輸電線路主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)研究

唐曉寧，潘生國(guó)，尚凌智，毛勁松，王新喜嵇大偉，趙偉剛

（1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力公司白城供電公司，吉林 白城 137000；2.杭州捷尚智能電網(wǎng)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)需求的發(fā)展和完善,輸電線路的建設(shè)得到了快速的發(fā)展。但是由于輸電線路所處地理位置和環(huán)境條件具有點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)、暴露在野外的特點(diǎn),因此除了要遭受惡劣自然天氣的侵襲外,還有很多外力破壞引起的線路跳閘、線路被迫停電等事故，而且事故發(fā)生的概率呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)近三分之一的停電事故都是因?yàn)橥饬ζ茐囊鸬?。由于缺少有效的技術(shù)防范手段，此類問題難以得到有效遏制，呈現(xiàn)出越來越惡化的趨勢(shì)，各電壓等級(jí)線路都有發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成了直接威脅[1]。

目前，國(guó)內(nèi)線路防外力破壞工作分別從技術(shù)和管理兩方面著手。技術(shù)手段主要是通過視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控防范輸電通道內(nèi)各種潛在的外力破壞風(fēng)險(xiǎn)隱患，但是，由于輸電線路分布地域十分廣闊，全部進(jìn)行監(jiān)控十分困難。同時(shí)由于缺乏有效的警示、警告功能，實(shí)際應(yīng)用效果一般。在具體的防輸電線路受外力破壞工作中，投入大量人員盯守、巡查等仍是護(hù)電工作的主要手段，由此不僅帶來的人員需求量大、工作效率低、費(fèi)用消耗高等一系列問題，也給護(hù)電工作的有效開展造成了被動(dòng)局面[2]。因此研發(fā)出高效、穩(wěn)定的輸電線路防外力破壞監(jiān)視系統(tǒng)能夠有效減少輸電線路遭受外力破壞事故次數(shù)。

1 防外力破壞技術(shù)分析

近幾年，輸電線路的外力破壞現(xiàn)象不斷地引起國(guó)家電網(wǎng)部門的重視，為了減少類似情況的發(fā)生，國(guó)內(nèi)也陸續(xù)研制出了多種類型的防外力破壞系統(tǒng)，如基于加速度傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于微波感應(yīng)的探測(cè)系統(tǒng)、基于激光的探測(cè)器系統(tǒng)、基于雷達(dá)的探測(cè)器系統(tǒng)等[3]；此外,還有視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng),它也是目前階段應(yīng)用范圍最廣、最多的實(shí)時(shí)預(yù)警防外力破壞系統(tǒng)。

基于加速度傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是利用加速度傳感器收集桿塔被破壞時(shí)受到的撞擊和割據(jù)信號(hào)，再通過濾波器和信號(hào)處理技術(shù)去除雜音，來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電桿塔破壞現(xiàn)象的監(jiān)控。基于微波感應(yīng)的探測(cè)系統(tǒng)，利用微波感應(yīng)原理,探測(cè)輸電線路周圍10 m以內(nèi)的移動(dòng)目標(biāo)并獲取移動(dòng)目標(biāo)信息[4-5]，從而達(dá)到對(duì)輸電線路防外力破壞的在線監(jiān)測(cè)效果。基于雷達(dá)的探測(cè)器系統(tǒng)，主要是根據(jù)多普勒原理而開發(fā)出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它具有靈敏度高、探測(cè)范圍廣的特點(diǎn)?；诩す獾奶綔y(cè)器系統(tǒng)，主要利用激光檢測(cè)高壓線磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化值和激光往返目標(biāo)傳輸所需時(shí)間來確定目標(biāo)物體與輸電線路的位置和距離，并通過預(yù)先設(shè)定的不同等級(jí)安全距離參數(shù)值來進(jìn)行預(yù)測(cè)，超過相應(yīng)等級(jí)的警戒值時(shí)自動(dòng)通過現(xiàn)場(chǎng)高聲響喇叭警報(bào)提示、遠(yuǎn)程警示喊話，這樣能在現(xiàn)場(chǎng)直接阻止危險(xiǎn)目標(biāo)對(duì)輸電線路的破壞，或由調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行后臺(tái)操作處置[6-7]。

本文的主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)，是利用視頻圖像對(duì)輸電線路場(chǎng)景進(jìn)行三維重建，利用前端智能識(shí)別技術(shù)對(duì)大型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的匹配，來確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與輸電線路的位置和距離，同時(shí)設(shè)定3個(gè)級(jí)別安全等級(jí)，不同的等級(jí)會(huì)通過高音喇叭給予相應(yīng)的警示；而且也可以將現(xiàn)場(chǎng)抓拍的報(bào)警圖片實(shí)時(shí)地傳到調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行后臺(tái)處理，由監(jiān)控人員通過文字和圖片的形式提醒施工人員。

2 主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是基于視頻幾何方法的三維重建和前端智能識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路走廊情況，對(duì)危及輸電線路安全的外力破壞提前進(jìn)行預(yù)警，防止重大事故發(fā)生。一旦遭遇外力破壞，現(xiàn)場(chǎng)裝置會(huì)啟動(dòng)語音告警，通過高清相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)抓拍取證，通過3G/WIFI/OPGW光纖網(wǎng)絡(luò)將取證的信息實(shí)時(shí)上報(bào)至后端監(jiān)控系統(tǒng)、并通過微信的方式將告警信息和現(xiàn)場(chǎng)圖片發(fā)送到相關(guān)維護(hù)人員。

輸電線路主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)主要包括前端設(shè)備和后端設(shè)備，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。前端設(shè)備主要包括防外破預(yù)警檢測(cè)單元、語音告警單元、太陽能電源供電單元。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 System Topological Diagram

2.1 防外破預(yù)警檢測(cè)單元

防外破預(yù)警檢測(cè)單元采用一體化低功耗工業(yè)百萬像素高清相機(jī)，基于DSP的快速立體匹配智能防范算法模塊、Wifi、3G/4G無線等通信技術(shù)研發(fā)針對(duì)輸線電路外力破壞預(yù)警檢測(cè)單元，它通過對(duì)輸電線路走廊施工機(jī)械和超高車輛作業(yè)等運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)檢測(cè)收集，并且對(duì)收集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行快速立體匹配智能防范算法的分析處理，判斷，對(duì)有危險(xiǎn)的行為發(fā)出危險(xiǎn)作業(yè)預(yù)警信息，抓拍危險(xiǎn)預(yù)警圖片通過3G/4G無線上傳信息。圖2給出了實(shí)際的檢測(cè)單元設(shè)備及簡(jiǎn)要的功能說明。

圖2 防外破預(yù)警檢測(cè)單元及結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Detection Unit and Structure of Early Warning against outer Force damage

2.2 語音告警單元

語音告警單元是一款將防外破預(yù)警檢測(cè)單元處理危險(xiǎn)預(yù)警告警信息，實(shí)時(shí)快速清晰洪亮的告知輸電線路走廊通過、施工作業(yè)的車輛及船只，語音告警單元具有低功耗、功率大、傳輸距離遠(yuǎn)、安裝方便快捷等特點(diǎn)。

2.3 太陽能電源供電單元

太陽能供電單元在保護(hù)生態(tài)環(huán)境下充分利用新能源、新材料、新技術(shù)，主要由太陽能電池板與鎂基蓄電池組合成電源供電單元，具有重量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比功率大、自放電率低、無污染、性價(jià)比高、安全性好、放電電壓平穩(wěn)、溫度性能好、氣壓特性好、輕巧安裝方便等眾多特點(diǎn)，適用于鐵塔安裝使用。

2.4 后端中心管理單元

后端中心管理單元包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、計(jì)算機(jī)工作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。主要是對(duì)前端預(yù)警信息集中管理處、存儲(chǔ)、發(fā)布工作。該單元可通過客戶端軟件對(duì)端設(shè)備進(jìn)行設(shè)備管理、任務(wù)管理、信息查詢、用戶管理、權(quán)限管理、設(shè)備狀態(tài)、系統(tǒng)設(shè)置、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能管理。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，開發(fā)力度的加大，大型施工機(jī)械對(duì)高壓線路的威脅也越來越大。為了減少這類事故的發(fā)生，研制了一套主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。圖3給出了產(chǎn)品的實(shí)際安裝結(jié)果圖。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.3 Field Installation

在實(shí)踐測(cè)試中，數(shù)據(jù)發(fā)送成功率大于99%，平均無故障時(shí)間35 000 h，異常物體虛報(bào)率小于20%，異常物體漏檢率小于20%。500萬像素高清智能相機(jī)能夠有效監(jiān)視兩級(jí)桿塔之間的輸電線路走廊，視覺監(jiān)視范圍最遠(yuǎn)達(dá)到500 m，寬度達(dá)到50 m，高度達(dá)到40 m（立體監(jiān)視區(qū)域如圖4所示），最小可以檢測(cè)500 m范圍內(nèi)0.4 m×0.4 m大小的物體,而且相機(jī)可同時(shí)監(jiān)控64個(gè)目標(biāo)；桿塔上的主告警裝置語音聲強(qiáng)度不低于100 dB，即使施工人員在環(huán)境噪雜的施工車倉內(nèi)也能聽到告警，并及時(shí)制止對(duì)輸電線路的破壞，同時(shí)也保證了自身的安全。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)，裝置休眠功耗小于0.5 W，運(yùn)行功耗小于10 W，語音喇叭功耗小于15 W，500萬像素相機(jī)功耗小于7 W，主控及通信功耗小于2.5 W，因此選擇了配套的蓄電池和太陽能板，在連續(xù)陰雨一周內(nèi)，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；太陽能板必須面朝南方，以傾角45°安裝，保證太陽能板以最大功率充電。

圖4 輸電線路走廊立體監(jiān)控區(qū)域Fig.4 Stereo Monitoring Area of the Transmission lines

4 結(jié)語

由于不同類型的防外力破壞系統(tǒng)的研發(fā)成功和應(yīng)用,明顯減少了外力破壞導(dǎo)致輸電線路事故的發(fā)生,保證了輸電線路的安全性、提高了供電設(shè)施可靠性。從市場(chǎng)和實(shí)際應(yīng)用中可以看出，視頻監(jiān)控裝置仍然占主流地位，且在不斷地優(yōu)化基礎(chǔ)算法和提出更好的預(yù)測(cè)、分析數(shù)學(xué)模型,提高處理數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，縮短處理時(shí)間，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、智能性，從而滿足未來電網(wǎng)發(fā)展的要求。

主動(dòng)預(yù)警式防外力破壞監(jiān)控系統(tǒng)能有效、快速、智能判斷輸電線路是否有外力破壞行為，并實(shí)時(shí)控制聲光報(bào)警系統(tǒng)，也可以由后臺(tái)監(jiān)控中心通過文字以短信或微信的方式及時(shí)告知施工人員，以便及時(shí)阻止破壞行為的繼續(xù)。而且如有破壞行為發(fā)生能夠及時(shí)抓拍證據(jù)上傳到監(jiān)控中心，并通過信息的方式發(fā)送到維護(hù)人員的手機(jī)上，能夠?qū)Ξa(chǎn)生的故障進(jìn)行及時(shí)的恢復(fù)。

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