一種面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略設計

徐 航 尹德昌 萬嘉利 李潤雨 沙炳衡

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏 中衛(wèi) 755000）

0 引言

雙鉤安全帶是電力行業(yè)中一種常見的作業(yè)工具，在我國電力行業(yè)中被廣泛應［1-2］。但隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的雙鉤安全帶仍采用“帶+鉤”結(jié)構(gòu)，已無法滿足日益增長的工作需求［3］。智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，也被稱為“電網(wǎng)2.0”，是建立在集成、高速雙向通信網(wǎng)絡的基礎上，通過應用先進傳感和測量技術(shù)、先進設備、先進控制方法及先進決策支持系統(tǒng)，從而實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，其主要特征為自愈、激勵和保護用戶、抵御攻擊、提供滿足用戶需求的電能質(zhì)量、容許不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行［4-6］。雙鉤安全帶主要應用于電力建設、線路巡檢、高程試驗等登高作業(yè)中，對智能電網(wǎng)來說，工具的智能化也是一個發(fā)展趨勢［7］。為了實現(xiàn)與智能桿塔相匹配，要對雙鉤安全帶進行智能化設計。因此，本研究設計出一種面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略，該控制策略基于DSP28377D控制器，與智能桿塔控制器的智能互聯(lián)，實現(xiàn)安全帶工作狀態(tài)監(jiān)測、中繼互聯(lián)、輔助助爬電機控制等功能。

1 智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶研發(fā)必要性

1.1 智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是基于先進信息技術(shù)構(gòu)建的電力輸送系統(tǒng)，能根據(jù)感知到的信息進行有效控制，并管理電力生產(chǎn)、傳輸和分配等過程。近年來，我國電力供應技術(shù)發(fā)展十分迅速，電力供應網(wǎng)絡的規(guī)模在持續(xù)擴大，電網(wǎng)系統(tǒng)運行的電壓等級也在不斷提升。智能電網(wǎng)是個龐大系統(tǒng)，包含了計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等。傳統(tǒng)電網(wǎng)存在巡檢難、新能源發(fā)電難、覆蓋范圍小、配電忙調(diào)和難以并網(wǎng)等問題，要想解決上述問題，就要實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。智能電網(wǎng)具有高速的雙向通信網(wǎng)絡，并運用先進的傳感和測量技術(shù)、設備技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)，能很好地解決傳統(tǒng)電網(wǎng)中存在的覆蓋范圍小、難以并網(wǎng)、配電忙調(diào)等問題。

智能電網(wǎng)是一個具有“智慧”的電網(wǎng)，可給予城市安全可靠的能源支持。智能電網(wǎng)能有效提高能源利用效率，提高電力供應的安全性和可靠性，減少電網(wǎng)的能量損耗，降低電網(wǎng)對生態(tài)環(huán)境造成的影響。智能電網(wǎng)能更好地結(jié)合新能源發(fā)電，提供一種有效的電力傳輸和分配方式，提高清潔能源的利用率。電網(wǎng)供電的可靠性依賴于通信系統(tǒng)的支持，智能電網(wǎng)具有高速、雙向、實時的通信系統(tǒng)，智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護和控制依賴于強大的信息系統(tǒng)支持。在該領域要重點關注兩個方面內(nèi)容，一是智能電網(wǎng)要具有開放式的通信架構(gòu)，即整體形成一個“即插即用”環(huán)境，使電網(wǎng)各元器件之間能進行模塊化通信。二是具有統(tǒng)一的通信協(xié)議標準，使傳感器、智能儀器設備及應用系統(tǒng)之間能實現(xiàn)流暢的通信，即信息在電網(wǎng)設備和系統(tǒng)中能被充分理解，實現(xiàn)設備和設備之間、設備和系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的相互操作。智能電網(wǎng)通過融合通信、能源、人工智能等前沿科技產(chǎn)業(yè)，在一定程度上推動上下游及相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動相關產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展和新產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)，促進相關技術(shù)的發(fā)展與加快裝備的更新，且智能電網(wǎng)為通信、自動化、人工智能等技術(shù)的深度融合提供了支持。

1.2 電網(wǎng)高空作業(yè)安全性問題

高空作業(yè)是指工作人員在一定位置為基準的高處進行的作業(yè)。電網(wǎng)高空作業(yè)存在很大的安全風險，因此，工作時需要嚴格按照高空作業(yè)規(guī)范流程進行作業(yè)，在高空作業(yè)時正確佩戴安全帶尤為重要。正確佩戴安全帶還可提高工作效率，在高空作業(yè)時，如果沒有安全帶保護，工作人員的注意力將會分散到自身安全問題上，從而大大影響工作效率。使用安全帶可讓工作人員更加專注工作，提高工作效率。為提高高空作業(yè)的安全性，作業(yè)人員使用安全帶時須注意以下六個方面。①正確佩戴。在佩戴安全帶時，必須保證安全帶的肩帶、腰帶和腿帶正確佩戴，并調(diào)整好大小。如果佩戴安全帶的方式不正確，將會大大降低安全帶對工作人員的保護作用。②固定穩(wěn)定。安全帶必須牢牢固定在工作人員身上，并與工作位置固定連接在一起，要仔細檢查連接處是否牢固，以確保其不會在工作中出現(xiàn)高空脫落。③用前檢查。安全帶在使用過程中會發(fā)生磨損，因此，使用安全帶之前應檢查其是否完好，檢查安全帶帶狀材料的磨損情況、金屬部件的可靠性等。④操作規(guī)范。使用高空安全帶時，必須嚴格按照操作規(guī)程進行操作，正確栓扣安全鉤、正確連接安全繩。⑤避免損壞。在使用安全帶時應避免過度拉扯或摩擦，以避免對安全帶的結(jié)構(gòu)造成不可逆損壞。安全帶在使用結(jié)束后應檢查和維護，從而確保安全帶的安全性。⑥儲存保養(yǎng)。使用完畢后，安全帶應存放在干燥通風處，應盡量避免存放在潮濕環(huán)境中，并定期對其進行檢查保養(yǎng)和更換，以保證安全帶的安全性能。

1.3 安全帶原理及分類

當高處作業(yè)人員發(fā)生墜落時，安全帶可將作業(yè)人員安全懸掛，以免進一步墜落。按照安全帶佩戴方式的不同，可將其分為以下三類。①全身安全帶。全身安全帶通常由腰帶、肩帶、腿帶和安全繩組成，肩帶和腿帶十分堅韌，能很好地維持高空作業(yè)人員身體的穩(wěn)定性。②半身安全帶。半身安全帶通常由腰帶和安全繩組成，用于固定高空作業(yè)人員的腰部，避免其發(fā)生墜落，半身安全帶常用于一些較為輕便的工作場中。③固定式安全帶。固定式安全帶通常由帶狀材料和安全繩組成，主要用于固定工作人員，將人員固定在工作位置上，從而保證工作人員不會在工作位置上發(fā)生滑落。

1.4 智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶與智能電網(wǎng)關聯(lián)

高空作業(yè)是電力行業(yè)中的高風險作業(yè)之一，高空作業(yè)安全帶采用大型雙鉤五點式結(jié)構(gòu)，由安全帶體、連接器、安全繩和大雙鉤組成，安全帶本體和安全繩均由高強度聚酯織帶或高強度纖維材料制成，常用于電力運輸、煤礦行業(yè)中，可牢牢固定住從事高空作業(yè)人員的身體，保障工作人員的生命安全。現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)作業(yè)中使用的安全帶均為傳統(tǒng)型產(chǎn)品，既無法實現(xiàn)自我監(jiān)測、組網(wǎng)互聯(lián)，又無法滿足現(xiàn)階段快速發(fā)展的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)的技術(shù)需求，更無法在更復雜工況下實現(xiàn)對重物的輔助提升功能。為此，本研究設計出一種智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶，從而實現(xiàn)與智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)。

一方面，智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶通過系統(tǒng)自帶的傳感器來監(jiān)測自身安全狀態(tài)，并上傳至手持終端進行顯示。另一方面，智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶能通過通信模塊將狀態(tài)上傳至臺區(qū)綜控中心，進行集中調(diào)度管理。同時，為了適應現(xiàn)場的工作需求，對安全帶增加重物輔助提升的功能，能有效減少工作人員的承載強度，降低負重工作的風險。對雙鉤安全帶的狀態(tài)進行監(jiān)測，能降低脫鉤風險，提高作業(yè)安全性。同時，對雙鉤安全帶的狀態(tài)監(jiān)測有助于推進檢修智能化，為未來智能電網(wǎng)全面建成做鋪墊。

2 基本原理

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

基于DSP28377D 的控制器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。DPS28377D 是一款雙核處理器，主頻為200 MHz，采用“雙核（CPU1+CPU2）+雙協(xié)核（CLA1+CLA2）”結(jié)構(gòu)，使處理性能得到提高。DPS28377D 能對雙鉤安全帶的工作狀態(tài)進行快速判斷，提高動態(tài)效應；能快速實現(xiàn)安全帶與綜控中心、智能桿塔控制器、便攜式移動控制設備等的互聯(lián)，縮短互聯(lián)時間；能產(chǎn)生PWM 波形來控制助爬電機工作，節(jié)省爬高時間，同時能對200 kg 內(nèi)重設備進行提升，提高現(xiàn)場作業(yè)的效率。針對具有故障返回信號功率模塊和助爬電機的驅(qū)動，設計出24 路PWM 驅(qū)動故障返回電路，有利于及時停機、排查故障，避免故障擴大化。設計出10路AD 采樣與調(diào)理電路，其中，包括7路雙極性AD和3 路單極性AD，實現(xiàn)對雙鉤安全帶工作時的多種狀態(tài)量進行采樣監(jiān)測。28377D 片內(nèi)AD 轉(zhuǎn)換電路可配置成12 位單端輸入和16 為差分輸入兩種模式，因此，外圍電路也可設計成自由調(diào)節(jié)輸入路徑，方便配置每一路AD 的輸入模式。支持在助爬電機上安裝光柵編碼器或旋轉(zhuǎn)編碼器，便于選配多種類型的助爬電機。旋轉(zhuǎn)變壓器解碼選用的是PGA411-Q1 芯片，該芯片具有強大的可編程配置功能，并支持市面上的絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器。預留了8 路外部開關輸入接口，方便對安全帶系統(tǒng)進行運行、啟停、故障清除及其他控制輸入操作。加入了2 位七段數(shù)碼管，方便實現(xiàn)對智能安全帶的狀態(tài)、故障狀態(tài)等的顯示功能。為方便試驗調(diào)試、查看波形，加入了8 路12 位DA 輸出，能實現(xiàn)多類型終端設備互聯(lián)。

圖1 基于DSP28377D的控制器結(jié)構(gòu)

2.2 控制策略

面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略流程如圖2 所示。組網(wǎng)互聯(lián)控制策略是基于國網(wǎng)加密芯片進行通信的，雙鉤安全帶和綜控中心或地面操控設備要先進行握手校驗，校驗無誤后再進行互聯(lián)，互聯(lián)后將安全帶的工作狀態(tài)、故障代碼等實時上傳顯示，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)處于工作狀態(tài)的安全帶進行統(tǒng)一管理，以此來提高工作效率，降低事故發(fā)生概率。

圖2 組網(wǎng)互聯(lián)控制策略流程

雙鉤安全帶的掛鉤上有兩個傳感器，一個是開口處的接近開關，另一個是頂部的微動開關。首先，判斷頂部傳感器來感知掛鉤是否掛接正常，如果不正常，繼續(xù)判斷開口處接近開關狀態(tài)，如果開口沒動作，說明掛鉤仍掛接在桿塔上；如果開口有動作，說明掛鉤脫離，控制器蜂鳴器發(fā)出脫鉤預警，同時地面手持顯示終端會顯示單鉤脫鉤。其次，檢測另一只掛鉤的掛接狀態(tài)，如果脫鉤將發(fā)出雙鉤脫鉤報警，手持終端會顯示雙鉤脫鉤，并提示停止工作。該雙鉤安全帶能通過控制器來實現(xiàn)狀態(tài)的回傳，并在工作現(xiàn)場通過射頻識別（RFID）技術(shù)來實現(xiàn)安全帶狀態(tài)組網(wǎng)互聯(lián)，并集中在地面手持終端上顯示，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的組織管理。

助爬電機控制邏輯如圖3 所示。先控制助爬電機進行系統(tǒng)自檢，看是否具備啟動條件。在具備啟動條件后，啟動PWM 程序?qū)﹄姍C進行矢量控制，實現(xiàn)助爬或重物提升。

圖3 助爬電機控制邏輯

3 試驗驗證

對本研究設計的基于DPS28777D 控制器的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶進行試驗驗證，結(jié)果如圖4、圖5 所示。圖4 中的電流1 為流過安全帶內(nèi)部金屬絲的電流，電流2 為安全帶故障指示屏幕驅(qū)動電流，電壓為安全帶雙鉤之間的電壓。由圖4 可知，沒有掛接時，雙鉤處于斷路狀態(tài)，鉤間承壓為10 V。當安全帶掛接后，雙鉤連通，電壓立刻跌到0 V，即電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)控制器發(fā)出狀態(tài)變化信號，驅(qū)動屏幕顯示故障狀態(tài)。圖5 為助力爬電機驅(qū)動信號，由圖5 可知，電壓、電流的品質(zhì)良好，電機啟動起始段轉(zhuǎn)速線性上升，等速斷穩(wěn)速效果良好。

圖4 安全帶故障判斷波形

圖5 助爬電機試驗波形

4 結(jié)語

本研究提出一種面向智能電網(wǎng)的智慧互聯(lián)型雙鉤安全帶控制策略，是基于DSP28377D 控制器來實現(xiàn)掛接狀態(tài)判斷、掛接狀態(tài)預警、掛接狀態(tài)顯示、助爬輔助電機控制的，可實現(xiàn)安全帶與智能桿塔、臺區(qū)綜控系統(tǒng)的互聯(lián)，并融入到智能電網(wǎng)系統(tǒng)中。本研究詳細介紹了硬件、軟件設計過程，并通過試驗驗證了該控制策略的有效性和可行性。