基于三维可视化的直流电场安全距离预警系统设计

国电电力双维内蒙古上海庙能源有限公司 张暄博 陈玉良

为解决火电厂项目运行与施工环节安全预警系统存在的精度差、时率低等问题，基于三维可视化理念建立数字化模型，引入超级可视化计算机进行人机交互界面的优化设计，根据合成电场运行原理采用旋转伏特计与超声波雷达传感器作为系统硬件，配合安全距离信号跟踪、动态监测与智能预警功能模块的设计，最终将其应用于某火电项目的现场测试环节，测得该系统可有效发挥三级预警功能，安全距离最大误差仅为1.8%、最大误差绝对值为0.14m，满足工程需求，为同类火电项目现场施工安全管理提供重要参考。

近年来新能源的提速增量对于火电项目的活性改造与提质增效提出现实要求，火电厂面临的安全生产形势渐趋严峻，虽然现行规程中对于施工机械与带电体的最小安全距离做出严格限制，但仍无法避免在实际施工环节因安全距离测量精度差、估算不准确等因素诱发触电事故，威胁火电项目安全运行及人员生命健康。研究一种高精度、抗干扰性能强的安全距离预警系统，对于维护火电项目施工现场安全具有显著现实意义。

1 建立数字化模型

1.1 建立模型

基于上海庙火电项目三维数字化移交系统平台建立火电厂全生命周期三维数字化模型。在设计阶段以1∶1高精细化模型为载体，将火电项目的设计、采购、施工、调试等不同阶段多维异构数据输入模型中，建立模型、图纸、文档与数据资料的自动关联，实现二维平面图纸与三维模型建的双向联动机制，为火电厂项目建设管理、设备检修、可视化安放以及模拟展示等场景的可视化管理提供模型基础。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 信号采集装置

选用BITTWAR 信号采集器，提供8 路开关、64 位芯体，配置FLASH 存储器、SIM 卡接口，输入电流25mA、输入电压10V、延迟时间18ns。利用该装置进行设备运行状态数据的动态采集，支持数据实时共享与自动回复，满足系统安全预警要求。系统采用集成式结构设计，内置若干功能模块，分别搭载传感器、交换机等硬件设备，并基于统一HTTP 协议进行网络通信及资源共享。在装置运行环节，通过提取采集信号与设定阈值进行比较分析，判断是否超过安全距离，执行触发告警或存储数据库等操作。

1.2.2 超级可视化计算机

基于三维可视化设计理念，引入KLC-8-5N-622超级可视化计算机取代原有显示器，该计算机运行RISC处理器、搭载3D 图形系统，可提供强大的人机交互功能，实现对采集信号、数据信息的可视化处理，并在计算机屏幕端呈现出高清处理结果。

1.2.3 报警装置

采用LKOP-260 报警器，提供电源、常开信号接线，内置GTF2640 芯片、提供语音提示功能。将装置电阻设为100kΩ，以6.5kHz 频率、20m 距离、360°执行采样操作，将其与旋转伏特计、超声波传感器进行同步安装，当测得系统安全距离超出设定阈值后，即自动触发声光报警提示功能，用于提示管理人员及操作人员。

1.3 系统软件设计

1.3.1 信号跟踪模块设计

根据旋转伏特计、超声波传感器采集的安全距离信号，预先定义一个监测预警数值组，根据三级预警机制对不同强度信号分别提取一个纬度赋值，用于获取监测强度数据。根据预设的安全距离预警阈值，将上述信号经分析处理后形成智能化预警指标，用于对信号发送点位及传输路径进行动态监测，即可实现对安全信号的实时跟踪。

1.3.2 信号可视化模块设计

在基于可视化技术引入超级可视化计算机的基础上，运用3D 建模、渲染等工具进行抽象信号传输路径的可视化呈现，以投影方式直观呈现在监控画面端，供系统管理人员及现场操作人员查看监控图形及数据，实现对施工现场安全距离的可视化呈现。在此基础上，针对安全距离信号进行可信任度、可视化清晰度的定义，根据信号变化幅值计算结果得到映射值，并将终端数据传输，即可获取信号指数变化规律，进而识别干扰测试结果的风险源数量及其具体分布位置，辅助完成干扰源排查及故障处理。

2 安全距离预警系统应用及可视化管理

2.1 施工期智慧安防

合成电场在静电场与电晕引起的离子叠加作用下形成[1]。以火电项目高压厂用母线为例，母线周围直流电场将决定母线尺寸与线路电压，当母线产生电晕后，将使空间带电离子沿极性相反方向或对地移动，形成离子流场，并与标称电场叠加成为合成电场，但空间带电离子不会影响直流电场仪的测量精度，因此可将其忽略不计。以火电厂内高压直流线路现场施工项目为例，为保证在施工现场严格控制安全距离，提出一种安全距离预警系统设计方案，在施工现场布设任意测点，通过测量该点位的电场强度值，计算出测点与带电体之间的距离，并根据GB 26859-2011 中对于施工机械、带电体之间最小安全距离作出的规定进行数值比较（如表1所示），由此调动智慧安防功能模块进行电子围栏安装位置、安装方案的可视化呈现，并以数字化移交方式构建基础数据库及模型库，形成实体电厂模型[2]。

表1 现行规程中的最小安全距离Tab.1 Minimum safety distance in current regulations

2.2 旋转伏特计测量

要想保证直流电场安全，不仅要建立三维模型、调整硬件和软件配置，还要对直流场强等安全距离相关指数进行测量，确保预警系统能够根据各项指数，及时启动预警功能，同时根据危险源危险系数、可能引起的安全事故，对其所处风险等级进行判断，为管理风险源等工作的开展提供便利。事实证明，只有这样才能使智能预警有效性达到预期。

2.2.1 直流场强测量

根据直流电场分布特征，应选择高分辨率、高精度测量装置进行电场测距。在微弱直流电场信号检测与处理环节，借鉴采用运算放大器放大交流信号的基本原理，引入一种旋转伏特计作为测量装置，将该装置移动至现场高压带电体周围，可将捕捉的微弱直流电场信号转化为交流信号，伴随测量时间的延长，装置中定磨片暴露面积与感应电荷量均呈现出周期性变化规律，通过获取测定的交流电流信号值，即可计算出该测点分布区域范围内的直流场强[3]。在此基础上，针对测量装置测得的直流场强结果进行分解，以感应面法向为参照，可分别沿水平、垂直方向延伸出具体分量，其中沿垂直方向的分量无法在磨片上形成感应电荷，因此该装置主要适用于测量直流场强的平行分量。

2.2.2 旋转伏特计测量

旋转伏特计作为一种测量设备，在圆片上对称开设两扇形缺口，将两圆片正对、沿垂直方向间隔一定距离安装在同一轴体上，组成装置整体结构，并保持两圆片间的绝缘效果。将系统沿三个坐标轴设置的旋转伏特计探头测的场强数值分别记为Ex、Ey和Ez，伴随测量时间的延长，将定磨片表面的电荷量设为qs(t)、暴露面积为A(t)，真空介电常数取值为ε0，以测点场强的x 轴分量Ex为例，则测点所在面积聚的电荷量计算公式如式（1）所示：

将磨片对数量n 取值为1，磨片转速为ω，磨片半径为d，定磨片有效面积为A0，测试时间为t，其中定磨片暴露面积A(t）与有效面积A0的比值为sin2nωt。已知空间带电离子对测量场强的影响可忽略不计，则由此建立电流isx(t）计算公式如式（2）所示：

将采样电阻阻值设为R0，采样电压为U，则分别建立x、y、z 三个方向上采样电阻电压与测点场强的关系式，如式（3）所示：

将测点场强设为E，所测电压值为U，根据三个方向上采样电压与场强的关系式，可推导出测点电压幅值Um与场强的关系，表示为如式（4）所示：

在此基础上，针对火电厂内高压母线进行周围场强测试，已知介电常数为ε、电容为C、电荷量为τ，母线对地电压为U1、对地高度为H、等效半径为r，母线与测点间距为L，则母线电荷量及其与测点场强E 的关系式分别为如式（5）和式（6）所示：

整合上述关系式，建立旋转伏特计的动态特性描述方程，表示为如式（7）所示：

考虑到交直流区域之间具有一定电气联系，因此在直流区域内进行场强测试时还需兼顾交流电场带来的干扰因素，将交流电场信号设为E′，信号幅值为E′0，角速度为ω′。参考直流电场建立测点电压幅值与场强的关系式，已知直流电场的测量电压频率为fu=2ω，则交流电场的测量电压频率为f′=ω′±2ω。在实际信号处理模块设计上，通过加入测量电压频率为f 的带通滤波器，能够在场强测试环节有效排除交流电场信号干扰，保证测量结果精度。根据定磨片在直流电场中的暴露面积变化规律进行旋转伏特计选型与参数优化，选取2 个半径4cm 的1/4 圆状不锈钢片以29°拼接组成定磨片，定磨片有效面积为7.9cm2，传动轴半径为0.4cm，借此保证信号输出正弦波形。

2.3 超声波雷达测距

在引入旋转伏特计测量直流场强的基础上，考虑到火电项目实际施工过程中可能遇到停电问题，为保证在停电状态下系统仍可正常发挥预警提示功能，拟在原系统中加装超声波传感器装置[4]。已知超声波在空气中的传播速度v 与环境温度T 存在关联性，即v=331.41+0.607T，将超声波单次收发时长设为t，则超声波传感器与障碍物的间距s 计算公式如式（8）所示：

在装置实际安装环节，采用数字化模型中提供的数字化移交功能进行全厂三维数字化移交，基于上海庙火电项目三维数字化移交系统平台输入工程数据进行设备安装位置、图纸及数据的自动关联，为火电项目业主方、总包方与设计、建设、监理等多参建主体提供数据共享与业务合作平台。例如在超声波雷达测距平台的设计与实现上，采用渐进式数字化移交模式，已知沿测点的x、y、z 三轴向均安装有旋转伏特计探头，可获取电场强度的三维测量结果，并将现场测量数据回传至信息化管理平台中，辅助实现现场管网负挖量计算、安全施工距离测算等功能，提高施工现场安全管理效率。通过获取旋转伏特计的各轴向场强测量结果，分别计算出测点对应的场强幅值、旋转角度参数，用于辅助完成障碍物所在方位的分析与判断。在此基础上，将场强信号测定结果与系统预设的报警阈值进行比较，当判断超出阈值后自动启动报警模块，根据对应的级别设置报警优先级，并整合超声波测距信号与报警阈值进行同步比较，保证系统报警精度、避免发生漏报问题。

3 现场测试结果

已知现场测点的电压为500kV，设置3 级报警机制，各级报警距离分别为6.8m、7.8m 和8.8m，在各测点处重复测量20 次，取重复测量过程中的误差最大值进行比较分析，其中发现三级测量最大误差报警距离分别为6.87m、7.94m 和8.92m，最大误差为1.8%、最大误差绝对值为0.14m，由此判断其满足现场施工机械设备安全作业要求，可有效发挥预警提示功能、防范安全事故发生。

4 结语

通过结合火电厂内电场特征与测量原理，采用电压频率为f 的带通滤波器进行场强测试，能够有效排除工频交流信号等干扰因素，依托旋转伏特计的选型及参数优化保证安全距离测定结果的准确性，使系统实际应用于现场施工环节有效发挥安全距离预警功能，维护现场安全作业秩序。