基于多数据采集的电力线路作业安全管控技术研究

荆 峰

(中国石化胜利石油管理局有限公司电力分公司,山东东营 257099)

电力线路作业接触危险因素多、涉及工种多、交叉作业多、环境不确定性大,具有高流动性、高分散性和高风险性的“三高”作业特征[1-2],存在高处坠落、触电、物体打击等风险[3]。作业安全主要依靠人员经验,风速影响现场作业人员登杆,杆塔结冰容易造成坠落,线路舞动易造成人员机械伤害,杆塔震动或倾斜等都可能会造成人身伤亡事故[4]。因此,实时监控对消除作业人员风险有重要意义。某油田电网通过对动态、静态风险进行要点耦合分析,得出关键要素,并利用数据采集和通讯技术,对安全因素进行数据采集传输,开展多数据综合分析确认,以便在作业前判断是否满足安全要求。采取线上管理,将作业过程中的各种审批流程框图化,配合视频全面监控,提高了现场作业安全性。

1 电力线路作业风险分析

电力线路由线路杆塔、导线、绝缘子、线路金具、拉线、杆塔基础、接地装置等构成,架设在地面之上[5-6]。线路工作中的风险是电网作业过程中的重点[7],经过多年的研究分析,理论上相对成熟。

1.1 电力线路作业内容

电力线路作业主要是发现和排除线路运行的潜在隐患,降低电力线路发生故障的概率,同时提升电力线路抵抗自然灾害能力,保证整个电网的运行稳定。常规的电力线路检维修作业有以下11 类:①停电更换绝缘子;②带电更换绝缘子;③更换导地线;④更换间隔棒;⑤带电处理异物挂线;⑥瓷绝缘子带电测零;⑦瓷绝缘子停电清扫;⑧更换杆塔拉线或拉棒;⑨带电调整线路防震锤;⑩修剪或砍伐邻近线路的超高树木;更换线路避雷器及台架维修。

不同作业类型的作业过程相近,以停电更换绝缘子为例,编写相关作业步骤及内容,见表1。

表1 停电更换绝缘子的相关作业步骤及内容

1.2 静态风险分析

结合电力线路属性,作业高度、电压等级、与带电体距离、杆塔回路数等因素影响着作业的风险程度。例如,电压等级的要求与带电设备的距离的关系,见表2。

表2 人员与带电导线最小安全距离[8]

部分电力线路存在同塔双回或者同塔多回的情况,部分电力线路还存在交叉跨越,其安全距离要求见表3。

表3 邻近或交叉其他电力线工作的安全距离[8]

结合不同作业流程的特点,作业内容的复杂程度、连续作业时间、现场作业人员数量、传递工器具次数也影响着作业风险程度。

1.3 动态风险分析

在形成事故的关系中,人、物、环境的因素都是造成事故的原因,是“或”的关系。管理因素与造成事故的上述3个因素是“与”的关系,如图1所示。

图1 事故原因要素关系

人的状态直接影响现场作业的安全性,人员心理和身体的监控状态、业务技术能力等状态在变化之中,容易在作业过程中不自觉地产生安全隐患甚至发生事故。物的状态是指作业中的涉及的设备、机器、安全工器具等。各种器具的质量和状态直接影响作业风险。环境因素主要是地理、气象等。地理位置从“事前-事中-事后”来考虑,特别是事故救援条件尤为重要;气象因素是指风、雨、冰雪、环境温度等,对野外作业影响较大。管理方面是通过管理制度的完善来抑制动态、静态的风险因素。

1.4 线路作业风险耦合

“耦合”是指2个或2个以上的体系或运动形式之间通过各种形式的相互作用而彼此影响以致联合互动的现象[9]。线路作业风险因素相互影响会加速事故发生进程甚至加重事故危害。将风险耦合分为单因素风险耦合、双因素风险耦合和多因素风险耦合,若从风险耦合作用效果角度分析,则可以分为负向耦合、纯度耦合和正向耦合[9],在线路作业的风险管理过程中,重点推进负向耦合的典型案例和措施,降低正向耦合导致的风险放大。

2 数据采集技术在电力线路风险管控中的应用

电力线路风险要素的在线监控相对困难。首先,电力线路现场作业的范围广,数据采集通讯传输受环境影响大;其次,线路各点的风速、湿度、温度等各种数据采集难度高;再次,杆塔的倾斜情况、拉线状态等各种设施情况因素直接影响作业安全;最后,各种安全技术措施的监控难以得到保障。登错杆塔、接地线安装不规范导致的事故时有发生。

针对作业风险要素监控难题,利用新的数据采集技术进行线路运行状态的全面监控,为作业风险管理提供数据支撑,确定接地线和设备状态,降低触电风险;确定环境状态、杆塔状态的杆塔震动情况和倾斜度等是否具备登杆条件,评估坠落、物体打击等风险;通过视频对作业人员的各种行为和劳保穿戴等行为进行监测,降低作业风险。这样,对多数据的采集和监控进行定量分析,对管控措施的落实进行监控。

2.1 新型通讯技术的工业应用

2.1.1北斗技术应用

通过电力北斗通信通用模块开发适用于多种通信接口,方便与各类电力设备对接通信。针对线路偏远且常规通讯无法实现的情况,将终端作为通用的数据传输天线使用,采用RS232、RS485 串口及网口,与远方电力设备通信接口对接,选择低功耗芯片主处理器,保障野外稳定运行。该通讯方式实现了数据传输的全面覆盖,成为其他通讯方式的补充,如图2所示。

图2 北斗数据传输系统架构

北斗数据传输安全性高,但是一次传输数据字节受限,一般为80字节,需要对长数据进行拆包和重新组包。组包后主要传输遥信等短数据,数据过长通过拆解分别发送,在前置通讯设备进行重新组合,如图3所示。

图3 北斗数据通讯协议封装

2.1.25G通讯技术应用

发挥5G技术速度快的优势,降低空口时延和引入边缘计算的方式来提升通讯速度,通过数据切片技术保证数据安全。将线路上的配电终端(DTU)、馈线终端(FTU)、智能电表、集中器、采集器等设备通过无线网络安全接入电力业务主站。通过提升数据传输速度,具备实时高清图像传输和违章行为识别的能力,特别是电力线路等野外作业违章行为的自动识别,如图4所示。

图4 5G应用网络结构

2.2 电网数据的全采集技术

针对电网安全技术措施中无法采集的数据进行实时采集,如接地线的采集和安全工作区域围栏的实时采集。通过对接地线进行改造,接地线夹具挂接并触发传感器,用于北斗卫星定位及其它模块休眠唤醒,安装位置及灵敏度至关重要。经多款芯片搭建测试环境对比测试,最终确定为中科微北斗定位模组ATGM336H。该模组具有高灵敏度,且支持BDS/GPS/GLONASS卫星导航系统的单系统定位。通过替换U-blox的MAX系列多款GPS模块,实现主要接口信号Pin-Pin兼容,内置天线检测电路及短路保护功能,如图5所示。

图5 中科微北斗定位模组ATGM336H模块框图

在接地线夹具顶端安装磁敏传感器,通过横向铣槽的方式避免传感器受夹具金属屏蔽磁路的影响,避免误动。当导线推动触头移动时,嵌入的磁柱随触头移动,经过微孔,此时磁通量因无铝层屏蔽而瞬间加大,确保挂接不同直径接地线时磁敏传感器可靠动作[10],如图6所示。

图6 磁敏传感器与核心电路板连接

通过新型采集装置的使用实现电网所有开关、刀闸状态的全面采集工作,如图7所示。通过数据的全采集消除了人为因素导致的误操作行为,以软闭锁的模式实现相关的防误挂接地线操作[11]。

图7 刀闸遥信采集装置

2.3 环境数据的采集监控技术

利用杆塔上的视频终端和无线传输通道对风向、温度及湿度的气象参数进行实时监控,为风险管控提供不同区域的实时数据,评估线路绝缘子的覆冰情况,结合风力数据和线路状态评估线路舞动情况,对作业的可行性提供数据支撑。

2.4 线路设施状态的采集监控

利用现场线路设施状态,评估现场作业人员中物的安全状态,通过在线监测系统对接数据与风险管控作业系统。

a) 杆塔倾斜及振动监测。采用杆塔倾斜自动化检测的方法,将杆塔倾斜状态传送到监测中心,方便工作人员进行监测和对数据的统计及分析。根据杆塔的实际结构特点对设备进行安装,进而实现杆塔倾斜检测的自动化,网络化及安全化[12]。

b) 导地线舞动及微风振动实时监测。微风振动实时监测采用具备传感功能、采集功能、通信功能、自启动功能和在线诊断功能的新型监测系统[13],在线路安装导线拉力监测装置的数据与气象数据相结合,同时对多个不同监测系统数据进行分析及处理,计算输电线路的信息及运行参数,分析输电线路是否有舞动危害发生,消除舞动风险。

3 视频监控技术在电力线路风险管控中的应用

3.1 电力线路视频监控技术

通过重点线路逐个安装的模式实现了输电线路的全监控,终端以太阳能板和电池为电源,应用视频远程监控和图片定时拍摄传输相结合的方式实现自动巡视,提供实时图像。

3.2 电力线路图像识别技术

图像识别终端采用人员身份识别模式,判断作业人员所持有的特种作业证等是否符合要求,自动统计作业时间,评估人员状态是否可以继续工作。通过违章行为识别功能,对部分违章行为如安全帽、工作服的穿戴,安全带的穿戴,物料、工器具传递规范性等行为进行识别,为现场作业的管理人员进行提示,降低动态风险,其识别流程如图8所示。

图8 视频识别流程

3.2.1作业行为识别

根据作业票据的工作任务和停电范围进行识别,针对人员在作业边界外进行作业的行为进行告警。

3.2.2异常行为识别

作业过程中及时发现人员异常行为,对其行为进行告警,并通知现场负责人,对各种行为进行测试统计,如表4所示。

表4 现场测试情况统计

4 作业流程管控技术在电力线路风险管控中的应用

通过区块链技术进行数据关联,保证作业过程数据正确性和不易修改性,对现场作业风险进行预警。作业过程中,通过手持式终端对每一个流程节点进行确认,通过各信息系统的实时状态的对接,进行自动核对。现场作业的流程图,如图9所示。

图9 现场作业流程

5 现场应用效果

通过对风险的各种要素的实时监控,不断优化管控措施,降低人员的作业风险,加强对现场作业风险的预测及预警。作业风险管控流程如图10所示。

图10 作业风险管控流程

5.1 作业前的安全评估

通过气象传感器采集作业环境状态,提前掌握现场情况,高温、大风等天气应合理安排作业时间,减少不必要的停电和车辆往返。同时,通过铁塔震动和倾斜检测分析当前状态是否具备登杆条件,结合远程传感器的数据采集快速判断现场作业环境,判断是否符合作业条件。2023年1至8月,通过作业前安全评估,某油田电网因作业条件评估不合格取消作业、调整检维修计划31次,如表5所示。

表5 因作业条件评估不合格取消的作业次数

5.2 作业过程流程监控

作业流程的监控确保了作业过程中的每一个环节规范执行。例如,安全措施或工作许可未完成开始作业易造成触电风险。2023年1至8月,通过作业流程监控,某油田电网累计停止了缺少流程节点的作业33次,如表6所示。

表6 因作业流程不合格停止的作业次数

5.3 作业过程视频监控

作业过程中通过视频迅速发现现场中的不安全因素,并及时告知现场作业人员,消除作业风险因素。通过视频监控,识别作业过程中的典型危险因素。例如,戴手套使用大锤易造成人身伤害;登杆作业过程中器具未使用防坠落措施易造成物体打击;脚扣带磨损严重易造成高处坠落或者扭伤;现场作业人员在同一杆上下两组交叉同时作业易造成物体打击。2023年1至8月,通过图像识别技术,某油田电网及时发现并制止作业过程未遂事件共计200余起。

6 结语

某油田电网提出了基于多数据采集的电力线路作业安全管控技术方法并进行了应用验证。该技术方法通过采集现场各种数据并加以分析利用,为现场作业人员提供了实时的气象数据、震动和倾斜等设备状态,综合评估是否具备登杆条件,实现提前预知,避免了带电、风速过大及结冰登杆、线路舞动作业等高风险作业;通过现场视频监控对作业风险进行确认,同时对不规范行为进行识别,及时通知相关人员,降低了事故发生概率;通过作业流程的线上管理规范作业流程,提升了作业规范性。通过综合运用数据的采集与风险管控措施,有效降低作业风险,提升作业安全性,为电力线路安全管理提供了新的技术路线。