块6-4、历史数据管理模块6-5和监控主界面模块6-6，用户管理模块6-1用于完成系统用户资料的添加、修改、删除和用户权限的管理，车载终端管理模块6-2用于完成车载终端参数的远程设置和车载终端运行状态的远程监测，杆塔信息管理模块6-3用于完成杆塔坐标、杆塔型号等杆塔信息的管理；报警信息管理模块6-4用于完成输电线路一级外破预警、二级外破预警信息管理，包括预警详细描述和处理情况，历史数据管理模块6-5用于完成对系统历史数据的查询、导出和删除功能，监控主界面模块6-6用于完成对所有车载终端的监控，包括实时显示施工机械与输电线路水平距离和感应的电场强度信息。
一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置的控制方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
1、系统启动后，高压探测器1获取当前场强数据，并发送至车载终端2，车载终端2实时获取施工机械的GPS数据，并将收到的场强数据和GPS数据发送至远程服务器3，当施工机械速度由非零值变成零，并保持2分钟，系统认为施工机械由行驶状态变为停车作业状态；
2、远程服务器3根据施工机械GPS坐标和杆塔坐标库数据计算系统中与施工机械距离最近的输电线路，根据该输电线路电压等级，确定当前系统一、二级外破预警值，若施工机械对输电线路距离小于一级外破预警值，系统启动一级外破预警，若施工机械场强大于二级外破预警值，系统启动二级外破预警，最后系统将数据存储在数据库中归档，系统启动一、二级外破预警时，车载终端2将进行声光报警、监控软件6将进行声音报警、运维人员和施工机械司机手机5将收到告警短信。
本发明的基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置及其控制方法，通过GPS定位数据计算施工机械对线路距离，通过场强感应芯片测算施工机械臂杆最高处场强，当施工机械进入输电线路保护区时（施工车辆对线路距离越限），将发出一级外破预警，当施工机械臂杆最高处场强超出预警值时，将进行二级外破预警。本发明可有效监控线路保护区附近流动性施工机械作业，避免施工机械外破跳闸事故的发生。综上所述，本发明结构设计合理，在电力领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1：本发明一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置的结构框图；
图2：高压探测器的外壳封装图；
图3：高压探测器的结构框图；
图4：车载终端的外壳封装图；
图5：车载终端的结构框图；
图6：应用服务器与数据库服务器相互通讯的结构框图；
图7：监控软件的结构框图；
图8：基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置工作流程图；
图9：外破预警流程图；
图10：输电线路保护区范围示意图。
图中： 1、高压探测器；1-1、电源模块；1-2、控制模块；1-3、通信模块；1-4、高压探测模块；1-5、高压探测器壳体；1-6、太阳能光伏板；1-7、强磁铁；1-8、强力胶； 2、车载终端；2-1、电源模块；2-2、控制模块；2-3、告警模块；2-4、GPS定位模块；2-5、通信模块；2-6、壳体；2-7、太阳能光伏板；2-8、强力胶；2-9、433通信模块；2-10、GPRS通信模块；3、远程服务器；3-1、数据通信单元；3-2、数据运算单元； 4、数据库服务器；5、运维人员及施工机械司机手机；6、监控计算机；6-1、用户管理模块；6-2、车载终端管理模块；6-3、杆塔信息管理模块；6-4、报警信息管理模块；6-5、历史数据管理模块；6-6、监控主界面模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，参考附图1-10，本实施例的基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置主要包括以下部件：
高压探测器1、电源模块1-1、控制模块1-2、通信模块1-3、高压探测模块1-4、高压探测器壳体1-5、太阳能光伏板1-6、强磁铁1-7、强力胶1-8、车载终端2、电源模块2-1、控制模块2-2、告警模块2-3、GPS定位模块2-4、通信模块2-5、壳体2-6、太阳能光伏板2-7、强力胶2-8、433通信模块2-9、GPRS通信模块2-10、远程服务器3、数据通信单元3-1、数据运算单元3-2、数据库服务器4、运维人员及施工机械司机手机5、监控计算机6、用户管理模块6-1、车载终端管理模块6-2、杆塔信息管理模块6-3、报警信息管理模块6-4、历史数据管理模块6-5、监控主界面模块6-6。
本实施例的基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置包括安装于施工车辆机械臂杆顶端的高压探测器1、安装于施工车辆操作室挡风玻璃上的车载终端2，高压探测器1与车载终端2无线通讯连接，车载终端2与远程服务器3无线通讯连接，远程服务器3与运维人员及施工机械司机手机5相通讯，远程服务器3还通讯连接有数据库服务器4、监控计算机6，数据库服务器4与监控计算机6相通讯。
其中，高压探测器1通过强磁铁1-7或强力胶1-8固定于施工机械臂杆最高处，高压探测器封装外壳如附图2所示，高压探测器壳体1-5底部设计两块圆形强磁铁1-7，其余部分为强力胶1-8，高压探测器壳体1-5上部为太阳能光伏板1-6覆盖，高压探测器1由电源模块1-1、控制模块1-2、通信模块1-3和高压探测模块1-4组成，如附图3所示，电源模块1-1采用光储（太阳能电池板+锂聚合物电池）方式给各部件供电；控制模块1-2是高压探测器的数据处理和控制中心，采用STM8L芯片；高压探测模块1-4实时探测电场强度，采用YUDA-9988A验电芯片，该YUDA-9988A验电芯片购自上海富帅电子科技有限公司；通信模块1-3将检测的电场强度信号发送至车载终端2，同时接收来自车载终端2的各种指令，其采用433短波通信芯片，具有功耗低、抗干扰能力强的特点。
车载终端2通过强力胶2-8固定于施工车辆操作室挡风玻璃处，其封装外壳如附图4所示。车载终端2由电源模块2-1、控制模块2-2、告警模块2-3、GPS定位模块2-4和通信模块2-5五大部分组成，如附图5所示，电源模块2-1采用光储（太阳能电池板+锂聚合物电池）方式给各部件供电，控制模块2-2为车载终端2的控制中心和数据中心，采用STM32单片机；告警模块2-3采用声光报警器；GPS定位模块2-4采用高精度GPS定位芯片，定位精度为2米；通信模块2-5包括433通信模块2-9和GPRS通信模块2-10，433通信模块2-9负责与高压探测器1进行通信，GPRS通信模块2-10通过移动无线网络与远程服务器3通信。
远程服务器3所用硬件设备目前市场上大多数服务器均可满足，其软件部分工作框图如附图6所示。远程服务器3的数据通信单元3-1通过多线程软件设计同时监听N台车载终端2的数据上传，数据运算单元3-2根据的车载终端2上传位置坐标数据和数据库中杆塔坐标数据计算对施工机械距离最近的线路和最近的距离值。具体的距离计算算法可以参照点对直线的距离计算方法。远程服务器3中还包含短信发送程序，当接到预警信号时，该程序将指定短信信息发送至运维人员和施工机械司机手机5。
数据库服务器4用于完成系统的各类数据存储，其所用硬件设备目前市场大多数服务器均可满足，安装目前常用数据库软件（例如Access、SQL server等）即可。在数据库软件中建立用户信息表、杆塔信息表、车载终端表和报警信息表4张数据表。用户信息表存储用户信息，杆塔信息表用于存储杆塔坐标、型号等杆塔信息，车载终端表用于存储车载终端和高压探测器的型号、参数等数据，报警信息表用于存储各类报警信息及信息处理情况。
监控计算机6内安装有监控软件，其具有用户管理模块6-1、车载终端管理模块6-2、杆塔信息管理模块6-3、报警信息管理模块6-4、历史数据管理模块6-5和监控主界面模块6-6六项功能，如附图7所示。用户管理模块6-1实现系统用户资料的添加、修改、删除和用户权限的管理；车载终端管理模块6-2实现车载终端参数的远程设置和车载终端运行状态的远程监测；杆塔信息管理模块6-3实现杆塔坐标、杆塔型号等杆塔信息的管理；报警信息管理模块6-4实现输电线路一级外破预警、二级外破预警信息管理，包括预警详细描述和处理情况等；历史数据管理模块6-5实现对系统历史数据的查询、导出和删除等功能；监控主界面模块6-6实现对系统所有车载终端的监控，包括实时显示对线路水平距离和感应的电场强度等信息。
实施例2
本实施例的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置的控制方法，参考附图1-10， 系统的工作流程，如附图8所示，具体为：
系统启动后，高压探测器1获取当前场强数据，并发送至车载终端2，车载终端2实时获取施工机械的GPS数据，并将收到的场强数据和GPS数据发送至远程服务器，当施工机械速度（GPS数据中包含速度数据）由非零值变成零，并保持2分钟，系统认为施工机械由行驶状态变为停车作业状态；
远程服务器3根据施工机械GPS坐标和杆塔坐标库数据计算系统中与施工机械距离最近的输电线路，根据该输电线路电压等级，确定当前系统一、二级外破预警值，若施工机械对输电线路距离小于一级外破预警值，系统启动一级外破预警，若施工机械场强大于二级外破预警值，系统启动二级外破预警，最后系统将数据存储在数据库中归档。系统启动一、二级外破预警时，车载终端2将进行声光报警、监控计算机6将进行声音报警、运维人员和施工机械司机手机5将收到告警短信，如附图9所示。
本实施例以220kV输电线路外破预警为例进行说明。
根据《架空输电线路运行规程》，一般地区各级电压导线的边线保护区范围如表1所示，架空输电线路保护区范围示意图附图10所示。
表1 一般地区各级电压导线的边线保护区范围
电压等级 kV 边线外距离
66~110 10
220~330 15
500 20
750 25
从图10和表1可以看出，系统一级外破预警值=边线外距离+边线与杆塔中心距离，边线与杆塔中心距离（该值与杆塔类型有关）可以通过查找图纸资料确定。220kV输电线路保护区为边线外距离15米，则220kV输电线路一级外破预警值Y1=15+边线与杆塔中心距离。
高压探测器1的高压探测模块1-4为YUDA-9988A验电芯片，该芯片在不同场强下每秒产生不同数量的方波，通过每秒钟产生的方波数量值反映电场强度强弱，每秒钟产生的方波数量越多电场越强，反之越弱。
《国家电网公司电力安全工作规程 线路部分》规定吊车等大型施工机械臂杆最高处与架空输电线及其他带电体的最小安全距离不准小于表2的规定。为确定二级外破预警值本发明需将表2中距离数值转换成反映电场强弱的每秒方波数量，系统才能进行判别，为此，本发明对表2中数据进行高压近电试验，以220kV输电线路为例，我们在高压电气实验室中将YUDA-9988A验电芯片验电芯片置于220kV导线垂直方向6米处，用示波器测试每秒产生的方波数量为Y2，Y2即为220kV输电线路二级外破预警值（35~500kV各电压等级二级外破预警值均通过此方法测得）。
表2 与架空输电线及其他带电体的最小安全距离
电压 KV 35~66 110 220 330 500
最小安全距离 m 4 5 6 7 8.5
确定各电压等级的一、二级外破预警值后，将本装置安装在吊车上，安装后，高压探测器1探测的场强数据和车载终端2获取的GPS数据被实时发送至远程服务器3。
具体过程为：某年某月某日9时0分0秒，远程服务器3监测到GPS定位模块2-4中的速度数据为0时，延时2min，9时2分0秒再次判断GPS定位模块2-4中的速度数据仍为0，系统判定该吊车有停车作业趋势，根据GPS定位模块2-4中的位置数据和杆塔坐标库中的杆塔数据，计算距离该吊车最近的输电线路，计算结果显示距离该吊车最近的输电线路为220kVXX线，吊车对其距离为L，对应的一级外破预警值为Y1，对应的二级外破预警值为Y2，此时，系统判定吊车对线路距离L<一级外破预警值Y1，系统启动一级外破预警，9时15分0秒，系统检测到的每秒场强方波数量值大于二级外破预警值Y2，系统启动二级外破预警，随后，系统将预警数据存储、归档。
上述仅为本发明的部分技术方案实例，并非用来限定本发明的范围，即凡依据本发明的权利要求所作的等同变化与修饰，均为本发明技术方案内的范围。

Claims (9)

1.一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于包括安装于施工车辆机械臂杆顶端的高压探测器（1）、安装于施工车辆操作室挡风玻璃上的车载终端（2），高压探测器（1）与车载终端（2）无线通讯连接，车载终端（2）与远程服务器（3）无线通讯连接，远程服务器（3）与运维人员及施工机械司机手机（5）相通讯，远程服务器（3）还通讯连接有数据库服务器（4）、监控计算机（6），数据库服务器（4）与监控计算机（6）相通讯。
2.按照权利所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述高压探测器（1）包括高压探测器壳体（1-5）及设于高压探测器壳体（1-5）内部的电源模块（1-1）、控制模块（1-2）、用于实时探测电场强度的高压探测模块（1-4）、用于将检测的电场强度信号发送至车载终端（2）的通信模块（1-3），其中，控制模块（1-2）与高压探测模块（1-4）、通信模块（1-3）相互通讯。
3.按照权利2所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述车载终端（2）包括壳体（2-6）及设于壳体（2-6）内部的电源模块（2-1）、控制模块（2-2）、告警模块（2-3）、GPS定位模块（2-4）、用于将位置信息发送至应用服务器（3）以及用于接收高压探测器（1）数据的通信模块（2-5），其中，控制模块（2-2）与GPS定位模块（2-4）、通信模块（2-5）相互通讯。
4.按照权利3所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述高压探测器壳体（1-5）的顶部设有太阳能光伏板（1-6）、底部设置有强力胶（1-8）及多个强磁铁（1-7）；所述壳体（2-6）的顶部设有太阳能光伏板（2-7），太阳能光伏板（2-7）的上方设置有强力胶（2-8）。
5.按照权利3所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述控制模块（1-2）采用STM8L单片机、高压探测模块（1-4）采用YUDA-9988A验电芯片、通信模块（1-3）采用433通信模块；所述控制模块（2-2）采用STM32单片机、告警模块（2-3）采用声光报警器、GPS定位模块（2-4）采用GPS芯片；所述通信模块（2-5）包括与通信模块（1-3）相通讯的433通信模块（2-9）、与远程服务器3相通讯的GPRS通信模块（2-10）。
6.按照权利1所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述应用服务器（3）包括数据通信单元（3-1）、数据运算单元（3-2），数据运算单元（3-2）与数据通信单元（3-1）、数据库服务器（4）相互通讯，其中数据通信单元（3-1）用于接收多个车载终端（2）所上传的数据，数据库服务器（4）内存储有多个杆塔坐标数据，数据运算单元（3-2）根据车载终端（2）上传的位置坐标数据和数据库中存储的杆塔坐标数据计算出距离施工机械最近的线路以及施工机械距离该线路的距离。
7.按照权利1所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述数据库服务器（4）中安装有数据库软件，在数据库软件中建立用户信息表、杆塔信息表、车载终端表和报警信息表四张数据表，其中，用户信息表用于存储用户信息，杆塔信息表用于存储杆塔信息，车载终端表用于存储车载终端和高压探测器的型号、参数数据，报警信息表用于存储各类报警信息及信息处理情况。
8.按照权利1所述的一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置，其特征在于所述监控计算机（6）内安装有监控软件，监控软件包括用户管理模块（6-1）、车载终端管理模块（6-2）、杆塔信息管理模块（6-3）、报警信息管理模块（6-4）、历史数据管理模块（6-5）和监控主界面模块（6-6），用户管理模块（6-1）用于完成系统用户资料的添加、修改、删除和用户权限的管理，车载终端管理模块（6-2）用于完成车载终端参数的远程设置和车载终端运行状态的远程监测，杆塔信息管理模块（6-3）用于完成杆塔坐标、杆塔型号等杆塔信息的管理；报警信息管理模块（6-4）用于完成输电线路一级外破预警、二级外破预警信息管理，包括预警详细描述和处理情况，历史数据管理模块（6-5）用于完成对系统历史数据的查询、导出和删除功能，监控主界面模块（6-6）用于完成对所有车载终端的监控，包括实时显示施工机械与输电线路水平距离和感应的电场强度信息。
9.一种基于GPS+场强感应的输电线路防外破装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、系统启动后，高压探测器（1）获取当前场强数据，并发送至车载终端（2），车载终端（2）实时获取施工机械的GPS数据，并将收到的场强数据和GPS数据发送至远程服务器（3），当施工机械速度由非零值变成零，并保持2分钟，系统认为施工机械由行驶状态变为停车作业状态；
2）、远程服务器（3）根据施工机械GPS坐标和杆塔坐标库数据计算系统中与施工机械距离最近的输电线路，根据该输电线路电压等级，确定当前系统一、二级外破预警值，若施工机械对输电线路距离小于一级外破预警值，系统启动一级外破预警，若施工机械场强大于二级外破预警值，系统启动二级外破预警，最后系统将数据存储在数据库中归档，系统启动一、二级外破预警时，车载终端（2）将进行声光报警、监控软件（6）将进行声音报警、运维人员和施工机械司机手机（5）将收到告警短信。
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