X波段雷达技术在高压现场施工安全距离 报警的应用

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/4/22来源:《电力设备》2018年第31期文/张瀚
[导读]摘要:高压输电线路附近施工作业过程中,由于升高的机械接近甚至触碰导线引起线路故障跳闸的事故屡有发生,对国民经济和公民的生命安全都有很大的影响。

        (中国南方电网有限责任公司广东电网潮州供电局)
        摘要:高压输电线路附近施工作业过程中,由于升高的机械接近甚至触碰导线引起线路故障跳闸的事故屡有发生,对国民经济和公民的生命安全都有很大的影响。本文就X波段雷达技术在高压现场施工安全距离报警的应用进行一些初步的探讨。
        关键词:X波段雷达;测距;声光报警;施工安全
        The Application of the X-band Radar in the High Voltage Site Construction Safety Distance Alarm
        ZHANG Han
        Chaozhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.Ltd
        Abstract:During the construction of high voltage transmission lines,line fault trips occur frequently when the elevated machinery accesses or even touches the wires,it will have a great impact on the national economy and the citizen's lives.In this paper,the X-band radar technology will be preliminary discussed in the high voltage site construction safety distance alarm application.
        Key words:X-band radar,ranging,audible alarm,construction safety
        0 背景介绍
        近年来电力行业频发高空施工机械过于靠近高压带电设备引起线路短路跳闸事故,有些还造成大面积停电,使国民经济生产损失严重,人们生活与社会活动都受到很大影响。
        发生高空施工机械引起跳闸事故,究其原因,除了操作人员的大意外,高压设备是否带电、施工设备是否进入高场强区、是否接近规程规定的最小安全距离,均没有应有的有效提示。特别是,电力系统外的施工人员往往不懂高压电,可能根本没有在高压电力设备附近施工一定要有安全距离的概念,因此发生事故就不可避免了。
        为防止高空施工机械引起跳闸事故,除了必要的组织措施外,先进可靠的技术措施将可以避免各种人为的和各种环境因素的影响,将是安全措施的必要手段和保障。
        为此,设计一种高压现场施工安全距离报警器,通过安装在施工机械的顶部以及与线路等高的位置上,在施工设备靠近带电的导线时,达到有可能威胁安全时给予“有电”提示,在达到规程规定的一般距离时给出“注意”提示,在达到规程规定的最小安全距离时给出“停止操作”命令。
        这种设备要求报警可靠、安装简单、拆卸容易,不需要附加其他附属设施,不影响施工操作,不允许有线传递,要采用无线通讯方式传递信息,向现场操作人员、监护人员等持续地传送实时距离报警信息,应具有良好的声光和语音警示功能,实现在最大程度上避免事故发生。特别是出现疲劳操作时,或现场施工人员因施工过程过长而出现麻痹时,它将是一种安全保障。
        1 总体方案设计
        通过对高压输电线路空间合成场强计算,并对国内外现有的各种技术方式进行大量分析,决定采用X波段线性调频连续波雷达测距的方式进行距离测量,雷达探头将其获得的距离信息采用脉冲编码调制的方式向操作间的报警装置持续发送,当距离小于规定阀值时,操作间的报警装置启动相应的控制程序进行声光报警,操作员再启动视频监测系统进行操作监控。
        线性调频连续波雷达测距系统的原理框图如图1所示:
       
        图1  线性调频连续波雷达测距系统原理框图
        该测距雷达系统的核心在于线性调频源的设计。线性调频源采用100MHz的晶振经过9倍频后的信号驱动DDS输出一个33.3MHz~100MHz的线性调频连续波信号作为鉴相器的参考频率。同时该900MHz的信号,经过放大后,与输出信号进行取样混频,通过低通滤波器,得到的中频信号经过3分频后与DDS提供的参考信号进行鉴相,当它们相等时,输出频率锁定在9.1GHz~9.3GHz。
        输出信号经过功放放大后由天线辐射,电磁波在空间遇到障碍物后返回,回波经接收天线、低噪声放大器、带通滤波器等处理后,和t1时刻发射信号的副本进行混频,得出差频,再通过低通滤波器抑制本振和射频的泄漏信号,然后通过一个带通滤波器滤除中频之外的干扰信号得到中频信号,中频信号经过AGC的放大,进行模数转换,最后由信号处理模块进行信号处理,获得距离。
        当距离小于预设值时,信号处理模块将获得的距离信息以二进制数形式通过SPI接口发送给无线数据传输模块。无线数据发射模块将这组二进制数发送给无线数据接收模块,并每隔1秒更新1次距离信息。
        2 雷达后端信号处理
        2.1 雷达信号数据采集单元
        雷达信号处理装置的数据采集单元采用的是AD公司的高速AD转换模块AD9226,其采样速率最高可达65MSPS。采样时钟由FPGA内部时钟管理模块(DCM)分频产生。FPGA同时从AD模块中获取转换之后的基带信号并缓存到FIFO缓存中。数据采集完成后数字低通滤波器FIR对信号进行低通滤波,滤掉400kHz以上的高频信号。滤波输出信号进入频谱分析模块FFT进行频谱分析。
        2.2 雷达信号处理单元
        数据采集与处理单元是整个装置的主要组成部分。实现器件主要是AD9226模数转换模块和SPARTAN-6高速FPGA开发板。FPGA控制AD9226对中频信号采样,另外FIFO缓存,数字低通滤波器FIR,以及频谱分析模块FFT也均由FPGA来实现。整个装置需要确定的指标首先是AD模块的数据采样率,一方面需要根据输入的中频信号的带宽大小,并满足采样定理,另一方面采样率的大小直接决定了FIFO缓存的深度、滤波器的级数、以及快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)的点数。另外根据各个电路模块的独立性和工作时间的快慢,采用总线架构的工作方式,有效提高系统的数据吞吐量,实时性得到保证。该部分结构图如图2所示。
       
        图2  数据处理单元原理图
        3 报警信息传输与声光报警系统
        3.1 信号传输部分
        报警信号传输部分使用的是CC1100无线数据传输模块,它与FPGA的数据沟通是通过串口来实现的,控制起来相对简单。直接的串口互联减少了数据丢包的可能。另外这种类型的无线模块电路比较成熟,现成的模块体积小、稳定性好,实时性方面,两帧数据的间隔在20ms以内,基本满足要求。在吊车内部控制装置的接收端配对的无线模块的数据接收由TI公司的MSP430单片机来完成,沟通接口同样采用串口。
        3.2 信号判断部分
        信号判断部分先是MSP430单片机根据接收到的频谱信号,找出它与距离的对应关系,接下来与预设的安全距离值进行比较,得出是否超出警戒,以及超出警戒的程度。
        3.3 系统响应部分
        系统响应部分是根据信号判断部分得出的结论来分类处理的。在没有超出警戒时不给出响应,以免干扰驾驶员。当超出警戒时单片机会控制点亮红灯,同时蜂鸣器响起,并给安全员拨打电话或发出短信。该部分的短信和电话提醒是由单片机控制GPRS模块来实现的。另外还设置有信息存储模块AT24C512的EEPROM,用于记录运行过程中的是否有出现告警情况,可以记录正常工作的时间和出现报警的次数。
        4 视频监控系统
        4.1 监控摄象机
        监控摄象机安装于吊臂底部两侧,视场角覆盖以吊臂为中心参照物左右各10米(可自动调焦)的区域。当告警系统的LED灯闪烁,蜂鸣器发出报警信号时,操作员打开视频监控系统,此时监控摄像机将拍摄到的施工现场视频图像显示在安放在操作员前方的两路车载显示器上,操作员可以根据视频,谨慎操作。通过视频对高压线的位置加以确认,调整好施工位置后才能继续施工。
        4.2 指示系统
        当开关闭合时,雷达系统工作,雷达系统进行测距,并实时传回距离信息。同时,当雷达系统正常工作时,信号处理模块通过无线发射模块发射一组预置指令,无线接收模块接收到该指令后,经单片机控制,绿色LED指示灯亮,指示系统已经正常工作。
        4.3 供电系统
        监测系统中的雷达和信号处理系统将采用锂电池供电,用一个可遥控的开关来控制雷达系统的供电。视频监控系统和告警系统的供电则由操作室直接提供。
        5 系统工作流程
        综上所述,整个X波段雷达测距系统的工作流程如图3所示。
       
        图3  系统工作流程图
        6 雷达测距告警系统的安装与试运行
        装配好的雷达测距告警系统进行了对模拟直径30mm高压输电线的金属杆(长250mm)进行4米、6米、8米三档报警测试。测试结果显示,4个方向探头工作报警信号无线传输距离大于100米,可以连续工作8小时以上,满足设计需求。
        参考文献:
        [1]燕阳.X波段调频连续波雷达射频前端分析与设计[J].电子科技大学硕士论文,2016
        [2]刘恒,李爽.X波段线性调频连续波雷达发射机的设计与实现[J].信息通信,2017(3)
        [3]秦聚超.X波段线性调频物位雷达系统设计与研究[J].哈尔滨工程大学硕士论文,2014
        [4]孙圣涛.X波段脉冲雷达前端研制[J].电子科技大学硕士论文,2015
        [5]牛小奉.X波段线性调频雷达信号发生器研究[J].电子科技大学硕士论文,2015
        [6]张国振.X波段雷达接收机前端关键器件的优化设计[J].南京理工大学硕士论文,2007年
        [7]王国辉.基于X波段雷达测距的吊车防撞高压线监测系统[J].电子测试,2013年19期
        [8]方勇.X波段防撞雷达集成前端关键技术研究[J].电子科技大学硕士论文,2015年
        [9]S Shah,R Notarpietro,M Branca.Storm Identification,Tracking and Forecasting Using High-Resolution Images of Short-Range X-Band Radar[J].Atmosphere,2015,6(5):579-606
        [10]M Xu.A Fuzzy Distance Solution Algorithm for X-Band Height-Finding Radar[J].Fire Control Radar Technology,2003
        作者简介:
        张瀚(1987),男,广东潮州人,电气工程师,硕士学位,研究方向为高电压及绝缘技术,现从事输电线路运行管理及技术创新研究工作。