CN114023046A - 一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法。高压防触电预警手环包括：电场传感器、红外测距传感器、计算处理模块、无线通信模块、显示模块、报警模块、地面接收装置。本发明所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；所述计算处理模块根据环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，自动识别带电线性单元的电压和设定当前电压等级安全作业距离，并进行安全电场强度和安全作业距离判断预警。本发明将提高带电作业下高压防触电预警的准确性，保障带电作业人员生命安全。

Description

一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法

技术领域

本发明属于高电压技术领域，具体涉及一种用于带电作业的高压防触电预警手环及方法。

背景技术

高压架空线路是电能实现远距离、大容量、高效率输送的重要通道，为保障电网运行安全，必须开展带电作业对高压架空线路进行巡检维护。由于高压架空线路电压等级高，采用悬空、裸露的方式敷设，带电作业时易造成人员触电事故，严重威胁作业人员的生命安全。

目前，在进行带电作业前会进行必要的验电操作。但由于作业时间长，天气变化引起的温湿度条件改变、电磁辐射、电网电压波动等因素影响，带电作业人员无法实时准确地估计周围环境电场强度以及与架空线路之间的安全距离，导致容易发生触电事故。而现有的高压防触电预警装备主要通过测量电场强度与预设电场强度阈值比较进行高压报警，容易导致预警距离过远无法正常作业，或是预警距离不足而不能起到安全预防的效果。因此，有必要研制一种考虑不同电压等级下的安全距离及电场强度自适应预警装置，有助于对高压触电实现准确的报警，保障带电作业人员生命安全和电网可靠运行。

发明内容

本发明公开一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法，用于带电作业下对高压触电风险进行准确报警，保障带电作业人员生命安全和电网可靠运行。

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法；

所述高压防触电预警手环包括：

电场传感器、红外测距传感器、计算处理模块、无线通信模块、显示模块、报警模块、地面接收装置；

所述电场传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述红外测距传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述计算处理模块分别与所述的无线通信模块、显示模块、报警模块连接；所述无线通信模块与所述地面接收装置通过无线方式连接。

所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；

所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

所述计算处理模块根据环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离计算带电线性单元的电压；所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离传输至所述显示模块进行显示；

所述计算处理模块判断若环境电场强度超出安全电场强度则产生触电预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块判断若所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离小于距离阈值则产生距离预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息传输至所述无线通讯模块；所述无线通讯模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息无线传输至所述地面接收装置进行远程监控。

所述高压防触电预警方法，包括以下步骤：

步骤1：所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

步骤2：所述计算处理模块根据环境电场强度、所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离自动识别带电线性单元的电压。

步骤3：根据带电线性单元的电压，计算处理模块自动设定当前电压等级安全作业距离；根据标准中给出的不同电压等级下的安全作业距离，自动设置为带电线性单元当前电压下的安全作业距离D_S。

步骤4：判断环境电场强度E是否超出安全电场强度E_S，若超过则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步。

步骤5：判断手环与带电线性单元的间距D是否小于当前电压等级安全作业距离D_S，若小于则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步。

步骤6：判断是否收到结束作业指令，若是则手环结束运行，停止工作；否则返回执行步骤1。

作为优选，步骤2所述自动识别带电线性单元的电压的具体步骤包括：

步骤201：移动所述高压防触电预警手环改变与带电线性单元的间距，通过计算处理模块计算带电线性单元的电压，得到带电线性单元的个电压样本数据。

所述手环计算处理模块具体通过以下步骤获取带电线性单元电压样本数据：

计算处理模块通过从电场强度传感器和红外测距传感器实时采集得到的环境电场强度E和手环与带电线性单元的间距D。

对于长度为L的带电线性单元其线电荷密度在单元内按照线性规律变化，通过所述红外测距传感器分别测得所述高压防触电预警手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的距离分别为D1和D2，通过电场强度传感器分别测得手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的环境电场强度分别为E1和E2；

根据电场强度与距离的关系，带电线性单元在环境中P(x,y,z)处产生的电磁强度E(x,y,z)为：

式中，Q表示带电线性单元所带电荷；D(x,y,z)为带电线性单元与手环所处位置的距离；ε＝ε₀ε_r，为介电常数，ε₀为真空介电常数，ε_r为测量时手环与带电线性单元之间的相对介电常数；

已知长度为L的带电线性单元首尾两端在手环处电场强度E1、E2和距离D1、D2时，可确定带电线性单元线性单元的线电荷密度τ在单元内的线性分布规律为

τ(u)＝au+b

其中，a表示比例系数，b表示截距；

带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位为：

其中，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离；

手环所处位置的环境电场强度通过手环内置电场强度传感器实时测量，通过带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位得手环所在位置的电位

即可求得带电线性单元的电位

为：

其中，

为手环所在位置的电位，E为手环所在位置的电场强度，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离，

为带电线性单元的电位。

步骤202：重复步骤201移动移动所述高压防触电预警手环若干次，改变移动所述高压防触电预警手环与带电线性单元的间距，得到带电线性单元的电压小样本数据。

步骤203：通过手环计算处理模块内置的支持向量回归模型，对记录的电压小样本数据进行分类识别，自动辨识带电线性单元当前的电压。

定义常量ε>0,对于样本i(x_i,y_i)，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标。如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|≤ε，则记为完全没有损失，如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|>ε,则对应的损失为|y_i-ω·φ(x_i)-b|-ε；

则模型损失函数度量err(x_i,y_i)表示为：

其中，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标，ε为自定义常量，err(g)为模型损失函数度量，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数。

对样本i(x_i,y_i)加入松弛变量ξ_i≥0，则模型的损失函数度量在加入松弛变量之后变为

其中，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数，m为样本个数，ξ_i ^v和ξ_i ^{^}分别为样本i的松弛变量。

采用拉格朗日函数将目标优化函数变成无约束的形式，将一半的样本数据作为训练样本代入进行偏导计算和对偶计算得到模型参数w和b。

将另一半的样本数据作为测试样本代入损失函数度量中，当测试样本落入损失函数度量所确定的宽带为2ε的间隔带时，则将此时|w·φ(x_i)-b|拟合计算的结果作为带电线性单元的当前电压。

本发明将提高带电作业下高压防触电预警的准确性，提供了一种实用、可靠、便捷的用于带电作业的高压防触电预警手环，能够有力保障带电作业人员生命安全和电网可靠运行。

附图说明

图1：为本申请提供的一种用于带电作业的高压防触电预警手环。

图2：为本申请提供的一种用于带电作业的高压防触电预警方法。

图3：为线电荷单元模拟电荷模型。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法；

如图1所示，所述高压防触电预警手环包括：

电场传感器、红外测距传感器、计算处理模块、无线通信模块、显示模块、报警模块、地面接收装置；

所述电场传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述红外测距传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述计算处理模块分别与所述的无线通信模块、显示模块、报警模块连接；所述无线通信模块与所述地面接收装置通过无线方式连接。

所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；

所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

所述计算处理模块根据环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离计算带电线性单元的电压；所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离传输至所述显示模块进行显示；

所述计算处理模块判断若环境电场强度超出安全电场强度则产生触电预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块判断若所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离小于距离阈值则产生距离预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息传输至所述无线通讯模块；所述无线通讯模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息无线传输至所述地面接收装置进行远程监控。

所述电场传感器的型号为EFS-10；

所述红外测距传感器型号为IRS-50；

所述计算处理模块型号为CPM2000；

所述无线通信模块型号为WCM-100；

所述显示模块型号为DP700；

所述报警模块型号为AM2005；

所述地面接收装置型号为GRD3；

如图2所示，所述高压防触电预警方法，包括以下步骤：

步骤1：所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

步骤2：所述计算处理模块根据环境电场强度、所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离自动识别带电线性单元的电压。

步骤2所述自动识别带电线性单元的电压的具体步骤包括：

步骤201：移动所述高压防触电预警手环改变与带电线性单元的间距，通过计算处理模块计算带电线性单元的电压，得到带电线性单元的个电压样本数据。

所述手环计算处理模块具体通过以下步骤获取带电线性单元电压样本数据：

计算处理模块通过从电场强度传感器和红外测距传感器实时采集得到的环境电场强度E和手环与带电线性单元的间距D。

如图3所示，对于长度为L的带电线性单元其线电荷密度在单元内按照线性规律变化，通过所述红外测距传感器分别测得所述高压防触电预警手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的距离分别为D1和D2，通过电场强度传感器分别测得手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的环境电场强度分别为E1和E2；

根据电场强度与距离的关系，带电线性单元在环境中P(x,y,z)处产生的电磁强度E(x,y,z)为：

式中，Q表示带电线性单元所带电荷；D(x,y,z)为带电线性单元与手环所处位置的距离；ε＝ε₀ε_r，为介电常数；ε₀＝8.85×10^-12F/m，为真空介电常数；ε_r＝1，为测量时手环与带电线性单元之间的相对介电常数；

已知长度为L＝1的带电线性单元首尾两端在手环处电场强度E1、E2和距离D1、D2时，可确定带电线性单元线性单元的线电荷密度τ在单元内的线性分布规律为：

τ(u)＝au+b

其中，a＝3.5表示比例系数，b＝20表示截距；

带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位为：

其中，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离；

手环所处位置的环境电场强度通过手环内置电场强度传感器实时测量，通过带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位得手环所在位置的电位

即可求得带电线性单元的电位

为：

其中，

为手环所在位置的电位，E为手环所在位置的电场强度，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离，

为带电线性单元的电位。

步骤202：重复步骤201移动移动所述高压防触电预警手环若干次，改变移动所述高压防触电预警手环与带电线性单元的间距，得到带电线性单元的电压小样本数据。

步骤203：通过手环计算处理模块内置的支持向量回归模型，对记录的电压小样本数据进行分类识别，自动辨识带电线性单元当前的电压。

定义常量ε>0,对于某一个样本i(x_i,y_i)，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标。如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|≤ε，则记为完全没有损失，如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|>ε,则对应的损失为|y_i-ω·φ(x_i)-b|-ε；

则模型损失函数度量err(x_i,y_i)表示为：

其中，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标，ε为自定义常量，err(g)为模型损失函数度量，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数。

对样本i(x_i,y_i)加入松弛变量ξ_i≥0，则模型的损失函数度量在加入松弛变量之后变为

其中，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数，m＝100为样本个数，ξ_i ^v和ξ_i ^{^}分别为第i个样本的松弛变量。

采用拉格朗日函数将目标优化函数变成无约束的形式，将一半的样本数据作为训练样本代入进行偏导计算和对偶计算得到模型参数w和b。

将另一半的样本数据作为测试样本代入损失函数度量中，当测试样本落入损失函数度量所确定的宽带为2ε的间隔带时，则将此时|w·φ(x_i)-b|拟合计算的结果作为带电线性单元的当前电压。

步骤3：根据带电线性单元的电压，计算处理模块自动设定当前电压等级安全作业距离；

根据标准中给出的不同电压等级下的安全作业距离，自动设置为带电线性单元当前电压下的安全作业距离D_S。

步骤4：判断环境电场强度E是否超出安全电场强度E_S，若超过则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步。

步骤5：判断手环与带电线性单元的间距D是否小于当前电压等级安全作业距离D_S，若小于则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步。

步骤6：判断是否收到结束作业指令，若是则手环结束运行，停止工作；否则返回执行步骤1。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法，其特征在于：

所述高压防触电预警手环包括：

电场传感器、红外测距传感器、计算处理模块、无线通信模块、显示模块、报警模块、地面接收装置；

所述电场传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述红外测距传感器与所述计算处理模块通过有线方式连接；所述计算处理模块分别与所述的无线通信模块、显示模块、报警模块连接；所述无线通信模块与所述地面接收装置通过无线方式连接；

所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；

所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

所述计算处理模块根据环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离计算带电线性单元的电压；所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离传输至所述显示模块进行显示；

所述计算处理模块判断若环境电场强度超出安全电场强度则产生触电预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块判断若所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离小于距离阈值则产生距离预警信息，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒；

所述计算处理模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息传输至所述无线通讯模块；所述无线通讯模块将环境电场强度、高压防触电预警手环与带电线性单元的距离、电场预警信息、距离预警信息无线传输至所述地面接收装置进行远程监控；

所述高压防触电预警方法，包括以下步骤：

步骤1：所述电场强度传感器用于实时采集环境电场强度，并传输至所述计算处理模块；所述红外测距传感器用于实时采集所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离，并传输至所述计算处理模块；

步骤2：所述计算处理模块根据环境电场强度、所述高压防触电预警手环与带电线性单元的距离自动识别带电线性单元的电压；

步骤3：根据带电线性单元的电压，计算处理模块自动设定当前电压等级安全作业距离；根据标准中给出的不同电压等级下的安全作业距离，自动设置为带电线性单元当前电压下的安全作业距离D_S；

步骤4：判断环境电场强度E是否超出安全电场强度E_S，若超过则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步；

步骤5：判断手环与带电线性单元的间距D是否小于当前电压等级安全作业距离D_S，若小于则报警模块发出触电预警，并控制所述报警模块启动振动报警提醒和声音报警提醒，否则执行下一步；

步骤6：判断是否收到结束作业指令，若是则手环结束运行，停止工作；否则返回执行步骤1。

2.根据权利要求1所述的基于高压防触电预警手环的高压防触电预警方法，其特征在于：步骤2所述自动识别带电线性单元的电压的具体步骤包括：

步骤201：移动所述高压防触电预警手环改变与带电线性单元的间距，通过计算处理模块计算带电线性单元的电压，得到带电线性单元的个电压样本数据；

所述手环计算处理模块具体通过以下步骤获取带电线性单元电压样本数据：

计算处理模块通过从电场强度传感器和红外测距传感器实时采集得到的环境电场强度E和手环与带电线性单元的间距D；

对于长度为L的带电线性单元其线电荷密度在单元内按照线性规律变化，通过所述红外测距传感器分别测得所述高压防触电预警手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的距离分别为D1和D2，通过电场强度传感器分别测得手环所在位置P(x,y,z)距离带电线性单元首尾两端处P1(x₁,y₁,z₁)和P2(x₂,y₂,z₂)的环境电场强度分别为E1和E2；

根据电场强度与距离的关系，带电线性单元在环境中P(x,y,z)处产生的电磁强度E(x,y,z)为：

式中，Q表示带电线性单元所带电荷；D(x,y,z)为带电线性单元与手环所处位置的距离；ε＝ε₀ε_r，为介电常数，ε₀为真空介电常数，ε_r为测量时手环与带电线性单元之间的相对介电常数；

已知长度为L的带电线性单元首尾两端在手环处电场强度E1、E2和距离D1、D2时，可确定带电线性单元线性单元的线电荷密度τ在单元内的线性分布规律为τ(u)＝au+b

其中，a表示比例系数，b表示截距；

带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位为：

其中，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离；

手环所处位置的环境电场强度通过手环内置电场强度传感器实时测量，通过带电线性单元在场域内任一点P(x,y,z)产生的电位得手环所在位置的电位

即可求得带电线性单元的电位

为：

其中，

为手环所在位置的电位，E为手环所在位置的电场强度，D(u)为带电线性单元上源点到手环所在位置场点的距离，

为带电线性单元的电位；

步骤202：重复步骤201移动移动所述高压防触电预警手环若干次，改变移动所述高压防触电预警手环与带电线性单元的间距，得到带电线性单元的电压小样本数据；

步骤203：通过手环计算处理模块内置的支持向量回归模型，对记录的电压小样本数据进行分类识别，自动辨识带电线性单元当前的电压；

定义常量ε>0,对于样本i(x_i,y_i)，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标；如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|≤ε，则记为完全没有损失，如果|y_i-ω·φ(x_i)-b|>ε,则对应的损失为|y_i-ω·φ(x_i)-b|-ε；

则模型损失函数度量err(x_i,y_i)表示为：

其中，x_i表示第i个样本的横坐标，y_i表示第i个样本的纵坐标，ε为自定义常量，err(g)为模型损失函数度量，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数；

对样本i(x_i,y_i)加入松弛变量ξ_i≥0，则模型的损失函数度量在加入松弛变量之后变为

其中，ω为超平面的法向量，b为截距，φ(g)为映射函数，m为样本个数，ξ_i ^v和ξ_i^分别为样本i的松弛变量；

采用拉格朗日函数将目标优化函数变成无约束的形式，将一半的样本数据作为训练样本代入进行偏导计算和对偶计算得到模型参数w和b；

将另一半的样本数据作为测试样本代入损失函数度量中，当测试样本落入损失函数度量所确定的宽带为2ε的间隔带时，则将此时|w·φ(x_i)-b|拟合计算的结果作为带电线性单元的当前电压。

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