一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔的制作方法

本發明涉及一種電力系統用防護用品，具體地講涉及一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔。

背景技術：

構成電網三個單元變電、輸電、配電中的變電站是改變電壓的場所。為了把發電廠發出來的電能輸送到較遠的地方，需經歷將電壓升高，變為高壓電，到用戶附近再按需要把電壓降低，這種升降電壓的工作靠變電站來完成。變電站的主要設備是開關和變壓器。按規模大小不同，小的稱為變電所，大的稱為變電站。變電所：一般是電壓等級在110KV以下的降壓變電站；變電站：包括各種電壓等級的“升壓、降壓”變電站。

為滿足智能化變電站的需求，未來變電站設備將逐步走向功能集成化和結構一體化，一、二次設備的融合將更加緊密，界限也將更加模糊。實現綜合分析、自動協同控制是變電站智能化的關鍵，設備信息數字化、功能集成化、結構緊湊化、檢修自動化是發展方向。而巡檢手段和安全措施急需隨之智能化。

變電站的安全措施主要是指在變電運行及檢修工作中，保證人身、電網及設備安全的安全措施。其中，安全帽是防止沖擊物傷害工作人員頭部保證人生安全的防護用品。現有的安全帽還不能作為變電站運行及檢修工作中確保巡檢安全的防護用品，無集成傳感、定位、照明、成像、顯示、報警及通信等功能的用于變電站的智能巡檢安全頭盔。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出了一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔。

一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔，其特征在于，所述安全頭盔包括殼體和功能單元；

所述殼體由改性聚丙烯塑料、超高分子聚乙烯塑料或聚碳酸酯塑料制成；

所述功能單元包括工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元、信號處理及電源單元、LED照明燈、顯示單元、聲光報警單元和通信單元。

進一步的，所述工頻電場傳感器包括檢測工頻電場強度并將結果傳送至所述信號處理及電源單元的無電極型電場強度傳感器或基于微機電系統技術的電場強度傳感器；

所述工頻磁場傳感器包括檢測工頻磁場強度并將結果傳送至所述信號處理及電源單元的磁通門傳感器；

所述紅外熱像儀包括內置激光測距儀的工業檢測型紅外熱像儀，以獲取目標的紅外熱像圖、溫度和距離，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

所述加速度傳感器包括監測所述安全頭盔佩戴人員的實時姿態狀況并將結果傳送至所述信號處理及電源單元的三軸加速度傳感器；

所述UWB定位單元包括確定所述安全頭盔佩戴人員在變電站范圍內分或米級精度的位置，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元。

進一步的，所述信號處理及電源單元包括的電源部分由充電電池組成，為其他各單元供電；信號處理部分包括對工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元所采集數據的處理，以及對聲光報警診斷的判別，并通過通信單元與變電站運監中心交互信息。

進一步的，所述采集數據的處理包括：根據工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元所采集的數據，確定佩戴所述安全頭盔的工作人員接近帶電體的距離和帶電體的電壓等級。

進一步的，所述聲光報警診斷包括對佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離和帶電體的電壓等級的判別：

按下式確定佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離：

d＝a×d₀

其中，d₀為根據安全距離的標準設定的安全距離；a為設定的正實數；當a∈(1.25，∞)時，所述聲光報警單元的綠顏色信號燈亮且蜂鳴器不響；當a∈(1，1.25])時，所述聲光報警單元的黃顏色信號燈亮且蜂鳴器斷續地響；當a∈(0，1]時，所述聲光報警單元的紅顏色信號燈亮且蜂鳴器連續響。

進一步的，所述LED照明燈為所述安全頭盔佩戴人員提供照明的所述安全頭盔的照明頂燈。

進一步的，所述顯示單元為眼鏡式佩戴結構，通過數據線與所述信號處理及電源單元連接，顯示所述工頻電場傳感器監測的電場強度數值、所述工頻磁場傳感器監測的磁場強度數值、所述紅外熱像儀監測的熱像圖、溫度和顯示變電站運監中心的指令。

進一步的，所述聲光報警單元當佩戴所述安全頭盔工作人員誤入高場強區時的聲光報警；聲光報警單元由紅黃綠三種顏色的信號燈和蜂鳴器組成；聲光報警指令由信號處理及電源單元的信號處理部分提供。

進一步的，所述通信單元由藍牙、WiFi和WiGig通信模塊組成，實現其與檢修用手持移動終端和變電站內無線通信基站的信息交互與數據共享通信；所述WiGig通信模塊，用符合IEEE 802.11ad的WiGig技術，工作頻段為59GHz～64GHz，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode進行安全保護，支持的最大傳輸速度為Gbit/s數量級。

與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：

1、本發明提供的技術方案在保證工作人員的人身安全方面具有實用價值和有益效果如下：

1)因為本發明所述安全頭盔中集成了工頻電場傳感器，所以能檢測安全頭盔佩戴人員的工頻電場輻射強度和持續時間，為工作人員的電磁輻射防護提供了可靠的健康衛生數據；

2)因為本發明所述安全頭盔中集成了工頻磁場傳感器，所以能檢測安全頭盔佩戴人員的工頻磁場輻射強度和持續時間，為工作人員的電磁輻射防護提供了可靠的健康衛生數據；

3)因為本發明所述安全頭盔中集成了加速度傳感器、UWB定位單元及通信單元，所以，在變電站運監測中心中能實時準確對佩戴所述安全頭盔人員的身體狀況例如跌倒、碰撞情況進行及時監測，進而可以保障工作人員的人身安全；

4)因為本發明所述安全頭盔中集成了UWB定位單元及通信單元，所以，所述安全頭盔佩戴人員在變電站范圍內的位置定位信息，能準確在變電站運監中心中顯示出來；

5)所述LED照明燈是所述安全頭盔的照明頂燈，為佩戴所述安全頭盔的人員提供照明，便于無日照或日照不足時進行巡檢工作；

6)佩戴所述安全頭盔的工作人員在接近帶電體的一定距離范圍內時會發出聲光報警，而且不同的距離有不同的聲光報警；當佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離大于1.25倍的安全距離時，所述聲光報警單元的綠顏色信號燈亮且蜂鳴器不響；當佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離小于或等于1.25倍的安全距離而大于安全距離時，所述聲光報警單元的黃顏色信號燈亮且蜂鳴器斷續地響；當佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離小于或等于安全距離時，所述聲光報警單元的紅顏色信號燈亮且蜂鳴器連續響。

2、本發明提供的技術方案在巡檢手段的智能化、自動化方面具有實用價值和有益效果體現在以下3個方面：

1)本發明所述安全頭盔中集成了工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、加速度傳感器和UWB定位單元，分米級的定位精度的工頻電場輻射強度數據和工頻磁場輻射強度數據用于判定變電站的電磁場異常情況，進而能準確可靠支撐變電站內的設備與裝置的故障診斷；

2)本發明所述安全頭盔是紅外熱像儀與多種傳感器及UWB定位單元集成，通過所采集數據的處理分析，針對變電站內的電流致熱效應、電壓致熱效應或其他致熱效應的各電壓等級設備，例如電機、變壓器、電抗器、斷路器、隔離開關、互感器、套管、電力電容器、避雷器、電力電纜、母線、導線、絕緣子、組合電器、低壓電器及二次回路等進行致熱型設備缺陷的診斷判別，對故障的診斷提供了可靠的支撐；

3)因為本發明所述安全頭盔中集成了紅外熱像儀、加速度傳感器和UWB定位單元等，而且所述紅外熱像儀內置紅外線測距離傳感器，所以，相對于DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷應用規范》的技術而言，增加了致熱型設備故障的位置定位功能，能提高變電站的檢修質量和效率，也對變電站內設備故障的診斷提供了可靠的支持手段。

3、本發明提供的技術方案在保證人身安全的同時，改進了保障變電站設備安全的巡檢手段，能提高變電站的檢修質量和效率，滿足變電站運行管理和檢修的自動化與智能化的需求。

附圖說明

圖1為智能巡檢安全頭盔功能單元組成；

圖2為本發明的智能巡檢安全頭盔通過通信單元與變電站運監中心的信息交互圖。

具體實施方式

電力系統中，一次系統是指由發電機、送電線路、變壓器、斷路器等，發電、輸電、變電、配電等設備組成的系統。它們是電力系統的主體，其功能是將發電機所發出的電能，經過輸變電設備，逐級降壓送到配電系統，而后再由配電線路把電能分配到用戶。二次系統是由繼電保護、安全自動控制、系統通訊、調度自動化、DCS自動控制系統等組成的系統。二次系統是電力系統不可缺少的重要組成部分，它是實現人與一次系統的聯系監視、控制，使一次系統能安全經濟地運行。

變電站是電力系統中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調整電壓的電力設施，用以切斷或接通、改變或者調整電壓，將各級電壓的電網聯系起來。是輸電和配電的集結點。變電站主要包括變壓器、互感器、開關設備、防雷設備等。開關設備包括斷路器、隔離開關、負荷開關、高壓熔斷器等，都是斷開和合上電路的設備。

六氟化硫全封閉組合電器(GIS)把斷路器、隔離開關、母線、接地開關、互感器、出線套管或電纜終端頭等分別裝在各自密封間中，后集中組成一個整體外殼，并充以六氟化硫氣體作為絕緣介質。這種組合電器具有結構緊湊體積小重量輕不受大氣條件影響，檢修間隔長，無觸電事故和電噪聲干擾等優點。它的缺點是價格較貴，制造和檢修工藝要求高。

下面結合附圖，以兩個實施案例，對本發明的具體實施方式做進一步的詳細說明。

一、以A省電力公司某220kV智能化變電站運維人員佩戴本發明的智能巡檢安全頭盔為例

1.1、應用本發明的具體實施方式

本發明的智能巡檢安全頭盔功能單元組成如圖1所示。

(1、一種用于變電站的智能巡檢安全頭盔，其特征在于：所述安全頭盔包括殼體和殼體中的功能單元；

(1.1所述殼體是改性聚丙烯塑料、超高分子聚乙烯塑料或聚碳酸酯塑料的安全帽；

(1.2所述殼體中的功能單元包括工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元、信號處理及電源單元、LED照明燈、顯示單元、聲光報警單元以及通信單元；

(1.3所述工頻電場傳感器采用無電極型電場強度傳感器或基于MEMS(微機電系統)技術的電場強度傳感器，完成工頻電場強度測試，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

(1.4所述工頻磁場傳感器采用磁通門傳感器，完成工頻磁場強度測試，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

(1.5所述紅外熱像儀采用工業檢測型紅外熱像儀，內置激光測距儀，獲取被測目標的紅外熱像圖、溫度和距離，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

(1.6所述加速度傳感器采用三軸加速度傳感器，完成所述安全頭盔佩戴人員的跌倒、碰撞情況監測，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

(1.7所述UWB定位單元完成所述安全頭盔佩戴人員在變電站范圍內的位置定位，位置定位精度為分米級，并將結果傳送至所述信號處理及電源單元；

(1.8所述LED照明燈是所述安全頭盔的照明頂燈，為所述安全頭盔佩戴人員提供照明；

(1.9所述信號處理及電源單元包括信號處理部分和電源部分，電源部分由充電電池組成，為其他各單元供電；

(1.10所述顯示單元為眼鏡式佩戴結構，通過數據線與所述信號處理及電源單元連接，顯示所述工頻電場傳感器監測的電場強度數值、所述工頻磁場傳感器監測的磁場強度數值、所述紅外熱像儀監測的熱像圖和溫度、顯示變電站運監中心的指令；

(1.11所述聲光報警單元當佩戴所述安全頭盔工作人員誤闖高場強區，進行聲光報警；聲光報警單元由紅黃綠三種顏色的信號燈和蜂鳴器共同組成；聲光報警指令由信號處理及電源單元的信號處理部分提供；

(1.12所述通信單元由藍牙、WiFi和WiGig通信模塊組成，完成與檢修用手持移動終端、變電站內無線通信基站的信息交互與數據共享通信；WiGig通信模塊，采用符合IEEE 802.11ad的WiGig技術，工作于59GHz～64GHz頻段，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode來進行安全保護，支持的最大傳輸速度為Gbit/s數量級；

(2、如權利要求(1所述的安全頭盔，其特征在于：所述的信號處理及電源單元的信號處理部分完成工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元所采集數據的處理，以及聲光報警診斷判別，并通過通信單元與變電站運監中心交互信息。

(3、如權利要求(2所述的采集數據的處理，其特征在于：所述的采集數據的處理，根據工頻電場傳感器、工頻磁場傳感器、紅外熱像儀、加速度傳感器、UWB定位單元所采集的數據，得出佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離和帶電體的電壓等級；

(4、如權利要求(2所述的聲光報警診斷判別，其特征在于：

(4.1所述的聲光報警診斷判別依據為佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離和帶電體的電壓等級；

(4.2所述的聲光報警診斷判別邏輯為，報警條件根據安全距離相關標準確定安全距離d0，設定正實數為a，佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離為d＝a×d0，當a∈(1.25,∞)時，所述聲光報警單元的綠顏色信號燈亮且蜂鳴器不響；當a∈(1,1.25])時，所述聲光報警單元的黃顏色信號燈亮且蜂鳴器斷續地響；當a∈(0,1]時，所述聲光報警單元的紅顏色信號燈亮且蜂鳴器連續響；

(4.3所述的聲光報警診斷判別的上述結果由信號處理及電源單元提供給所述聲光報警單元，使紅黃綠三種顏色的信號燈和蜂鳴器發生相應動作。

本發明的智能巡檢安全頭盔通過通信單元與變電站運監中心的信息交互如圖2所示。所述的信號處理及電源單元的信號處理部分接收以下信息：工頻電場傳感器輸出的電場強度數據、工頻磁場傳感器輸出的磁場強度數據、紅外熱像儀輸出的溫度數據與圖像視頻、加速度傳感器輸出的加速度數據、UWB定位單元輸出的位置定位數據以及通信單元輸出的來自檢修用手持移動終端和變電站內無線通信基站的信息；所述的信號處理及電源單元的信號處理部分向顯示單元、聲光報警單元以及通信單元發送信息。變電站運監中心通過變電站內無線通信基站，與檢修用手持移動終端和本發明的智能巡檢安全頭盔交互信息。本發明的智能巡檢安全頭盔內部的通信單元，通過藍牙、WiFi和WiGig無線通信方式，與檢修用手持移動終端和變電站內無線通信基站交互信息。

變電站內配置4個UWB定位微基站，即變電站內UWB定位微基站1至4，覆蓋整個變電站，保證所述UWB定位單元來完成所述安全頭盔佩戴人員在變電站范圍內的位置定位，實現厘米級的位置定位精度。

1.2、關于所述的安全距離與聲光報警診斷判別邏輯

安全距離相關標準確定安全距離d₀。相關標準主要指GB26860-2011《電業安全工作規程(發電廠和變電站電氣部分)》，其中規定了三種安全距離，如表1所示。三種情況下的三種安全距離分別是設備不停電時的安全距離、人員工作中與設備帶電部分的安全距離、帶電作業時人身與帶電體的安全距離，在220kV變電站中進行故障排查時，安全距離d₀分別取3.00m、3.00m、1.8m，即有2種d₀取值：3.00m和1.8m。

(1)當d₀取3.00m，即220kV變電站中設備不停電時，佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離為d＝a×3.00，單位為米。當a∈(1.25,∞)時，即d∈(3.75,∞)時，所述聲光報警單元的綠顏色信號燈亮且蜂鳴器不響；當a∈(1,1.25]時，即d∈(3.00,3.75]時，所述聲光報警單元的黃顏色信號燈亮且蜂鳴器斷續地響；當a∈(0,1]時，即d∈(0,3.00]時，所述聲光報警單元的紅顏色信號燈亮且蜂鳴器連續響；這就是所述的聲光報警診斷判別邏輯：報警條件根據安全距離相關標準確定。

(2)當d₀取1.8m，即220kV變電站中帶電作業時，佩戴所述安全頭盔工作人員接近帶電體的距離為d＝a×1.8，單位為米。當a∈(1.25,∞)時，即d∈(2.25,∞)時，所述聲光報警單元的綠顏色信號燈亮且蜂鳴器不響；當a∈(1,1.25]時，即d∈(1.8,2.25]時，所述聲光報警單元的黃顏色信號燈亮且蜂鳴器斷續地響；當a∈(0,1]時，即d∈(0,1.8]時，所述聲光報警單元的紅顏色信號燈亮且蜂鳴器連續響；這就是所述的聲光報警診斷判別邏輯：報警條件根據安全距離相關標準確定。

表1 GB26860-2011《電業安全工作規程(發電廠和變電站電氣部分)》中的三種安全距離

1.3、具體實施型號選取舉例

工頻電場傳感器為無電極型工頻電場強度傳感器或基于MEMS(微機電系統)技術的電場強度傳感器。工頻磁場傳感器為三端式磁通門傳感器。紅外熱像儀為工業檢測型在線紅外熱像儀，內置激光測距儀。加速度傳感器為三軸加速度傳感器。UWB定位單元為UBI sense UWB，屬于Local Sense無線定位系統。LED照明燈為小顆粒白光LED燈。信號處理及電源單元內的電源單元采用聚合物12V鋰電池。顯示單元為眼鏡式佩戴結構，采用索尼的頭戴式顯示器(Sony SmartEyeglasses)。通信單元由藍牙、WiFi和WiGig通信模塊組成，WiGig通信模塊符合IEEE 802.11ad標準，工作于59GHz～64GHz頻段，使用AES加密算法中的Galois/Counter Mode來進行安全保護，支持的最大數據傳輸速度為7Gbit/s。

2、應用本發明的消除故障隱患案例

變電站內變壓器故障可分為內部故障和外部故障，內部故障是指變壓器本體內部絕緣或繞組出現的故障，外部故障是指變壓器輔助設備出現的故障。運維人員佩戴本發明的智能巡檢安全頭盔對變壓器進行檢測，發現某220kV智能化變電站內變壓器接頭過熱現象。分析可知，變壓器引線通過變壓器套管內腔引出與外部電路相連，引線是靠套管支撐和絕緣的。由于套管上端帽罩(將軍帽)封閉不嚴而進水，引線主絕緣受潮而擊穿，或變壓器嚴重缺油使油箱內引線暴露在空氣中，造成內部閃絡，都會在引線處發生故障。結合變壓器接頭過熱的熱像圖，診斷可知，引線主絕緣受潮，正在發生發電擊穿現象，有可能引發引線絕緣故障或變壓器套管閃絡或爆炸。及時檢修處理后，避免了一起變壓器引發的嚴重故障。所以，本發明具有實用價值和有益效果。

二、以B省電力公司某GIS智能化變電站運維人員佩戴本發明的智能巡檢安全頭盔為例

GIS設備的常見故障可分為兩大類，(1)與常規設備性質相同的故障，如斷路器操動機構的故障等；(2)GIS的特有故障，如GIS絕緣系統的故障、內部放電、內部元件故障等。

應用本發明的具體解決方案如下。

B省電力公司某GIS智能化變電站采用雙母并列運行。新建、改擴建或大修后運維人員佩戴本發明的智能巡檢安全頭盔對GIS設備精確檢測并建立圖庫，將測試數據及圖像存入相關數據庫，進行動態管理。根據同類設備的正常狀態和異常狀態的熱像圖，判斷設備是否正常。結合DL/T 664-2008《帶電設備紅外診斷應用規范》進行故障診斷判斷，判斷方法包括：表面溫度判斷法、同類比較判斷法、圖像特征判斷法、相對溫差判斷法、檔案分析判斷法以及實時分析判斷法。

運維人員佩戴本發明的智能巡檢安全頭盔對GIS設備進行檢測，發現某智能化變電站110kV設備區室外GIS電纜終端外殼灼燒變色現象，為了排除各種干擾因素對圖像的影響，結合電氣試驗或化學分析的結果，進行綜合判斷。可知，GIS內部不清潔、運輸中的意外碰撞或和絕緣件質量低劣等原因引起GIS內部發生放電，導致圖中異常現象。故障處理后GIS設備恢復正常。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解：依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。