基于無線自組網(wǎng)的輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)研究

岳一石，王成，李根，祝迪，周衛(wèi)華，張命強

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司株洲市供電分公司，湖南株洲412000；3.湖南省電網(wǎng)工程公司，湖南衡陽421002)

基于無線自組網(wǎng)的輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)研究

岳一石1，王成1，李根2，祝迪3，周衛(wèi)華1，張命強3

（1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司株洲市供電分公司，湖南株洲412000；3.湖南省電網(wǎng)工程公司，湖南衡陽421002)

為解決現(xiàn)有架空輸電線路通道人工巡視效率較低的問題，本文基于無線自組網(wǎng)技術(shù)，研制了輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)，簡述了其系統(tǒng)原理與技術(shù)特點，詳細介紹了監(jiān)測裝置各模塊的具體設(shè)計方法。系統(tǒng)運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)終端裝置能夠有效采集輸電線路通道的視頻信息，通過無線自組網(wǎng)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的安全高效傳輸，大幅降低通信費用，運行人員在監(jiān)控中心站可及時掌握對線路絕緣子及通道情況，大大提升了輸電線路運維效率。

線路巡視；無線自組網(wǎng)；輸電線路；視頻監(jiān)測；網(wǎng)橋

架空輸電線路定期巡視，能夠發(fā)現(xiàn)和消除通道內(nèi)樹竹、外力破壞點等隱患，是保障架空輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要措施〔1〕。隨著輸電線路的快速發(fā)展，越來越多的輸電線路架設(shè)在山地、丘陵等復(fù)雜地形區(qū)域，交通不便給運行人員的巡視工作帶來諸多不便。同時，定期巡視存在巡視周期內(nèi)的盲區(qū)問題，無法及時獲知兩次巡視間輸電線路及通道狀態(tài)的變化〔2〕，為架空輸電線路的安全穩(wěn)定運行帶來了極大隱患。

視頻/圖像監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)架空輸電線路設(shè)備及通道的實時監(jiān)測〔3－4〕，在人員難以到達區(qū)段或者重點監(jiān)控區(qū)段安裝視頻/圖像監(jiān)測裝置，運行人員可隨時調(diào)取圖像或視頻信息，及時獲取桿塔或通道狀態(tài)，大大減少運行人員的工作量，利于及時發(fā)現(xiàn)隱患，提高了隱患處理的效率。目前輸電線路視頻/圖像監(jiān)測系統(tǒng)均采用3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸〔5－7〕，山區(qū)較差的移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境導(dǎo)致信號傳輸可靠性差，同時存在安全性差、通信費用高等問題。

針對目前輸電線路視頻/圖像監(jiān)測系統(tǒng)的不足，研發(fā)了一套基于無線自組網(wǎng)的輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)原理進行了詳細介紹，然后對監(jiān)測裝置各功能模塊設(shè)計進行了闡述，最后對系統(tǒng)應(yīng)用進行了介紹。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用5.8 GHz無線網(wǎng)橋方式〔8〕，實現(xiàn)輸電線路全線各監(jiān)測裝置的互聯(lián)通信〔9〕，如圖1所示。線路上各監(jiān)測裝置均安裝有5.8 GHz芯片，通過網(wǎng)橋的點對多點方式進行級聯(lián)橋接組網(wǎng)，采用環(huán)路無縫對接的加密無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，每一個監(jiān)控點既做發(fā)送點也做接收點。監(jiān)控點CAM1將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控點CAM2，CAM2接收CAM1監(jiān)測數(shù)據(jù)后，向CAM1發(fā)送接收成功信號，同時將本機監(jiān)測數(shù)據(jù)以及CAM1監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)傳輸至CAM3。當(dāng)CAM2出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，CAM1未收到CAM2所發(fā)送接收成功信號時，CAM1將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至CAM3監(jiān)控點，實現(xiàn)鏈路數(shù)據(jù)傳輸。線路終端監(jiān)控點接收到前一級數(shù)據(jù)后，將鏈路上各監(jiān)測點數(shù)據(jù)通過電力專網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端。

圖1 系統(tǒng)原理

各監(jiān)測裝置通過監(jiān)控中心向鏈路上各裝置發(fā)送主動邀請控制指令或定時發(fā)送的方式，將遠程無人值守或巡線人員無法到達的現(xiàn)場圖片、視頻數(shù)據(jù)傳輸至中心站監(jiān)測服務(wù)器，運行人員在監(jiān)控中心可以實時查看線路現(xiàn)場畫面，獲取輸電線路現(xiàn)場的實時視頻信息，實現(xiàn)對輸電線路的遠程實時在線巡檢。

2 監(jiān)測裝置設(shè)計

監(jiān)測裝置安裝于導(dǎo)線上，采用導(dǎo)線等電位取能方式，實現(xiàn)輸電通道視頻監(jiān)測與組網(wǎng)傳輸功能。主要包含攝像頭、視頻編碼模塊、無線通信模塊、傳輸天線及取能模塊，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

2.1 視頻編碼模塊

視頻編碼模塊具備遠程受控視頻信號采集、處理和傳輸功能。監(jiān)控攝像頭采集輸電線路、塔桿及塔基的現(xiàn)場狀況視頻信號后，將視頻數(shù)據(jù)送入視頻編碼模塊。

視頻編碼模塊采用華為海思Hi3515處理器加TW2866視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器組合方案，前端及后端攝像頭采集視頻信號以CVBS信號格式輸入TW2866。TW2866將兩路PAL視頻信號合成一路4D1BT.656，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過BT.656接口輸入到Hi3515處理器。Hi3515處理器收到視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理后，進行H.264編碼，編輯成10 s的小視頻輸出，同時實現(xiàn)抗閃爍處理、視頻圖像縮放、視頻的編碼運算等功能。

Hi3515處理器將編碼視頻數(shù)據(jù)傳至無線通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出。同時，Hi3515處理器處理無線通信模塊接收監(jiān)控中心控制命令，實現(xiàn)監(jiān)控攝像頭自動對焦、白平衡等功能。

2.2 無線通信模塊

無線自組網(wǎng)模核心設(shè)計塊采用AR7240加AR9280架構(gòu)，通過定向天線收發(fā)相鄰監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，每一個無線通信模塊將各監(jiān)測裝置構(gòu)成局域網(wǎng)鏈路。

AR7240采用以存儲器為中心的架構(gòu)，與AR9280的802.11n MAC/基帶/射頻芯片協(xié)同工作，實現(xiàn)802.11 a/b/g/n無線網(wǎng)絡(luò)性能。AR9280實現(xiàn)2.4 GHz和5 GHz 802.11n無線局域網(wǎng)(WLAN)的要求，集成基帶處理器，可實現(xiàn)低功耗無線路由。

無線通信系統(tǒng)容易受到電磁環(huán)境、多徑效應(yīng)的影響，為了保證通信系統(tǒng)的可靠性，需要對系統(tǒng)增益進行余量計算，無線信號空氣傳播如圖3所示。

圖3 無線信號空氣傳播示意圖

其中發(fā)射器發(fā)射功率為Pout，發(fā)射端饋線損耗為Ct，發(fā)射端天線增益為Gt，空氣的信號衰減PL，接收端天線增益Gr，接收端的饋線損耗為Cr，接收端的信號強度為Si，則接收端的信號接收強度計算為:

電磁波在空氣傳輸時的信號衰減可以表示為:

其中F為信號頻率(MHz)，D為傳輸距離(km)，采用5.8 GHz頻率的網(wǎng)橋組網(wǎng)，式(2)可以表達為:

采用AR7240加AR9280方案網(wǎng)橋，最大輸出功率Pout為20 dBm，天線采用內(nèi)置集成定向天線，信號無損耗，因此Cr和Ct均為0，接收點采用14 dBi定向天線。當(dāng)CAM1和CAM3之間的距離為1 km，接收的信號強度Si為－60 dBm，系統(tǒng)AR7240加AR9280網(wǎng)橋的接收靈敏度為－73 dBm，滿足信號傳輸要求。網(wǎng)橋的接收靈敏度越小，在發(fā)射端網(wǎng)橋信號覆蓋范圍內(nèi)，接收信號越好，誤碼率越低。AR7240加AR9280的接收靈敏度－73 dBm，表征其接收端最小能識別－73 dBm功率的發(fā)射信號，在該信號強度下，接收的數(shù)據(jù)準確率達99%以上，因此當(dāng)接收信號強度為－60 dBm時，網(wǎng)橋能準確接收到不丟包的數(shù)據(jù)。

2.3 傳輸天線

傳輸天線采用內(nèi)置集成定向天線設(shè)計，發(fā)射天線輻射的電磁波能量指向上、下級監(jiān)測裝置。接收天線設(shè)計為定向接收來自上、下級監(jiān)測裝置方向的電磁波。為了應(yīng)對山區(qū)等地形對信號傳輸帶來的影響，天線采用雙極化設(shè)計以提高增益，設(shè)計時將垂直平面的半功率角控制得越小，偏離主波束方向時信號衰減得越快，越容易調(diào)整天線傾角和準確控制覆蓋范圍。

2.4 取能模塊

系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理，通過硅鋼材料耦合線圈獲取導(dǎo)線電流產(chǎn)生的交變磁場能量，將磁場能轉(zhuǎn)化為電能。鐵芯線圈輸出經(jīng)過整流橋?qū)⒏袘?yīng)到的交流電流整流為直流電流，將經(jīng)過濾波電路處理后的直流電送入穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓?？蛰d狀態(tài)時，使用過充保護電路對鋰電池進行充電；負載狀態(tài)時，取能模塊在輸出負載模塊所需要的電壓，對負載模塊進行供電的同時，向鋰電池進行充電。當(dāng)輸電導(dǎo)線上的電流不足時，可由鋰電池經(jīng)過保護電路對負載進行供電。此外，在整流輸出端設(shè)置了過壓過流保護電路，避免過壓過流對整個負載模塊造成損害。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

輸電線路上各基桿塔監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線自組網(wǎng)傳輸至服務(wù)器后，視頻監(jiān)測平臺作為終端部分實現(xiàn)監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)的展示以及各監(jiān)測終端的控制，如圖4所示。

圖4 輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)主界面

通過設(shè)置某條輸電線路視頻的采集時間、視頻時長、采集間隔等參數(shù)，可以實現(xiàn)輸電線路上整線或指定區(qū)段桿塔視頻數(shù)據(jù)的定時采集和發(fā)送。同時，通過實時采集視頻數(shù)據(jù)功能，觸發(fā)各監(jiān)測裝置采集該時刻視頻數(shù)據(jù)，并通過無線自組網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送。

當(dāng)線路中存在 “三跨”、外破等隱患點時，可以通過在隱患點附近導(dǎo)線安裝監(jiān)測裝置，實現(xiàn)外破等隱患點的監(jiān)控。運行人員在監(jiān)控中心就可以全面掌握線路通道、 “三跨”區(qū)段或外破隱患點的情況，及時了解現(xiàn)場信息，快速發(fā)現(xiàn)故障隱患，迅速實現(xiàn)現(xiàn)場復(fù)核和及時消缺，大大提高了輸電線路運維人員的工作效率和技術(shù)水平。

4 結(jié)論

1)針對目前架空輸電線路基于3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測系統(tǒng)通信費用高、信號穩(wěn)定性差等不足，研制了一套基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)，利用5.8 GHz無線網(wǎng)橋方式實現(xiàn)輸電線路全線各監(jiān)測裝置的通信自組網(wǎng)，通信速率高、安全性好，通信費用大幅降低。

2)該系統(tǒng)可實現(xiàn)線路走廊、 “三跨”區(qū)段、外破、山火隱患點等重點區(qū)段的實時監(jiān)測，便于運行人員及時了解現(xiàn)場信息，大大提高了輸電線路運維人員的工作效率。

〔1〕童達，李達，王杰.輸電線路狀態(tài)巡視周期的季節(jié)性因素分析〔J〕.設(shè)備管理與維修，2016(8):26-27.

〔2〕徐家勇.輸電線路狀態(tài)檢修 〔J〕.云南電力技術(shù)，2009，37 (6):23-24.

〔3〕廖敏.基于3G的輸電線路視頻監(jiān)視系統(tǒng)的實現(xiàn) 〔J〕.電力系統(tǒng)通信，2012，33(7):63-65.

〔4〕周偉才，譚衛(wèi)成.高壓架空輸電線路視頻在線監(jiān)測系統(tǒng)研究〔J〕.廣東電力，2011，24(7):41-44.

〔5〕鐘運平，程小華，戴棟，等.基于ZigBee技術(shù)輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究 〔J〕.電測與儀表，2013(5):105-109.

〔6〕張予，胡曉黎，肖運東，等.輸電線路冰風(fēng)圖像監(jiān)測系統(tǒng)〔J〕.電瓷避雷器，2008(6):13-16.

〔7〕王炫，李紅，叢琳.基于無線通信和光通信的高壓輸電線路監(jiān)測系統(tǒng) 〔J〕.電網(wǎng)技術(shù)，2009(18):198-203.

〔8〕劉作學(xué)，代健美.WiFi－Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述〔J〕.裝備學(xué)院學(xué)報，2016，27(2):95-101.

〔9〕張健，華巧.5.8 G無線寬帶技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析 〔J〕.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2005，20(4):9-13.

Research on Transmission Line Video Monitoring System Based on Wireless Ad Hoc Network

YUE Yishi1，WANG Cheng1，LI Gen2，ZHU Di3，ZHOU Weihua1，ZHANG Mingqiang3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Zhuzhou Power Supply Company，Zhuzhou 412000，China；3.Hunan Power Grid Engineering Company，Hengyang 421002，China)

In order to solve the problem of low efficiency generated by manual inspection of existing overhead transmission channel，a transmission line video monitoring system is developed based on wireless ad hoc network，the composition and the technical features of which is described，and the designation of the on-line monitoring unit is introduced in detail.The running results show that the videos of the transmission channel can be monitored by monitoring units.The video data can be transferred by wireless ad hoc network safely and efficiently and the communication costs are reduced significantly.The operators in the monitoring center can grasp the state of the line insulators and channels timely，the efficiency of operation and maintenance of the transmission line is enhanced greatly.

transmission line patrol；wireless ad hoc network；transmission line；video monitoring；network bridge

TM72

B

1008-0198(2017)04-0001-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.001

2017-03-23

岳一石(1986)，男，博士，工程師，主要從事高壓輸電線路防雷、在線監(jiān)測方面的研究。