基于激光测量技术在输电领域的应用

观贵安 陈海登 高天舒

广东电网有限责任公司湛江供电局，广东湛江， 524000

摘要：大型机械的吊臂或其他可伸缩的机械部位常用于电力系统输电线路巡检维护工作中。受户外作业环境、作业人员素质、作业环节监管不到位等方面因素的影响，因施工器械与带电导线安全距离不足导致的线路跳闸事故时有发生。本文结合户外输电作业的特点，开拓户外输电线路保护区内施工器械作业的安全措施，为电力输电系统的安全稳定运行提供参考。

关键词：激光测距 高度限位 输电线路 施工器械

0引言

在电力系统里，电力设备巡检维护是不能避免的环节，它是电力设备平稳、正常运行的重要保障。输电线路作为电力系统的重要组成部分，输电部门自然避免不了在输电线路保护区内带电作业的情况。大型机械吊臂或其他可伸缩的机械部位是最常见的作业工具。该类作业器械的作业，因其所处的户外环境较为复杂，作业地点分散且不固定，很难做到全方位监管的程度。因此，在作业过程中，存在施工器械与带电导线安全距离不足，造成线路跳闸的隐患。

结合输电户外作业的特点，借助激光测量技术，研究户外输电线路保护区内施工作业专属的高度限位措施。通过声光告警方式警示作业人员，防止作业器械在作业过程因器械与输电线路安全距离不足导致输电线路跳闸的事故。

1输电线行保护区施工隐患分析

1.1环境因素

首先，户外输电线路沿线环境复杂多样。比如交通情况、建筑物情况等等。其次，户外作业温度、日照、噪声等不确定因素均会对作业人员及监管人员产生不同程度的干扰。

1.2人的因素

户外作业地点分散且不固定，存在大量的不确定因素，尤其是人的因素。户外施工作业缺少完善的监管制度，容易出现监管不到位的情况。作业人员操控技术不足以及责任心不足等因素均会给作业带来巨大的风险。

1.3其他因素

施工机械实际作业时，驾驶舱与吊臂呈向上角度。长时间作业，加上户外环境、温度等方面的影响，驾驶员容易也出现疲劳驾驶的情况，从而导致作业吊臂与带电输电线路安全距离不足，导致跳闸事故。

2作业隐患防范措施

从上述作业隐患分析，户外输电线路保护区内大型机械设备施工作业工作强调了人的因素的重要性。简单来讲，要有效避免作业机械与带电导线安全距离不足导致跳闸事故的隐患，最有效的措施是，降低作业环境及其它干扰因素对机械操作人员的干扰，同时减少对机械操控人员的操控技术及经验的依赖。本文提出一种基于脉冲激光测量技术的高度限位报警装置。装置结合输电沿线机械大型吊臂作业特点设计，当作业器械伸展高度超过限位阈值时，以最直接的声光报警方式提示器械驾驶人员，避免作业设备与带电输电线路安全距离不足导致的跳闸事故。

3高度限位装置设计

3.1系统框架

结合户外机械吊臂作业的特点，高度限位装置采用分布式设计。装置包括两部分：测高终端和警示终端。

图1 系统应用示意图。

测高终端的主要功能为高度的实时测量。在机械吊臂作业期间，如果能准确地测量作业吊臂的顶部高度，则可依据实时测量到的高度值作为警示依据。正常工作时，测高终端安装在作业吊臂的顶部，通过终端实时测量吊臂顶部到地面的高度，并通过无线模块将测量数据传输给警示终端。

警示终端的主要功能为告警提示作用。正常工作时，警示终端通过接收到测高终端的实时数据后，与设定的限位高度比较，当高度大于设定限位高度时，发出声光报警信号。考虑警示终端警示的对象为作业器械驾驶人员，警示终端设计为便携设备，使用时置于机械驾驶室即可。

3.2技术应用

3.2.1脉冲激光测高技术

一．激光高度测量优势

高度测量是本文提到的输电线路沿线高度限位装置最重要部分。当前，高度测量使用较多的为气压传感及激光传感技术。气压高度传感器主要是通过测量设备安装点的气压来实现高度测量的，其在测量的过程不受障碍物的影响，测量高度范围广，方便移动，可进行海拔高度测量和相对高度测量。然而，通过气压及温度来计算高度的误差是相对较大的，特别是在近地面测量，受风、湿度、粉尘颗粒等影响，测量高度的精度受到很大影响，无法满足中短距离高度测量的精度要求。

激光具有良好的方向性和较强的抗干扰能力，因而激光测量适用于各种测量环境，尤其适用于户外作业的环境，不受天气、环境等因素限制。合理利用激光进行高度测量，比气压型或他高度传感器有更明显的竞争优势。

二．脉冲激光测量的原理

脉冲激光技术根据发射激光脉冲到目标反射脉冲回到测量电路过程中经过的时间来计算测距距离。相对于相位法、三角法等激光测距方法，脉冲激光TOFR方法能够实现更加快速的距离测量，测量精度可达毫米级以上。

图2 脉冲测距的原理图

图2为脉冲测距的原理图。脉冲距离测量主要过程包括脉冲激光发射、目标反射脉冲激光产生回波、回波检测、脉冲飞行时间测量以及距离计算等步骤。首先由激光发射器同时发射两束激光脉冲，其中一束用于产生计时起始信号，时间测量电路接收到起始信号时开始计时，另一束发射至目标表面，由目标反射后回到回波检测电路并由回波检测电路产生计时结束信号，时间测量电路接收到计时结束信号时停止计时，最终根据时间测量电路计时结果结合脉冲飞行速度计算距离。

即：D=ct/2。

式中：

D——测量点到测量目标的距离；

c——激光飞行速度；

t——激光由测量点发出至接收到光波的时间。

三．测距误差补偿

脉冲测距仪的原理和结构比较简单，测程较远，功耗小，而且较容易一次测量就能得到单值距离，因而被广泛应用于中短距离测量上。然而，在户外强光、大气折射率高的情况下，其测量精度受到较大的影响。尽管如此，还是可以从测距设备自身改进以达到较理想的测量精度，主要考虑3个方向：计时误差补偿、走离误差补偿、时间抖动误差补偿等。

（1）计时误差补偿

计时误差主要包括脉冲计数误差与时钟信号漂移。时间内插技术是修正脉冲计数法时间测量误差的有效方法 。通过时间内插计数，将时钟信号进一步细分，从而将时间测量过程分为粗时间测量与精时间测量，达到提升时间测量精度的目标。

2. 走离误差补偿

走离误差补偿采用走离误差估计和回波脉冲信号重构等方法减小走离误差的影响。根据回波脉冲特征补偿走离误差的基本原理是脉冲峰值、脉冲宽度、脉冲上升时间等特征与走离误差之间存在唯一的对应关系，通过测量上述几种回波脉冲特征可以估计出走离误差，进而根据估计值对走离误差做出补偿。国内外专家学者在该领域的研究表明，走离误差补偿可以极大提升脉冲测距精度。如芬兰欧鲁大学Kurri团队通过使用一种双通道时间数字转换（Time-to-Digital Converters，TDC）芯片分别对校准前的脉冲激光飞行时间与回波脉冲宽度进行测量，标定出走离误差与回波脉冲宽度的关系曲线，根据脉冲回波宽度，通过查表法对走离误差进行补偿，在实际测试中得到了1:1000动态范围内±15ps的测量精度。南京理工大学杨锦清对回波脉冲上升时间与走离误差间的关系进行了建模，通过双阈值法测量回波脉冲上升时间，计算出误差补偿后的脉冲激光飞行时间，最终在测试中将走离误差降低到0.337ns。

2. 时间抖动误差补偿

时间抖动是由噪声等原因造成的定时点处单次距离测量值的统计误差。时间抖动误差的影响可以通过提升回波脉冲信噪比的方法减小。过多脉冲数字相关处理的方法对脉冲函数进行了构建，提高了信号信噪比，从而保证了时间抖动误差能够被控制在一定的范围内，减小了时间抖动误差的影响。

3.2.2三角函数法测高

在户外输电线路沿线作业时，吊臂器械为持续移动或晃动状态，想借助单一的测距模块测量器械的最大延伸高度基本是不可能的，因为无法保证安装在移动及可伸展的吊臂上的激光测距模块的激光照射方向。为此，设计由2个测距模块组成的测高终端。终端的2组测距模块的激光照射方向呈固定的小角度θ分布。测高终端安装时，两束激光组成的激光平面与地面垂直。测高终端正常工作时，2个模块分别向两个方向分别测距为a、b，运行三角函数法，则高度为如下：

图3 三角函数测高原理图

3.2.3Lora无线通信技术

LoRa是一种线性调频扩频调制技术，它的全称为远距离无线电（Long Range Radio），LoRa是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，LoRa通信模块是基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa通信技术最大特点，灵敏度高、传输距离远、功耗低、组网节点多等特点。主要应用于物联网行业，如工业自动控制、环境监测、环保监测、自然资源调查等。

本文提及的高度限位装置，借助Lora无线通信技术，实现终端之间的信息数据交互（图4）。无线模块是无线信号的收发处理单元，可以设置点对点或点对多透明传输，也可以定向传输，或者广播监听模式。无线模块接收到的无线信号进行信号处理放大后转化成数字信号，再进行TTL逻辑转换，转换成串口电平信号，串口信号送入CPU控制器对接收的信号进行读取并判断处理，输出显示或者完成指令。发送无线信号的流程反过来，首先CPU控制器按照通信协议往串口发送数据帧，串口通过TTL电平转换将信号发送到无线模块中，无线模块将数字信号转化成无线信号发送出去。

图4 终端之间的信息数据交互

4结语

通过脉冲激光测量技术与无线通信技术的结合应用，设计一套户外输电作业专属的高度限位装置，作为户外输电线路保护区内施工器械作业的安全作业辅助。该装置能准确测量设备安装点到地面高度，不受作业环境影响，并能及时提醒施工作业人员作业器械与带电输电导线的安全距离不足的情况，防止线路跳闸事故的发生，为电力系统安全文明施工提供新的思路及参考。

参考文献

[1]朱自强，姜作喜,彭巍巍.基于LoRa技术的远程无线通信方案的设计与实现[J].电子世界.2020.24.071.

[2]赵旭,苏中,李连鹏,刘福朝,刘宁,余浩. 脉冲激光飞行时间测距误差补偿技术研究进展[J].激光与光电子学进展,2021,58(23):2300001.

[3]王先俊.激光测距的方法及原理研究[J].冶金管理. 2020/2.