基于工业物联网的激光除异物装置安全管控技术

王 楠，张秉良，2，张 震，漆 照，韩 梁

（1.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

架空输电线路具有点多、面广、环境复杂等特点，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，可造成相间短路、单相接地，导致线路跳闸停电或线路损毁，垂落的异物或烧断损毁的导线还可造成人畜伤亡，给电力系统和社会带来极大的危害［1］。

传统输电线路除异物技术主要是依靠作业人员对输电线路上的异物进行清除，分为停电处理和带电处理［2］。带电作业会受作业现场环境、气候等诸多因素影响而无法开展，即便开展带电作业，作业人员也会面临较大作业风险及危害；而停电作业则会对社会经济造成损失［3-6］。

近年来，利用激光切割原理对输电线路挂网异物清除的激光除异物装置［7］已广泛应用于山东、江苏、浙江等省级电网。此类装置可发射功率较大的激光束对挂网异物进行在线清除，有效解决了输电线路异物挂网摘除难题，为输电线路安全运行提供有力保障。山东电网利用激光除异物装置开展了架空输电线路激光远程融冰试验及分析工作，对装置应用具有一定的指导作用［8］。

由于激光在切割作业中会产生强烈的光线，人眼不可以长时间观看，以免伤害眼睛。激光束能量大，如果接触人体，会产生严重的烧伤［9］，且目前国内没有针对激光除异物装置技术要求的统一标准，激光除异物装置制造及使用环节中，部分技术条件所依据的GB/T 7247—2012《激光产品的安全》并非强制性标准，因此激光除异物装置在使用时易产生监管漏洞。

针对上述问题，充分发挥互联网技术，将工作场界保护技术、防倾覆技术、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）与远程控制技术等应用于激光除异物装置，并研发出激光除异物技术应用安全管控平台与“激光卫士”安全操作APP，对激光除异物装置进行安全管控。

1 工作场界保护技术与防倾覆保护技术

1.1 工作场界保护技术

激光除异物装置工作场景常为户外，现场环境复杂，存在人畜等物体靠近正在工作的装置的可能。当发生上述情况时，装置会自动暂停激光发射，以保证人畜安全。

现有部分研究中，工作场界保护技术利用放置于激光发射口的超声波传感器进行周界监视，当有物体进入设置的工作区域时，超声波传感器将信息传送到传感器接收模块，接收模块对信息进行处理后上送到控制中心，控制中心将停止出光指令发送到光源控制模块，控制激光停止出光［10］。在这种方式下，工作场界保护的范围会随着激光口位置的变化而改变，导致装置在实际工作中产生一定的保护盲区。为解决上述问题，可以将激光除异物装置超声波传感器放置在云台，以消除激光除异物装置工作中产生的保护盲区。工作场界保护技术工作原理如图1所示。

图1 工作场界保护技术工作原理

1.2 防倾覆保护技术

激光除异物装置在工作时，易受气候环境、地质条件等因素影响，可能发生偏斜、倾覆等情况。当发生上述情况时，防倾覆保护技术可使装置自动停止激光发射，以保证安全。

防倾覆保护技术利用放置于电动云台中的电子水平仪，对装置运行环境进行监控。电子水平仪采用摆锤原理［11］，当遭遇大风等情况导致装置偏斜、倾覆后，电子水平仪将采集到的装置状态上传到控制中心，控制中心发送停止出光指令至光源控制模块，控制激光停止出光。防倾覆保护技术工作原理如图2所示。

图2 防倾覆保护技术工作原理

2 基于物联网的远程控制技术

基于物联网的远程控制是将远端设备、云平台及用户终端通过网络通信进行连接，其中，用户使用用户终端连接云平台进行指令的发送，云平台连接远端设备传递指令，远端设备响应接收的指令［12］。远端设备为激光除异物装置；用户终端为手持式移动终端，既可以是手机，也可以是平板电脑。

2.1 网络架构及通信协议

现有物联网技术应用案例已对无线保真（Wireless Fi⁃delity，Wi⁃fi）技术、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB⁃IoT）技术等进行了相应研究［13-15］。在激光除异物装置安全管控中，采用了Wi⁃fi等技术。

激光除异物装置与手持式移动终端之间采用Wi⁃fi 技术进行连接；云平台与激光除异物装置之间的连接使用http、TCP/IP 协议的4G网络进行连接，采用通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）或分码多重连接（Code Division Multipul Access，CDMA）通信技术进行数据传输。

现有部分研究中，对基于Wi⁃fi 控制系统的手持移动终端间的通信，采用基于TCP 协议中Socket 的通信方式。这主要是因为UDP 协议开销虽然较小，但其传输完整性较TCP/IP协议差。在远程控制系统中，控制端需要向被控端发送控制命令，被控端收到控制命令后执行该指令，为了使受控端接收到的控制命令可靠而又完整，因此，建议控制命令信息采用基于TCP 协议的Socket 通信，且虽然TCP/IP 协议传输单价高，但实际上控制命令信息数据量很小，这在一定程度上削弱了TCP/IP协议的缺陷［16］。

激光除异物装置的物联网络架构如图3所示。

图3 激光除异物装置的物联网络架构

2.2 即时定位-远程控制模块

GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统，可为用户提供随时随地的准确位置信息，已在物联网应用案例中广泛应用［17-19］。在实际应用中，GPS 需要实时开启，耗电量较大。GPS 即时定位-远程控制模块与激光除异物装置共用供电电路，解决了GPS 长期运行的供电难题，且大大减少了无效数据。

激光除异物装置采用的是GPRS 通信技术。GPRS 在现有全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）网络的基础上通过增加相应的功能实体，并进行部分改造来实现分组交换，提供端到端的、广域的无线IP 连接，适用于频繁、少量的数据传输。基于GPRS 的远程定位系统具有覆盖范围广、可移动、接入地点无限制、系统传输容量大、无限制扩容、通信费用低、实时性好、数据传输高速等技术优点。因此，采用GPRS 进行数据传输，可实现对系统的监控，且系统扩展方便、工程实施快、性价比高、工程费用低、扩容方便、可靠性好、日常维护工作量小。GPS 即时定位-远程控制模块内部结构如图4 所示。

图4 GPS即时定位-远程控制模块内部结构

GPRS 控制模块内置于激光除异物装置，通过GPRS 网络与数据服务器通信，通过基站定位确定位置信息并上传；移动端“激光卫士”APP 一般安装在设备操作人员或审批人员的手持式移动终端，通过移动网络与服务器通信，实现设备领用申请、设备使用审批及使用过程记录；数据服务器及电力数据库部署在公司服务器上，可通过监控客户端访问，外部用户则通过Internet 网络和Web 服务器访问内部服务器和数据库。

此外，在设备使用过程中，管理员可通过数据服务器和GPS 即时定位-远程控制模块强制关停在线输电线路激光除异物装置。

3 激光除异物装置安全管控平台

激光除异物装置安全管控平台由“激光卫士”操作APP和综合应用管理系统两部分组成。

3.1 “激光卫士”APP

由于生产现场是远离办公场所的，在手持移动终端上部署操作APP 对远端设备进行智能化管理及控制，是目前常用的技术手段［20］。激光除异物装置所使用的基于C#语言开发的“激光卫士”操作APP，不仅实现了设备领用的线上审批，还实现异物处理情况的即时记录与上报，同时可实现设备领用申请、设备使用审批、任务查看、设备归还等功能。

设备领用申请、设备使用审批功能。因输激光除异物装置的特殊性，设备领用应严格履行领用审批手续，其工作流程如图5 所示。作业人员根据现场需要发起设备使用申请，审批人根据作业现场环境状况进行设备使用审批。只有在审批人审批通过后，激光除异物装置才能正常启动运行。

图5 激光除异物装置审批使用流程

任务查看记录。设备操作人员或监督人员可通过APP 及时记录异物处理情况，具体包括杆塔号、处理前异物挂网照片与处理后线路照片，以便对设备使用情况进行追溯。

设备归还管理。设备申请人员归还设备时利用手持移动终端进行拍照并及时通过APP 提交设备归还申请，设备审批人员在接收到申请后查验设备归还信息，确定设备情况后设备入库。设备入库后，APP显示设备处于“存放”状态。

3.2 综合应用管理系统

综合应用管理系统包含人员管理、设备管理、数据管理分析、系统展示等模块，可为管理员提供一个管理入口，用于管理系统的基础数据（区域管理、设备管理、审批人员管理等），外部用户的注册申请、设备寿命管理，查看用户的任务进度，实现数据的统计分析，并剔除系统产生的无用数据等。

人员管理模块。在此模块中可针对外部用户的注册请求进行审核，并对外部用户登录账号进行管理，可重设密码或删除账号信息，同时可对装置使用申请人进行审批。

设备管理模块。在此模块中，设备管理者可查看正在审批过程中的设备使用请求、已经完成设备使用请求的设备情况及设备台账信息，如图6所示。

图6 综合应用管理系统中的台账信息

数据管理模块。数据管理模块可对GPS 采集的信息进行汇总，如装置使用时间、地点等信息，并根据设备使用信息情况绘制山东省激光除异物装置工作热点分布图，如图7 所示。图7 中，红色区域表示激光除异物装置使用最频繁，黄色次之，蓝色表示零星使用过。

图7 山东省异物装置工作热点分布

系统展示模块。系统展示模块对数据管理模块中的信息进行分类，并以图表等方式向管理者进行系统展示，图8 为山东省激光除异物装置配置分布。图8 中，红色标记点为激光除异物装置配置分布情况。

图8 激光除异物装置配置分布

4 结语

激光除异物装置已广泛应用于输电线路异物摘除作业中，但由于激光的特殊性，其安全使用一直存在较大争议。山东电网所研究的激光除异物装置安全管控技术，利用工作场界保护、防倾覆保护等技术手段对激光除异物装置在工作中进行有效防护，同时利用物联网远程控制技术对激光除异物装置进行科学管理，有效增加了激光设备在电力系统中应用的安全性，减少了激光设备对电力设施影响，使输电线路异物清除工作更快捷、安全，对激光产品在电力领域的应用具有一定的指导意义。