一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)生活均對(duì)供電的穩(wěn)定性提出了更高的要求，供電質(zhì)量和安全已成為優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境的重要指標(biāo)。國(guó)網(wǎng)設(shè)備部在《關(guān)于全面加強(qiáng)配網(wǎng)不停電作業(yè)管理工作的通知》（設(shè)備配電〔2019〕77號(hào)）中要求：盡可能地用不停電作業(yè)方式對(duì)配電網(wǎng)開(kāi)展各類(lèi)作業(yè)，以提高供電穩(wěn)定性與可靠性。因此需要不斷提升配網(wǎng)不停電作業(yè)水平，確保電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。不斷開(kāi)發(fā)帶電作業(yè)工具、帶電作業(yè)安全防護(hù)裝備和安全監(jiān)測(cè)裝備，來(lái)保障不停電作業(yè)人員的人身安全。

開(kāi)發(fā)安全環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，旨在作業(yè)前迅速知悉現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)，為安全開(kāi)展不停電作業(yè)提供可靠性依據(jù)。安全環(huán)境要素包括上述的設(shè)備電流、電壓，環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速。安全環(huán)境監(jiān)控裝置需要實(shí)現(xiàn)對(duì)五大要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。作業(yè)前根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)確定現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是否適宜開(kāi)展帶電作業(yè)，作業(yè)時(shí)當(dāng)任一要素發(fā)生突變影響作業(yè)安全時(shí)，裝置會(huì)在第一時(shí)間預(yù)警，提示帶電作業(yè)是否停止，從而提高作業(yè)人員的人身安全。

本文針對(duì)10kV配網(wǎng)不停電作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置的開(kāi)發(fā)，主要分析五大安全環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)采集裝置的構(gòu)成及工作原理、主機(jī)的構(gòu)成及控制電路的設(shè)計(jì)方案。

二、安全環(huán)境監(jiān)控裝置的構(gòu)成及技術(shù)原理

（一）裝置開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)原理

安全環(huán)境監(jiān)控裝置開(kāi)發(fā)的主要功能部件包括：環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置、集成電路裝置、預(yù)警裝置。環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置負(fù)責(zé)采集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)環(huán)境模擬量，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸。集成電路裝置負(fù)責(zé)接收電信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行液晶數(shù)字顯示，匹配電路模塊預(yù)設(shè)的安全數(shù)值，發(fā)出是否適宜開(kāi)展帶電作業(yè)的提示；在帶電作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)發(fā)生突變超過(guò)預(yù)設(shè)的安全數(shù)值時(shí)，能及時(shí)將其傳遞至預(yù)警電路模塊，觸發(fā)預(yù)警裝置實(shí)施報(bào)警。

應(yīng)用于10kV不停電作業(yè)的安全環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)的五大要素分為三個(gè)方面要素：由于電壓高，為確保裝置使用安全，電氣要素的數(shù)據(jù)需要采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式；環(huán)境要素的采集裝置可以?xún)?nèi)置于主機(jī)內(nèi)，便于裝置集成與攜帶。

（二）環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置組成及工作原理

環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置包括電壓、電流、溫度、濕度、風(fēng)速共五套數(shù)據(jù)采集裝置。

1.10kV電壓采集裝置

由環(huán)形探鉤、電壓探測(cè)器、絕緣操作桿組成。電壓探測(cè)器上端安裝環(huán)形探鉤，可掛在高壓線(xiàn)上，下端旋接在絕緣操作桿上。3根組裝式絕緣操作桿，總長(zhǎng)6米，其試驗(yàn)電壓符合國(guó)標(biāo)GB113398-92《帶電作業(yè)用絕緣桿通用技術(shù)條件》。電壓探測(cè)器內(nèi)置鎳氫充電電池、無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和天線(xiàn)。

電壓采集裝置測(cè)量相電壓的工作原理：基于電磁場(chǎng)的相互轉(zhuǎn)換，電壓探測(cè)器通電工作時(shí)無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射機(jī)會(huì)發(fā)出高頻磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)高頻磁場(chǎng)與高壓電路中的三相電源形成的磁場(chǎng)合成時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與三相電源的相電壓成正比。因此，通過(guò)測(cè)量這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，就可以進(jìn)行相電壓的測(cè)量。

信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)量的模擬數(shù)值轉(zhuǎn)換成無(wú)線(xiàn)電數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送至集成電路裝置進(jìn)行處理。信號(hào)傳輸有效距離大于100米，改變了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法，消除了接觸式測(cè)量的危險(xiǎn)性，有力保障了測(cè)量人員的人身安全。電壓采集裝置采用人性化的設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單方便，即使是沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人員也能輕松上手，操作過(guò)程安全可靠，確保裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

2.電流采集裝置

由高壓鉗形檢測(cè)儀和5根組裝式絕緣桿組成。絕緣桿組裝后長(zhǎng)度為6米，頂端與檢測(cè)儀底部旋接。檢測(cè)采用鉗形CT方式，鉗口：48mm，可測(cè)Φ48mm及以下的導(dǎo)線(xiàn)。

電流采集裝置測(cè)量高壓輸電線(xiàn)路電流的工作原理：利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)檢測(cè)穿過(guò)被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算出被測(cè)導(dǎo)線(xiàn)的電流大小。即高壓鉗形CT內(nèi)部包含一個(gè)電磁鐵，一個(gè)霍爾傳感器，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和天線(xiàn)。高壓導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)電磁鐵時(shí)，會(huì)在電磁鐵內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的大小與高壓導(dǎo)線(xiàn)的電流成正比。高壓鉗形CT內(nèi)部的霍爾傳感器，可以檢測(cè)到這個(gè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)送，傳輸至集成電路裝置進(jìn)行處理。

電流數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸方式使用無(wú)線(xiàn)電頻率（RF）技術(shù)，直線(xiàn)傳輸距離為30米，便于操作人員在安全距離外讀取電流測(cè)量結(jié)果，避免了與高壓電路的直接接觸。

3.溫度采集裝置

環(huán)境溫度采集裝置主要包括NTC熱敏電阻，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)調(diào)制電路、電源模塊、輸出接口、數(shù)據(jù)線(xiàn)。其中NTC熱敏電阻是核心元件。

溫度采集裝置的工作原理：當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，NTC熱敏電阻的電阻值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由信號(hào)調(diào)制電路進(jìn)行調(diào)制和放大后，由輸出接口和數(shù)據(jù)線(xiàn)將電信號(hào)傳輸?shù)郊呻娐纺K進(jìn)行后續(xù)處理。電源模塊為溫度采集裝置提供工作所需的電源。

4.濕度采集裝置

環(huán)境濕度采集裝置主要包括濕敏電容、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)制電路、電源模塊、輸出接口、數(shù)據(jù)線(xiàn)。濕敏電容用高分子薄膜電容制成，能夠根據(jù)環(huán)境濕度變化導(dǎo)致介電常數(shù)的變化，從而測(cè)量濕度。濕敏電容的優(yōu)點(diǎn)包括靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。

濕度采集裝置的工作原理：濕敏電容是核心元件，可以感知環(huán)境濕度的變化，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將濕敏電容感知到的濕度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)調(diào)制電路將電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和放大，信號(hào)調(diào)制電路包括放大器、濾波器、調(diào)制解調(diào)器。輸出接口和數(shù)據(jù)線(xiàn)將電信號(hào)傳輸?shù)郊呻娐纺K進(jìn)行后續(xù)處理。電源模塊為濕度采集裝置提供工作所需的電源。

5.風(fēng)速采集裝置

環(huán)境風(fēng)速采集點(diǎn)為人員高空作業(yè)的高度位置，離地面5.5—6.5米。風(fēng)速采集裝置包括六葉風(fēng)輪、風(fēng)速傳感器、可伸縮支撐桿、固定盤(pán)、數(shù)據(jù)線(xiàn)。其中可伸縮支撐桿最大伸長(zhǎng)為6.5米，分6節(jié)，全部縮回為1.1米，類(lèi)似伸縮式釣魚(yú)竿結(jié)構(gòu)，下端安裝在固定盤(pán)上，與地面垂直。六葉風(fēng)輪安裝在支撐桿頂端，風(fēng)輪迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，隨風(fēng)向繞支撐桿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

風(fēng)速傳感器設(shè)在六葉風(fēng)輪下方，是采集風(fēng)速的核心裝置，由風(fēng)速敏感元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)制電路、充電鋰電池、輸出接口組成。

風(fēng)速采集裝置的工作原理：利用六葉風(fēng)輪，將風(fēng)的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)風(fēng)速傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)調(diào)制電路進(jìn)行放大和處理后，經(jīng)輸出接口和數(shù)據(jù)線(xiàn)傳遞至集成電路裝置進(jìn)行后續(xù)處理。

三、主機(jī)及集成電路裝置的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

（一）主機(jī)結(jié)構(gòu)

主機(jī)結(jié)構(gòu)為手持便攜式人機(jī)交互機(jī)，外部件包括：絕緣硬質(zhì)殼體件、液晶顯示屏，數(shù)據(jù)線(xiàn)接口，USB接口，預(yù)警裝置等。其中液晶顯示屏為人機(jī)交互的終端，USB接口便于與多媒體互連。內(nèi)部件包括：絕緣主板和數(shù)據(jù)線(xiàn)。絕緣主板上安裝有集成電路模塊，溫度采集裝置，濕度采集裝置。即溫度和濕度采集裝置為主機(jī)內(nèi)置件，電壓、電流、風(fēng)速三個(gè)采集裝置為外置件。

根據(jù)所有電子元器件的大小、外形、電路板的大小進(jìn)行外包裝設(shè)計(jì)，對(duì)主機(jī)殼體進(jìn)行建模，包括殼體尺寸的大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開(kāi)孔尺寸等，形成一套成型的便攜式設(shè)備，保證主機(jī)的結(jié)實(shí)度、美觀(guān)度、使用度。

（二）主機(jī)功能

五大要素的采集數(shù)據(jù)均需要數(shù)字化，并液晶顯示，用戶(hù)通過(guò)屏幕終端可以直觀(guān)地了解當(dāng)前的環(huán)境信息。同時(shí)實(shí)現(xiàn)作業(yè)前根據(jù)數(shù)值匹配性發(fā)出環(huán)境是否適宜開(kāi)展帶電作業(yè)的提示。作業(yè)時(shí)當(dāng)任一要素發(fā)生突變偏離安全預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍時(shí)，裝置會(huì)在第一時(shí)間報(bào)警。

主機(jī)功能通過(guò)集成電路裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，集成電路裝置采用單片機(jī)作為計(jì)算中心，功能電路模塊以單片機(jī)為控制核心，電路設(shè)計(jì)包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)接收電路設(shè)計(jì)、接口電路設(shè)計(jì)、數(shù)字顯示電路設(shè)計(jì)、預(yù)警電路設(shè)計(jì)，共七種電路設(shè)計(jì)。

集成電路裝置的工作原理：由單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件的驅(qū)動(dòng)，兩套無(wú)線(xiàn)接收電路負(fù)責(zé)接收電壓、電流的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，接口電路負(fù)責(zé)接收溫度、濕度、風(fēng)速的有線(xiàn)傳輸電信號(hào)。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將接收的上述五項(xiàng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字顯示電路將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行液晶顯示，用戶(hù)通過(guò)屏幕終端直觀(guān)了解當(dāng)前環(huán)境五大信息的數(shù)值；帶電作業(yè)過(guò)程中，液晶屏幕全程實(shí)時(shí)顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)任一要素發(fā)生突變，偏離安全預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍時(shí)，預(yù)警電路會(huì)在第一時(shí)間通電報(bào)警。

單片機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)IIC通信與電路模塊連接，內(nèi)置的程序采用C語(yǔ)言編程，針對(duì)7個(gè)功能模塊均建立子程序，并將子程序嵌套到整個(gè)主程序內(nèi)，使程序編寫(xiě)模塊化、功能化，保證程序運(yùn)行快速、合理。

四、結(jié)語(yǔ)

不停電配網(wǎng)作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置的開(kāi)發(fā)，首先是可以判斷現(xiàn)場(chǎng)五大要素是否符合不停電安全作業(yè)的條件，其次更重要的是在已經(jīng)開(kāi)展帶電作業(yè)的情況下，能夠解決帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境突變不能第一時(shí)間預(yù)知的問(wèn)題，為工作負(fù)責(zé)人和帶電作業(yè)人員提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在超出規(guī)定范圍時(shí)及時(shí)報(bào)警，進(jìn)一步提升帶電作業(yè)人員的安全性。

裝置開(kāi)發(fā)完成后，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

（1）判斷現(xiàn)場(chǎng)五大要素是否符合不停電安全作業(yè)，不符合時(shí)報(bào)警。

（2）電壓、電流（用戶(hù)側(cè)反送電）突然升高影響作業(yè)安全時(shí)及時(shí)報(bào)警。

（3）現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度突然變化，影響作業(yè)安全時(shí)及時(shí)報(bào)警。

（4）現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速大于5級(jí)，影響作業(yè)安全時(shí)及時(shí)報(bào)警。

2023年僅在安徽省國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)就開(kāi)展帶電作業(yè)1.4萬(wàn)次以上，配網(wǎng)不停電作業(yè)能力仍然需要不斷提升。不停電配網(wǎng)作業(yè)安全環(huán)境監(jiān)控裝置是一款全過(guò)程的自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)裝備，可以提高帶電作業(yè)的穩(wěn)定性，提升作業(yè)人員的安全保障能力，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院）