基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护方法及系统与流程

本发明涉及高电压与绝缘技术及电力安全防护，具体涉及一种基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护方法及系统。

背景技术：

1、在变电站的运行与检修维护中，带电作业是保障电网不间断运行、降低停电风险的核心手段。变电站带电作业按电位状态可分为地电位作业、等电位作业以及进出等电位过程中的中间电位作业。不同电位状态下，作业人员所处的电场环境差异显著。地电位作业时，作业人员位于地面或接地构架上，体表场强相对较低但在靠近带电体的局部区域可能出现场强集中；等电位作业时，作业人员直接接触带电体，全身处于强电场环境，手尖、肘部等突出部位场强极高；进出等电位过程中，作业人员经历从低场强到高场强的动态变化过程。

2、目前，变电站带电作业电场安全防护主要依赖屏蔽服整体防护和统一的作业安全距离控制。屏蔽服的选型和配置通常按照电压等级统一确定，未针对作业人员在不同作业位置、不同身体部位的实际体表场强分布进行差异化设计。这种防护方式一方面可能导致场强极高部位防护不足，另一方面在场强较低部位造成不必要的防护冗余，增加了屏蔽服的重量和作业人员的负担。

3、在带电作业安全评估方面，现有方法主要基于静态离散点位进行场强校核或安全距离计算，未将作业人员在带电作业过程中的可达活动范围构建为三维连续空间包络面，无法系统评估作业全过程的电场暴露水平。近年来虽有研究者提出电几何安全包络的概念框架，但现有研究多将其用于人员接近带电体的实时预警，依赖传感器在线监测，尚未将该包络面向防护方案设计应用，也未结合预先电场仿真计算进行防护分区优化。

4、此外，现有屏蔽服的选型和配置主要依据电压等级统一确定，缺乏基于体表场强定量分布数据的分区差异化防护方法。实测和仿真数据表明，同一电压等级下不同作业位置、同一作业位置不同身体部位的体表场强差异可达数倍至数十倍，现有技术难以实现“重点区域重点防护、一般区域常规防护”的精细化配置。

5、综上所述，亟需建立一种基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护方法及系统。通过构建三维活动包络面并计算其体表场强分布，实现从离散点位评估到连续包络面评估的升级，并根据场强分布实施差异化防护策略，从而在保障安全的前提下实现防护资源的优化配置。

技术实现思路

1、针对现有变电站带电作业电场防护精细化程度不足、缺乏基于三维活动空间评估的差异化防护方法的问题，本发明提供一种基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护方法及系统。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护方法，包括：

4、建立变电站作业场景的三维几何模型，确定作业人员的目标作业位置和电位状态；

5、根据所述目标作业位置和电位状态，以人体各关节的活动极限角度为约束，在三维姿态空间中均匀采样获得人体可达空间点集，并以人体中心为基准点将采样点集中各方向最远可达点利用凸包算法构建三维封闭曲面，生成三维作业活动包络面；

6、根据所述三维几何模型和所述三维作业活动包络面，建立包含作业人员的变电站三维仿真模型，设定各设备的电位边界条件，采用有限元法求解空间电场分布，获得全空间电位与电场强度分布；

7、将所述全空间电场强度数据插值映射至所述三维活动包络面的网格节点上，获得包络面上各节点的体表电场强度值；

8、根据所述包络面各节点的体表电场强度值，设定安全场强上限阈值和常规防护场强下限阈值，将包络面划分为危险区、警戒区和安全区三个不同防护等级区域。

9、进一步优选地，确定作业人员的电位状态包括：

10、当作业人员位于地面或接地构架上且身体各部位均与带电体保持安全距离时判定为地电位；当作业人员直接接触带电体、人体电位与带电体电位一致时判定为等电位；当作业人员处于由地电位向等电位转移或反向转移的动态过程时判定为进出等电位过程。

11、进一步优选地，构建三维作业活动包络面时，若作业人员手持作业工具，则以手持点可达位置为基准，结合作业工具的长度及其朝向采样范围获取工具末端可达点集，并将其并入人体可达空间点集，一并构建所述三维活动包络面。

12、进一步优选地，获取工具末端可达点集时，将作业工具简化为长度为l的刚体杆件，以人体手持点的可达位置为基准，在作业工具可操作的朝向范围内均匀采样其朝向角，计算工具末端位置点的方法为：将工具长度乘以朝向单位方向向量，将乘积结果与手持点位置相加得到工具末端位置。

13、进一步优选地，设定安全场强上限阈值和常规防护场强下限阈值时，不同身体部位设定不同的安全场强上限阈值。

14、进一步优选地，根据所述包络面各节点的体表电场强度值进行差异化防护分区判定时：

15、若体表电场强度大于安全场强上限阈值，判定为危险区；若体表电场强度大于常规防护场强下限阈值且小于等于安全场强上限阈值，判定为警戒区；若体表电场强度小于等于常规防护场强下限阈值，判定为安全区。

16、进一步优选地，根据所述危险区、警戒区和安全区的划分结果输出差异化防护方案时，按危险区体表外场强相对安全场强上限阈值的倍数分档确定增强措施：

17、体表外场强大于安全场强上限阈值且小于等于两倍安全场强上限阈值时，增加导电布层数；体表外场强大于两倍安全场强上限阈值且小于等于五倍安全场强上限阈值时，增加导电纤维编织密度；体表外场强大于五倍安全场强上限阈值时，加装金属网屏蔽层。

18、进一步优选地，输出差异化防护方案时，按危险区面积与分布确定增强范围：

19、危险区面积不超过包络面表面积的百分之五且呈点状分布时，仅对危险区局部增强并沿增强区域外扩一个网格节点间距；危险区面积超过百分之五或呈连片分布时，对整片区域按对应档位增强并外扩一个网格节点间距；警戒区与危险区交界处相邻一至两个网格节点按相邻危险区档位过渡增强。

20、进一步优选地，根据所述危险区、警戒区和安全区的划分结果输出差异化防护方案时，计算所述三维活动包络面与最近带电体或接地体之间的最小间距，该最小间距为包络面上各网格节点到带电体或接地体表面各离散点距离的最小值，将该最小间距与当前作业电压等级对应的安全规程允许距离比对，若不满足则给出作业位置调整建议。

21、进一步优选地，给出作业位置调整建议时：

22、定位包络面节点对应的人体部位及作业姿态，计算需调整量，指导作业人员减小该方向的活动幅度；调整作业姿态后重新构建活动包络面并计算最小间距，直至满足安全规程允许距离；若因作业任务限制无法通过调整姿态满足要求，则给出补充绝缘遮蔽措施建议。

23、本发明还提出基于活动包络面的变电站带电作业差异化防护系统，包括建模模块、包络面构建模块、电场求解模块、场强映射模块、分区判定模块：

24、建模模块，用于建立变电站作业场景的三维几何模型，确定作业人员的目标作业位置和电位状态；

25、包络面构建模块，用于根据所述目标作业位置和电位状态，以人体各关节的活动极限角度为约束，在三维姿态空间中均匀采样获得人体可达空间点集，并以人体中心为基准点将采样点集中各方向最远可达点利用凸包算法构建三维封闭曲面，生成三维作业活动包络面；

26、电场求解模块，用于根据所述三维几何模型和所述三维作业活动包络面，建立包含作业人员的变电站三维仿真模型，设定各设备的电位边界条件，采用有限元法求解空间电场分布，获得全空间电位与电场强度分布；

27、场强映射模块，用于将所述全空间电场强度数据插值映射至所述三维活动包络面的网格节点上，获得包络面上各节点的体表电场强度值；

28、分区判定模块，用于根据所述包络面各节点的体表电场强度值，设定安全场强上限阈值和常规防护场强下限阈值，将包络面划分为危险区、警戒区和安全区三个不同防护等级区域。

29、进一步优选地，所述包络面构建模块还用于：

30、当作业人员手持作业工具时，以手持点可达位置为基准，结合作业工具的长度及其朝向采样范围获取工具末端可达点集，并将其并入人体可达空间点集，一并构建所述三维活动包络面。

31、本发明还提出一种终端，包括处理器及存储介质：

32、所述存储介质用于存储指令；

33、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行上述方法的步骤。

34、本发明还提出计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

36、1、现有技术在评估变电站带电作业人员电场安全时，主要依赖离散点位的场强校核或统一的安全距离控制，缺乏对作业全过程三维活动空间的连续评估能力。本发明突破了这一局限，创新性地引入了三维作业活动包络面的概念，将人体可达活动范围映射为连续封闭曲面。该方法将评估对象从离散点位扩展到连续空间，全方面覆盖作业人员在作业过程中的所有可达空间位置，有效消除了评估盲区，实现了作业全程电场暴露水平的系统性评估。

37、2、在防护策略方面，传统屏蔽服选型和配置主要按电压等级统一确定，忽略了同一工况下不同身体部位间的场强差异，造成防护过剩或不足。本发明首次实现了基于体表场强定量分布的差异化防护方案生成。通过将包络面场强分布与分区阈值判定相结合，针对性地在场强集中区域（如手尖、肩部、手臂外侧）进行局部增强，而在躯干、腿部等低场强区域保持常规防护。这种重点区域重点防护的策略在确保安全的前提下，降低了屏蔽服的整体重量和作业人员的生理负担。

38、3、本发明建立了适用于地电位、等电位及进出等电位过程的全工况统一评估框架。地电位作业的局部场强集中问题、等电位作业的全身强电场暴露问题、进出等电位过程的场强动态变化问题均可统一纳入活动包络面分析框架，实现了评估方法的一致性和防护方案的系统性。