CN218273607U - 输变电防外破智能预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为了防止大型工程机械施工过程中过度接近高压带电导体发生事故，提供了一种输变电防外破智能预警系统，其包括控制装置、电源、分别与控制装置连接的报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台；所述激光传感器安装于监测云台上；所述控制装置包括MCU、电源保护电路、电源电路、485通讯电路、继电器电路，电源依次通过电源保护电路、电源电路给MCU供电，MCU通过485通讯电路与激光传感器和监测云台连接，MCU分别与存储器、报警装置连接，MCU通过继电器电路与摄像机连接。解决了只靠看护人员目测监视吊臂与高压线的安全距离存在不确定性的问题，杜绝大型机械碰线事故发生，保障了现场人员生命安全。

Description

输变电防外破智能预警系统

技术领域

本实用新型属于电力施工预警领域，具体涉及输变电防外破智能预警系统。

背景技术

随着我国逐渐加快的城市化进程，各类基础设施建设进一步增速，机械化施工程度也越来越高，对于运行中的输电线路来说，外力风险源成倍增加，高压输电线路附近大型机械作业触电事故发生较为频繁，电网的安全运行面临着严峻的考验。高压架空输电线路分布范围广，总量规模大，目前全国35kV及以上高压输电线路总长达150万公里，且每年仍以6％左右的速度迅速增长；工程作业施工时，不可避免的要在输电线路下方进行安装、吊运作业，现场人员很难判断吊车吊臂与高压导线间的距离，如果吊臂过于接近高压导线则会引发触电事故，目前主要是靠目测估算吊臂与高压线的安全距离，这种测距方式通常会存在较大误差，是现场工作的潜在危险源。

实用新型内容

本实用新型为了防止大型工程机械施工过程中过度接近高压带电导体发生事故，提供了一种输变电防外破智能预警系统，可用于输电线路、变电站或其他近电施工场地。

本实用新型的技术解决方案是：

输变电防外破智能预警系统，其特殊之处在于：包括前端装置，所述前端装置包括控制装置、电源、分别与控制装置连接的报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台；所述激光传感器安装于监测云台上；所述电源给控制装置、摄像机、报警装置、激光传感器、监测云台供电；所述控制装置包括MCU、电源保护电路、电源电路、485通讯电路、继电器电路，电源依次通过电源保护电路、电源电路给MCU供电，MCU通过485通讯电路与激光传感器和监测云台连接，MCU分别与存储器、报警装置连接，MCU通过继电器电路与摄像机连接。

优选的，MCU还通过网络芯片W5100电路与管控平台连接。

优选的，所述存储器为铁电存储器。

优选的，所述激光传感器和监测云台的数量均为两个。

优选的，前端装置还包括箱体，所述控制装置和电源安装于箱体内，报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台安装于箱体外表面。

优选的，激光传感器发射端前方设置有前窗，激光传感器能够穿过前窗发射和反射激光，所述前窗的上方设置有防水罩。

优选的，所述箱体上设置有吊环和/或水平仪。

优选的，所述前窗上覆盖有滤光膜，可以将波长为905nm的之外的杂散光滤除。

优选的，所述箱体的底部设置有接线孔。

优选的，电源采用蓄电池供电和/或太阳能供电。

本实用新型的优点是：(1)专为输电线路区域防范而设计，实时对线路走廊进行监控，当发现有超高作业或靠近杆塔的大型机械突破警戒区域时，便立即进行现场声光报警，警示工作人员及工程机械驾驶员；当出现警情时，系统以短信、微信、App等方式向相关责任人推送报警信息及报警照片。解决了只靠看护人员目测监视吊臂与高压线的安全距离存在不确定性的问题，杜绝大型机械碰线事故发生，保障了现场人员生命安全。

(2)一个前端装置上安装有两套激光传感器、监测云台、摄像机、报警装置，共用一套电路或者分别使用两套电路，可以实现一次输电塔上的安装，两侧的线路同时扫描，降低安装成本和设备成本，监测的范围也增加为两倍。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图；

图2为前端装置原理图；

图3为本实用新型电源保护电路示意图；

图4为本实用新型电源电路示意图；

图5为本实用新型485通讯电路示意图；

图6为本实用新型继电器电路示意图；

图7为本实用新型铁电存储电路示意图；

图8为本实用新型网络芯片W5100电路示意图；

图9为本实用新型MCU电路示意图；

图10为本实用新型前端装置结构示意图。

其中，1-箱体；2-监测云台；3-摄像机；4-报警装置；5-电池箱；6-太阳能电池；7-吊环。

具体实施方式

本实用新型可以单独由前端装置构成，前端装置安装于线路下方，优选地，前端装置安装于输电铁塔上，实时对线路走廊进行监控，当发现有超高作业或靠近杆塔的大型机械突破警戒区域时，便立即进行现场声光报警，警示工作人员及工程机械驾驶员；优选的，也可以由前端装置及管控平台两部分组成，当出现警情时，管控平台以短信、微信、App等方式向相关责任人推送报警信息及报警视频照片。系统结构示意见图1。

其中，前端装置的原理如图2，包括控制装置、电源、分别与控制装置连接的报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台；所述激光传感器安装于监测云台上，监测云台为精密设备并集成有伺服电机，以0.02°精度驱动激光传感器进行水平方向的扫描，形成虚拟的激光幕墙；所述控制装置包括MCU、电源保护电路、电源电路、485通讯电路、继电器电路，电源依次通过电源保护电路、电源电路给MCU供电，MCU通过485通讯电路与激光传感器和监测云台连接，MCU分别与存储器、报警装置连接，MCU通过继电器电路与摄像机连接。所述电源给控制装置、摄像机、报警装置、激光传感器、监测云台供电；报警装置采用高分贝喇叭和可旋转红色报警灯，对违规人员进行有效警示作用。摄像机为精密设备，为系统的感知部分，可以360度无死角智能识别违规人员及违规机械，并对现场进行全程视频记录和拍照。电源采用蓄电池供电和太阳能供电两种方式同时供电，设置电池箱，内置大容量胶体蓄电池，以保证无阳光情况下的长期可靠运行。

优选的，一个前端装置上安装有两套激光传感器、监测云台、摄像机、报警装置，共用一套电路或者分别使用两套电路，可以实现一次输电塔上的安装，两侧的线路同时扫描，降低安装成本和设备成本，监测的范围也增加为两倍。

具体的，本系统可通过太阳能电池与蓄电池供电，电池电压为12伏，图3为电源保护电路示意图，TLOAD+和FD IN分别为12伏电源的正负端口，气体放电管GS1跨接在TLOAD+和FD IN的两端，TLOAD+通过压敏电阻RV1接地，FD IN端通过压敏电阻RV3接地，保险丝F1和电容C37串联后跨接在气体放电管GS1的两端，电感L7与电容C38串联后与电容C37并联，电容C38与压敏电阻RV2并联，电容C37与保险丝F1连接的一端为正极，电容C38与电感L7连接的一端为正极，当电池端出现故障出现浪涌电压时，压敏电阻与气体放电管起到电压钳位作用，压敏电阻具有响应时间短的优点，在气体放电管尚未导通之前.压敏电阻就开始动作，对暂态过电压进行钳位，泄放大电流，当放电管放电导通后它将与压敏电阻进行分流，减小了对压敏电阻的通流压力，从而缩短了压敏电阻通大电流的时间，有助于减缓压敏电阻的性能退化，具有过电流保护作用，电容C37、电容C38与电感L7起到滤波的作用，压敏电阻RV2的两端输出安全稳定的12V电压。

电源保护电路输出安全稳定的12V电压，芯片工作电压为3.3伏，因此需要DC-DC稳压芯片来安全的输出稳定的3.3伏电压，如图4所示，稳压芯片采用LM2576HV，是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，该芯片具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。具体的，电容C44和电容C41并联，电容C44和电容C41的正端均接稳压芯片的IN端，稳压芯片的ON端和GND端接GND，OUTPUT端口与肖基特二极管V1的负极连接，肖基特二极管V1的正极连接GND,OUTPUT端口还通过电感L8与电容C42的正极连接，电容C43与电容C42并联，电容C42的负极、电容C43的负极、电容C44的负极和电容C41的负极均接GND，稳压芯片的FEEDBACK端口与电容C42的正极连接。C41为一个100微法低阻钽电容，对前端忽然输入的较大电压起到一定缓冲作用。V1为肖特基二极管，具有开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短的优点，在这起到续流作用。L8为电感元件，在该电路中，在开关开通时储能，在开关关断时给负载续流。同时它和电容组成二阶滤波系统输出较稳定的电压和电流，是BUCK电路不可缺少的元器件。C42为低阻钽电容，在该电路中起到输出滤波及提高环路的稳定性和平稳电压的作用。C43为去耦电容，用于滤除高频杂波。C44为滤波电容。最终稳压芯片的FEEDBACK端口输出3.3V电压。

本装置通过高精度云台搭载高频激光传感器进行平面扫描，高精度云台与激光传感器都是通过485通讯电路与MCU通讯。图5为485通讯电路示意图，ADM2483为集成电气数据隔离的RS-485收发器，具有以下众多优势：数据速率：500kbps，低功耗工作：2.5mA，最大值适用的工作电压(VDD1)：5V或3.3V，高共模瞬变抗扰度：>25kV/μs，真故障保护接收器输入总线支持256个节点等。VT8、VT9、VT13为瞬态抑制二极管，TVS管是吸收浪涌功率用的，能在极短时间内承受反向电压冲击，使两极间的电压钳位于一个特定电压上，避免后面的电路受到冲击。简单的说就是做过压保护的。具体的，ADM2483的D3V3连接图4的D3V3，为该芯片的电源输入引脚，RXD4与TXD4分别与图9芯片的112与111引脚连接，RXD4为图9芯片的信号接收引脚，TXD4为图9芯片的信号发送引脚，该信号通过ADM2483芯片转换为485信号，并与外界的监测云台和激光传感器进行通讯；ADM2483的4号和5号引脚为发送使能和禁止信号，TR-PD6与图9芯片的122引脚连接，当该引脚引号为低电平时，ADM2483芯片发送被禁止，当该引脚为高电平时，该芯片发送被使能。ADM2483的2号与8号引脚为电源地，用于该芯片电源形成回路，在电源地之外还有AGND，该为大地，该地通过机壳与大地连接，VT8与VT13为气体放电管，当与ADM2483芯片相连接的外部电路受到静电等大电压输入时，该电压脉冲通过VT8或VT13释放给大地，起到保护电路的作用。

前端装置带有可控电源的摄像机，在需要的情况下将摄像机电源断开，实现该功能的电路为继电器电路，如图6所示，通过VT16三极管驱动继电器K3，继电器K3的4、5引脚接摄像机电源，VT12为续流二极管，由于继电器的线圈是感性元件，变化的电流通过线圈时线圈会产生自感电动势，所以当断开继电器线圈电源瞬间电流变化率很大，线圈将产生高于电源电压数倍的自感电动势，并与电源电压叠加,这么高的电压作用在电路上就会损坏电路上的三极管等原器件。所以在线圈两端并接上二极管，并且使断电瞬间线圈产生的自感电动势极性满足二极正向导通形成续流，把这自感感生电流泄放掉从而保护了电路上的三极管等原器件。JD PB6与图9芯片的136号引脚连接，VT16为NPN型三极管，当JD PB6为高电平时，VT16导通，继电器K3通电，实现对摄像机打开或关断的作用。R31为限流二极管，由于VT16为电流控制的三极管，通过该三极管的电流大小与1号引脚流入的电流成正比，并且起到对1号电流放大的作用，为防止通过1号的电流过大而导致通过三极管整体的电流过大烧坏三极管的事故，因此在该三极管1号引脚串联合适电阻，使流过该三极管的电流合适而不会烧坏三极管。

本系统可设置数据上传间隔、时间信息、本机地址、端口号、本机编号等设备信息，这些信息存储在如图7所示的存储芯片内，该存储器使用MB85RC128铁电存储芯片，铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM，铁电存贮器(FRAM)的第一个最明显的优点是可以跟随总线速度(busspeed)写入，铁电存贮器(FRAM)的第二大优点是几乎可以无限次写入，利用这些优势，可长期存储信息并无限写入擦除设备信息。图7的5号、6号、7号引脚分别与图9的2号引脚、3号引脚与5号引脚连接，该3个引脚通过R60、R61、R62与电源D3V3连接，通常情况下该芯片的5、6、7号引脚为高电平，当图9与该芯片5、6、7号相连接的引脚进入低电平时，同时将该芯片的5、6、7号引脚拉低，通过高低电平形成脉冲信号，实现数据通讯功能，电源D3V3通过电容C46接GND。

优选的，本系统具有通过网络实时视频上传和图片上传功能，这些上传功能的实现是通过网络芯片和网络接口的支持的，图8为网络芯片W5100，W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100Mbps以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100与IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。其中，C5、C6、R2与Y1为晶体震荡电路，为W5100提供稳定的时钟信号，L1为磁珠，磁珠具有通直流阻高频的作用，与C7共同为W5100提供干净稳定的电源，在以上关键元器件的共同作用下，输变电防外破智能预警系统得以稳定正常的运行。W5100的5引脚与6引脚用来接收外界过来的差分信号，7引脚和8引脚用来向外界发送差分信号，与带网络变压器的RJ45接口的相关引脚连接。59为复位引脚，该引脚低电平有效，为保证复位可靠，该引脚与MCU连接，通过MCU进行复位，而不是用RC复位，55号引脚为片选信号，片选信号低电平有效，用于MCU访问内部寄存器或存储器，/RD/WR选择数据传输方向。45-54号引脚为地址总线，这些引脚用来选择寄存器或存储器，地址总线内部为下拉低电平。19-26位数据总线，这些引脚用来读取内部寄存器或存储器数据，57和58号引脚分别是写使能和读使能引脚，31号为SIP使能，该引脚用来启用或禁用SIP功能，75与76号引脚为25MHZ晶振引脚，外部晶振为W5100芯片提供稳定的时钟信号。

本系统作为智能设备，MCU是不可缺少的，本装置选用STM32F103ZET6作为核心器件，如图9所示。STM32F103ZET6是一款基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封装，512K片内FLASH(相当于硬盘),64K片内RAM(相当于内存)，片内FLASH支持在线编程(IAP)，有着高达72M的频率,数据、指令分别走不同的数据线,以确保CPU运行速度达到最大化，通过片内BOOT区,可实现串口下载程序(ISP)，片内双RC晶振提供8M和32K的频率，支持片外高速晶振(8M),和片外低速晶振(32K)，其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走，42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池,实现掉电数据保存功能，芯片多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S接口,2路I2C接口,5路USART,一个USB从设备接口,一个CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NAND Flash接口的16位总线-FSMC，3路共16通道的12位AD输入,2路共2通道的12位DA输出.支持片外独立电压基准，CPU操作电压范围:2.0-3.6V。MCU众多的片上资源和出色的性能保证了设备的可靠运行。其中，Y2为MCU的时钟晶振，保证系统的时间准确，Y3为MCU的系统时钟，该时钟为MCU的运行提供准确的节拍频率。

前端装置的外形结构如图10所示。前端装置包括箱体1，所述控制装置安装于箱体1内，报警装置4、摄像机3、激光传感器和监测云台2安装于箱体外表面。

优选的，激光传感器发射端前方设置有前窗，激光传感器能够穿过前窗发射和反射激光，所述前窗的上方设置有防水罩。优选的，所述前窗上覆盖有滤光膜，可以将波长为905nm的之外的杂散光滤除。

优选的，所述箱体上设置有吊环7，方便往铁塔上吊装设备。箱体上设置有水平仪，方便安装箱体时定位激光传感器的角度。

优选的，所述箱体的底部设置有接线孔，在一些电源采用蓄电池供电和太阳能电池6供电两种方式同时供电，设置电池箱5，内置大容量胶体蓄电池，以保证无阳光情况下的长期可靠运行。在一些光照非常充足的地区，可以只采用太阳能供电；在一些光照量一般的地区，可以在箱体内设置一组电池，箱体外设置太阳能电池6；在光照不足的地区，箱体外再额外增加一组电池箱。与电池箱连接、太阳能电池连接的电路通过箱体底部的接线孔进入到箱体内部，防止雨水侵袭到箱体内部，造成设备损坏。

系统工作原理：本实用新型通过高精度云台搭载高频激光传感器对线路走廊进行水平方向的扫描预警，构建预警边界，判断有无外物入侵，当发现大型工程机械有超限作业或非法靠近导线的行为时，激光传感器产生电信号，发送给MCU，MCU通知报警装置立即发出声光告警提示现场人员，发送信号通过摄像机取证，并且通过网络芯片向管控平台推送报警信息及照片，提示相关人员对报警现场给予重视，对现场违章操作进行制止，从而防止大型工程机械施工过程中过度接近高压带电导体发生事故。扫描范围、扫描角度、扫描速度等参数可调，能判断入侵物体类型，具备多种灵敏度及扫描速度。

Claims (9)

1.输变电防外破智能预警系统，其特征在于：包括前端装置，所述前端装置包括控制装置、电源、分别与控制装置连接的报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台；

所述激光传感器安装于监测云台上；

所述电源给控制装置、摄像机、报警装置、激光传感器、监测云台供电；

所述控制装置包括MCU、电源保护电路、电源电路、485通讯电路、继电器电路，电源依次通过电源保护电路、电源电路给MCU供电，MCU通过485通讯电路与激光传感器和监测云台连接，MCU分别与存储器、报警装置连接，MCU通过继电器电路与摄像机连接。

2.根据权利要求1所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：MCU还通过网络芯片W5100电路与管控平台连接。

3.根据权利要求1或2所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述存储器为铁电存储器。

4.根据权利要求1或2所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述激光传感器和监测云台的数量均为两个。

5.根据权利要求1或2所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述前端装置还包括箱体，所述控制装置和电源安装于箱体内，报警装置、摄像机、激光传感器和监测云台安装于箱体外表面。

6.根据权利要求5所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：激光传感器发射端前方设置有前窗，激光传感器能够穿过前窗发射和反射激光，所述前窗的上方设置有防水罩。

7.根据权利要求6所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述前窗上覆盖有滤光膜，可以将波长为905nm的之外的杂散光滤除。

8.根据权利要求6所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述箱体上设置有吊环和/或水平仪。

9.根据权利要求5所述的输变电防外破智能预警系统，其特征在于：所述箱体的底部设置有接线孔。

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