基于红外对射和视频监控的变电站电子围栏设计

张 昭 ，刘 洋 ，吕梁辉 ，刘海朋 ，张 操 ，王春罡 ，吴春蕾

（1.国网青海省电力公司检修公司，青海 西宁 810000；2.北京瑞盈智拓科技有限公司，北京 100032）

0 引言

随着我国经济的快速发展，用电需求迅速增长，对电网安全运行的要求越来越高，变电站的安全对保障电网安全运行至关重要。针对变电站施工现场工作人员的违章行为，现有的安全监控装置不能完全满足变电站现场安全管控的要求［1-4］。例如变电站围墙的红外报警装置，体积庞大且需要固定安装，因此不便于在变电站工作现场使用［5-8］。此外，安装围墙的红外报警装置，前期投入较高，且需220 V电源供电，功耗高，经济性较差［9］。

本文设计了一种基于红外对射和视频监控的电子围栏。该系统采用模块化设计，通过红外发射模块、红外接收模块、报警模块、视频模块、电源模块与报警手环实现对围栏区域的安全管控。通过支柱的组合来实现电子围栏在变电站现场作业区域的应用。支柱采用可充电电源和太阳能板相结合进行供电，以延长电子围栏工作时间，并在一定程度上减少对电网的依赖。支柱体积小，便于在要求的区域进行布置安装。主动式红外对射装置根据现场状况做出判断，发出信号，结合现场视频采集、声音报警和现场检修人员的手环振动提醒，分别实现对现场某些人员违章行为的信息存储、及时警告和制止，有效提高变电站现场作业区域的安全性。

1 总体结构及运行特点

基于红外对射和视频监控的变电站现场电子围栏单个支柱的结构由功能模块（红外发射模块、红外接收模块、视频模块、报警模块和电源模块）、伸缩带和支撑底座组成。通过支柱各部分的协同工作，实现对变电站现场工作环境的动态感知，以达到及时主动报警、视频监控的目的。电子围栏单个支柱结构如图1所示。

图1 电子围栏单个支柱结构图

支柱之间的红外对射通过红外发射模块和红外接收模块来实现，形成不可见的红外光路。考虑到红外光路是不可见的，支柱之间设置内嵌的伸缩带，实现光路与实体围栏的连接。电子围栏效果示意图如图2所示。

图2 电子围栏效果示意图

一套电子围栏系统至少包含6个支柱，并可根据现场需要进行扩展。电子围栏工作原理如图3所示。电子围栏系统将目标防范区域以半封闭的形式围出安全区，采用分段触发方式，实现对变电站现场的安全管控。支柱的功能模块包括红外发射模块、红外接收模块、报警模块、视频模块和电源模块，为实现系统的红外对射报警和视频监控等功能提供了硬件基础。

图3中1号支柱和6号支柱之间为工作出入口，人员可通过工作出入口自由进出。在安全区域内，人员可自由活动，不会触发电子围栏报警。当有违规入侵或意外遮挡等情况发生时，就会造成接收模块接收到的光信号中断，触发现场声音报警［10］，同时将现场录像信息保存，以便查证。电子围栏的布置可根据具体要求进行调整。必要情况下，可将电子围栏围成封闭区域，将带电设备与其他设备进行隔离，防止违规入侵以及人员靠近。

图3 电子围栏工作原理图

2 硬件设计

2.1 STM32芯片

电路设计时，选用STM32芯片。该芯片具有较强的数据处理能力和丰富的接口资源，能进行通信且具有较高的性价比。由于STM32芯片具有扩展能力强、外设单元丰富、精度高、代码开源等优势［11-13］，设计中采用该芯片代替单片机作为处理器。该处理器主要负责信息数据的采集、异常情况的判断及事故发生前后的图像存储，是整个系统的核心组成部分。

2.2 功能模块

功能模块主要包括红外发射模块、红外接收模块、视频模块、报警模块和电源模块。功能模块结构如图4所示。

图4 功能模块结构图

2.2.1 红外发射模块

红外发射模块由电源、发光源、光学系统等部分组成。在电源的作用下，发光源发射红外光束，再经光学系统发射出去。

2.2.2 红外接收模块

红外接收模块由光学系统、放大器、光学传感器、信号处理器等部分组成，负责接收发射模块发射出的红外线，经光电传感器将光信号转换成电信号［14-15］，经信号处理器分析处理后传给报警控制器。

2.2.3 视频模块

系统开始工作后，视频模块自动持续录制现场视频，视频资料随存储卡的容量被覆盖。这不仅满足了备份查证的需求，还提高了系统工作效率，节约硬盘资源。

2.2.4 报警装置

报警包括语音报警和无线手环报警。当发生违规入侵或意外遮挡情况时，语音报警装置，现场直接警示违规者勿入危险区。无线手环报警则是将报警信息发送给现场检修人员佩戴的手环，通过振动提醒，确保现场工作的安全进行。

2.2.5 电源模块

支柱电源主要为支柱的电子模块提供电能，采用太阳能供电，内置可充电锂电池。电池在正常充满电的情况下，可保证整个支柱连续工作40 h以上。无需布设电源线和信号线，方便安装及维护。

2.3 伸缩带

伸缩带内嵌在支柱里。带体尽量设计较窄，或采用镂空设计，以减少受风面积，防止风大时支柱倾倒，提高稳定性。以红色作为警示条的警示色，直观警示外部人员勿入。带体材质根据防风、示警的要求来选择。支柱间通过红外线及伸缩带形成光路与实体上的连接。

2.4 支撑底座

支撑底座采用圆盘设计，与支柱之间采用固定连接。根据应用区域的天气情况，设计时对选择的底座进行防风设计，到达一般抗风要求。

3 软件设计

软件采用模块化设计，工作流程如图5所示。系统各模块初始化后，红外发射模块发射红外线，系统判断红外接收模块是否接收到红外线。若接收模块接收到稳定的光信号，则说明现场没有违规入侵或意外遮挡情况。此时，视频模块保持开机状态并持续录制视频，但不触发声音报警，也不发送报警信息至手环。若接收模块接收到的光信号不稳定，则说明有违规入侵或者意外遮挡情况发生。此时，视频模块录制入侵视频，以供入侵证据查验。同时系统发送触发信号至报警模块，触发声音报警，对违规入侵人员发出警示提醒；发送报警信息至手环，提醒现场检修人员有意外情况发生，以便其及时制止和处理，保证现场工作安全进行。

图5 工作流程图

4 结语

基于红外对射和视频监控的电子围栏在物理结构方面，考虑了安装的可靠性和实用性，使设备安装便捷、使用简单，提高了工作效率。系统各模块相互独立，某模块的损坏不影响其他功能的实现，设备运行维修更加便利。电子围栏可根据需要选择组合方式，在一个或几个电子围栏支柱损坏的情况下不影响现场警示围栏布置，从而提高系统运行稳定性。该电子围栏的应用，一方面能实现变电站现场作业区域的安全管控，另一方面可节约设备安装和维护的成本。