輸電鐵塔防誤登智能腳釘研究與應(yīng)用

王 磊，許建清，金桂如

（國(guó)網(wǎng)江蘇淮安供電分公司，江蘇 淮安 223001）

隨著電力行業(yè)的快速發(fā)展，輸電鐵塔的建設(shè)和使用數(shù)量不斷增加，確保這些設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。然而，由于輸電鐵塔分布廣泛、外形相似，有時(shí)工作人員會(huì)登上錯(cuò)誤的鐵塔，這不僅浪費(fèi)了時(shí)間和資源，還可能引發(fā)安全隱患。此外，非法攀登鐵塔的情況也時(shí)有發(fā)生[2]。這些誤攀登事件不僅可能引發(fā)安全事故，還可能對(duì)整個(gè)電力供應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，目前，尚無(wú)誤登輸電桿塔預(yù)警裝置的研究。本文開展輸電鐵塔防誤登智能腳釘研究，在出現(xiàn)誤攀登時(shí)，后臺(tái)系統(tǒng)能夠快速感知，并防止未經(jīng)授權(quán)的人員非法攀登并迅速采取措施。該腳釘集狀態(tài)感應(yīng)、防誤登實(shí)時(shí)報(bào)警、后臺(tái)感知、警示設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)管理于一體，若誤登帶電桿塔，檢修人員腳踩腳釘，腳釘上安裝的傳感器發(fā)出信號(hào)，隨即發(fā)出警告聲音并后臺(tái)提醒，避免誤登塔事件的發(fā)生。

1 輸電鐵塔防誤登智能腳釘結(jié)構(gòu)框架

智能腳釘由腳釘、傳感器、電源、報(bào)警設(shè)備等裝置組成，各裝置功能如下：

腳釘內(nèi)置的高精度多功能壓力、震動(dòng)傳感器可實(shí)時(shí)感知是否人員登塔；

采用超低功耗設(shè)計(jì)，利用太陽(yáng)能電板為內(nèi)置蓄電池；

誤登塔時(shí)，報(bào)警設(shè)備作用，及時(shí)提醒作業(yè)人員；

前端腳釘和后端終端采用無(wú)線通信技術(shù)，后臺(tái)設(shè)置線路是否停電，是否可登塔作業(yè)，如誤登桿塔，前端腳釘收到信號(hào)后報(bào)警并后臺(tái)實(shí)時(shí)收到提醒。

裝置的總體框架如圖1 所示。

圖1 輸電鐵塔防誤登智能腳釘結(jié)構(gòu)框架

2 輸電鐵塔防誤登智能腳釘各部件設(shè)計(jì)方案

2.1 腳釘主體

采購(gòu)電容傳感器原器件，設(shè)計(jì)并繪制傳感器控制電路，根據(jù)傳感器的特性和控制電路的要求，編譯控制程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的處理和控制。

設(shè)計(jì)腳踏圖紙，繪制L 型塑料腳踏的圖紙。圖紙?jiān)敿?xì)標(biāo)注腳踏的形狀、尺寸、材料以及制作細(xì)節(jié)等。在獲得了詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙后，采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行腳踏的制作。3D 打印技術(shù)不僅可以快速制作出腳踏原型，還能精確地按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行制作，保證了制作的質(zhì)量。在打印完成后，小組成員進(jìn)行了毛邊的修剪，確保腳踏的平滑，以便后續(xù)的組裝工作。最后進(jìn)行腳踏的組裝和緊固，按照設(shè)計(jì)圖紙組裝，確保腳踏的穩(wěn)定性和堅(jiān)固性。對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的承重能力進(jìn)行測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表1 所示，承重能力均高于250 kg，滿足人員體重要求。

表1 L 型塑料腳釘承重能力測(cè)試kg

2.2 主體控制箱

控制器方面，選擇8051 單片機(jī)作為主控芯片，繪制電路圖時(shí)，充分考慮8051 單片機(jī)的特性和項(xiàng)目需求，將所有外設(shè)、存儲(chǔ)器和擴(kuò)展接口合理布局，進(jìn)行電路板的制作和測(cè)試。在主控電路板測(cè)試通過(guò)后，編寫包括初始化、輸入輸出控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算等在內(nèi)的主程序。在編寫過(guò)程中，借助了Keil C51 等開發(fā)工具，對(duì)程序進(jìn)行編譯、調(diào)試和優(yōu)化，確保程序的正確性和可讀性。

聲光報(bào)警器方面，設(shè)計(jì)控制模塊，將各個(gè)控制模塊按照預(yù)設(shè)的連接方式和順序進(jìn)行連接。在連接過(guò)程中，小組成員注重線路的耐壓和抗干擾能力，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)不同的場(chǎng)景，開展有效距離測(cè)試，如表2 所示。夜間農(nóng)田位置，裝置的告警能力最好。自動(dòng)聲光告警裝置的燈光信號(hào)有效傳輸距離在白天陽(yáng)光充足時(shí)，仍可以達(dá)60 m；聲音信號(hào)在白天城鎮(zhèn)道路等噪音較大的地方，有效傳輸距離仍可以達(dá)到50 m，滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

表2 輸電鐵塔防誤登智能腳釘報(bào)警信號(hào)有效距離測(cè)試

電源方面，因?yàn)閱尉Ч韫夥遛D(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定，選擇其作為供電電源，考慮輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件，為光伏板設(shè)計(jì)專用固定支架，將其與輸電鐵塔的供電線路連接起來(lái)。將組裝好太陽(yáng)能電池板進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試其在同一天內(nèi)不同時(shí)刻下供電能力，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制了折線圖。查閱氣象資料，xx 地區(qū)的平均日照強(qiáng)度在500～2 000 lx 之間，選擇500 lx、1 000 lx、2 000 lx 3 種情況下的光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表3 所示，最低輸出功率為104 W，能滿足設(shè)備最大功率的要求。光伏板配合鋰電池，為系統(tǒng)提供電源。

2.3 數(shù)據(jù)后臺(tái)

通信方面，NB-LoT 是一種窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、大連接、廣覆蓋等特點(diǎn)。將NB-LoT模塊與后臺(tái)服務(wù)器連接，開展協(xié)議配置和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試。在這個(gè)步驟中，須在輸電鐵塔上安裝智能腳釘，并將腳釘與已連接的后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行配置。同時(shí)，對(duì)腳釘進(jìn)行測(cè)試，確保其能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地接收和發(fā)送信息。

前后端方面，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)后端控制平臺(tái)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制需求，并且可以與各種傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行無(wú)縫連接。編寫數(shù)據(jù)傳輸代碼，將傳感器采集的數(shù)據(jù)從前端設(shè)備傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器，并進(jìn)行必要的解析和處理。完成數(shù)據(jù)傳輸代碼的編寫之后，編譯前后端程序。

3 應(yīng)用效果

對(duì)腳釘開展整體調(diào)試，測(cè)試控制信號(hào)的傳輸、電源的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的整體性能，如圖2 所示。

圖2 新型輸電鐵塔防誤登智能腳釘整體調(diào)試

測(cè)試異常攀爬告警時(shí)間，共計(jì)試驗(yàn)50 次，并記錄耗時(shí)情況，具體數(shù)據(jù)如圖3 所示，經(jīng)過(guò)測(cè)試，最長(zhǎng)時(shí)間為17 s，該時(shí)間足以確保攀爬人員接近安全距離前便發(fā)出告警信號(hào)。

圖3 異常攀爬告警時(shí)間分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種新型輸電鐵塔防誤登智能腳釘，腳釘集狀態(tài)感應(yīng)、防誤登實(shí)時(shí)報(bào)警、后臺(tái)感知、警示設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)管理于一體，后臺(tái)系統(tǒng)能夠快速感知誤攀登行為并聲光告警，防止未經(jīng)授權(quán)的人員非法攀登，并迅速采取措施，避免誤登帶電桿塔等安全事故。