輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

趙長春，趙雪松

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130022；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130022）

1 輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

1.1 滿足我國電力發(fā)展需要，減少經(jīng)濟(jì)損失

當(dāng)前，輸電線路塌方監(jiān)測主要依靠人工巡視，巡檢過程中浪費(fèi)大量的人力和物力，且效果不佳。人員在發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)塌方后，不能實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害的連續(xù)性觀測，缺乏提前發(fā)現(xiàn)或監(jiān)測塌方的技術(shù)手段。設(shè)計(jì)出一套健全的輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能降低地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中對人員的依賴，節(jié)約人力、物力以及財力，還可以憑借先進(jìn)的科技手段，監(jiān)測人工無法觸及的領(lǐng)域，確保地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性，既提高災(zāi)后監(jiān)測的效率，也有助于建立科學(xué)的監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，以滿足我國電力發(fā)展和抗災(zāi)救災(zāi)的需要，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)存在較大缺陷

當(dāng)前，國內(nèi)的桿塔基礎(chǔ)塌方監(jiān)測技術(shù)主要有視頻監(jiān)控、桿塔傾斜、覆冰在線監(jiān)測技術(shù)。然而，這幾種監(jiān)測手段均有一定缺陷性，影響塌方監(jiān)測效果。

1.2.1 視頻監(jiān)測系統(tǒng)

電線路視頻在線監(jiān)測技術(shù)被廣泛使用于多種環(huán)境，例如人口眾多且分布密集、交通事故頻發(fā)地帶和動物分布密集的林木區(qū)域。這些區(qū)域的線路監(jiān)測僅依靠人工是無法完成的，唯有通過視頻在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時搜集和記錄輸電路周圍的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，識別有害行為和影響因素，為防治對策的擬制提供依據(jù)。當(dāng)前，我國在輸電線路采用的在線監(jiān)測技術(shù)主要包括視頻采集和壓縮、數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)[1]。運(yùn)用視頻監(jiān)測系統(tǒng)，可對線路周圍的環(huán)境變化情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和記錄，有助于及時找出導(dǎo)致線路受阻的真實(shí)原因，降低安全事故發(fā)生幾率，減少經(jīng)濟(jì)損失，保障線路的安全運(yùn)行。然而，視頻監(jiān)控很難判斷出前期細(xì)微的地質(zhì)變化，僅通過視頻監(jiān)控判斷桿塔基礎(chǔ)塌方的效果不是很好。

1.2.2 桿塔傾斜在線監(jiān)測系統(tǒng)

桿塔是支撐輸電線路的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性會對輸電線路的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。我國幅員遼闊，各地環(huán)境差異較大，如在西北地區(qū)，高壓電線桿塔受地質(zhì)、地表以及外部自然環(huán)境的影響較為明顯，一旦高壓電線桿塔不穩(wěn)，出現(xiàn)傾斜，必然會對輸電線路的安全運(yùn)行造成不利影響。針對此問題，相關(guān)部門利用全球移動通信系統(tǒng)（GSM）實(shí)現(xiàn)對桿塔的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)桿塔傾斜或其他異常情況時，系統(tǒng)及時發(fā)出預(yù)警信號，引起運(yùn)行負(fù)責(zé)人對線路運(yùn)行狀況的關(guān)注，使其及時采取相應(yīng)處理措施，減少因桿塔傾斜引發(fā)的事故，同時可以協(xié)助運(yùn)行部門查找桿塔故障點(diǎn)，指導(dǎo)檢修和維護(hù)。美中不足的是，桿塔傾斜預(yù)警只針對桿塔傾斜，很難做到基礎(chǔ)塌方預(yù)警。

1.2.3 覆冰在線監(jiān)測技術(shù)

覆冰在線監(jiān)測技術(shù)是指在極端惡劣的天氣條件下，對輸電線路覆冰情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。應(yīng)用覆冰在線監(jiān)測技術(shù)，可有效降低斷線、冰閃、倒塔以及舞動等災(zāi)害事故的發(fā)生概率。覆冰在線監(jiān)測技術(shù)的工作原理是監(jiān)測高壓電線的傾斜角度和弧垂，計(jì)算覆冰的厚度和重量，并判斷覆冰等級，確定是否需要發(fā)出除冰預(yù)警信號[2]。

綜上所述，當(dāng)前建筑工程上雖然具備成熟的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，但由于設(shè)備過于繁雜，并不能完全適用于輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方監(jiān)測，且在數(shù)據(jù)傳輸量、信號強(qiáng)度和現(xiàn)場視頻自由控制方面存在較大問題。因此，應(yīng)借鑒已有的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)，自主研發(fā)出一套符合輸電線路特色的輸電桿塔基礎(chǔ)塌方在線監(jiān)測裝置。

2 輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)

2.1 理論基礎(chǔ)

傳感器又稱一次儀表,是將一種物理量轉(zhuǎn)換為另一種物理量的設(shè)備。傳感器的輸入信號為待測物理量，如溫度、密度、壓力、電阻率和距離等，輸出信號則為可以被二次儀表或計(jì)算機(jī)接收的物理量，如電流、電壓和電阻等。憑借在桿塔基礎(chǔ)附近埋設(shè)能監(jiān)測出地質(zhì)現(xiàn)象變化的傳感器（要能監(jiān)測桿塔基礎(chǔ)土壤應(yīng)力和地表絕對唯一參數(shù)），在桿塔橫擔(dān)附近安裝能監(jiān)測雨量和風(fēng)速變化的傳感器，當(dāng)雨量和風(fēng)速的變化超過一定的閥值，即可認(rèn)定該基桿塔存在塌方風(fēng)險，結(jié)合地質(zhì)傳感器采集參數(shù)對桿塔基礎(chǔ)塌方做出預(yù)警。

2.2 實(shí)踐基礎(chǔ)

當(dāng)前，我國電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用視頻監(jiān)控或桿塔傾斜等間接手段判斷桿塔基礎(chǔ)塌方。然而，視頻監(jiān)控很難判斷出前期細(xì)微的地質(zhì)變化，桿塔傾斜預(yù)警也只是在桿塔發(fā)生傾斜時預(yù)警，不能做到基礎(chǔ)塌方預(yù)警。鑒于上述問題的存在與桿塔基礎(chǔ)塌方監(jiān)測嚴(yán)格的技術(shù)要求，相關(guān)人員提出以地質(zhì)現(xiàn)象變化傳感器結(jié)合傳統(tǒng)判斷防外破方法的在線監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)。視頻監(jiān)控和桿塔傾斜等間接技術(shù)手段也為新型在線監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想

3.1 設(shè)計(jì)原理

在桿塔基礎(chǔ)附近埋設(shè)能監(jiān)測出地質(zhì)現(xiàn)象變化的傳感器（要能監(jiān)測桿塔基礎(chǔ)土壤應(yīng)力、地表絕對唯一等參數(shù)），在桿塔橫擔(dān)附近安裝能監(jiān)測雨量、風(fēng)速變化的傳感器，當(dāng)雨量和風(fēng)速的變化超過一定的閥值，即認(rèn)為該基桿塔存在塌方的風(fēng)險，自動將報警數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至相關(guān)人員。同時，在桿塔的塔材上安裝能監(jiān)測出桿塔傾斜的傳感器，結(jié)合桿塔基礎(chǔ)附近地質(zhì)現(xiàn)象變化的參數(shù)、桿塔傾斜的參數(shù)和雨量風(fēng)速的變化量，為塌方后的持續(xù)性監(jiān)測提供依據(jù).

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1 遠(yuǎn)方視頻數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)

終端主要包括檢測裝置、主控裝置和供電裝置。其中，檢測裝置又包括地址現(xiàn)象變化傳感器、高清球機(jī)、傾角傳感器和微氣象傳感器；主控裝置包括綜合數(shù)據(jù)處理單元和智能電源控制器；供電裝置則包括蓄電池、太陽能板以及微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

3.2.2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人員在建設(shè)輸電線路視頻監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境情況、現(xiàn)有設(shè)施情況、預(yù)算成本以及工程周期，采用靈活多樣的通信接入和中繼方式，實(shí)現(xiàn)終端裝置與系統(tǒng)主站之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2.3 主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

輸電線路防外力破壞智能預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)建立完全獨(dú)立的主站系統(tǒng)，同時保證電氣提供相應(yīng)的SDK開發(fā)包（ 目前僅支持Windows Server 2008），實(shí)現(xiàn)與第三方主站系統(tǒng)的集成。遠(yuǎn)方終端系統(tǒng)可選擇通過OPGW直接接入企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)，也可通過4G移動蜂窩網(wǎng)借助安全信息平臺接入局域網(wǎng)。局域網(wǎng)內(nèi)用戶可憑借相應(yīng)的預(yù)設(shè)賬號，采用IE瀏覽方式訪問主站系統(tǒng)的Web服務(wù)器，也可借助安全信息接入平臺認(rèn)證智能手機(jī)或其他移動終端，登錄預(yù)設(shè)帳號，采用IE瀏覽方式訪問主站系統(tǒng)的Web服務(wù)器。

3.3 技術(shù)參數(shù)

3.3.1 遠(yuǎn)方視頻數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)

首先，就工作環(huán)境而言，環(huán)境溫度要求保持在-40～+75 ℃范圍，相對濕度保持在5%～100% RH范圍，大氣壓力則要滿足550～1 060 hPa的基本條件。其次，設(shè)備的使用壽命至少要有8年。此外，遠(yuǎn)方視頻數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)中重要的技術(shù)參數(shù)包括主控裝置和攝像機(jī)傳感器的技術(shù)參數(shù)，其性能的好壞直接決定視頻的清晰度和運(yùn)轉(zhuǎn)的長久性，是真實(shí)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)條件。主控裝置包括綜合數(shù)據(jù)采集單元和智能電源控制器兩部分，其中，綜合數(shù)據(jù)采集單元用于圖像信息采集、儲存和識別。整個裝置外箱采用400×360×220（單位mm），機(jī)箱整體重量（含電池和內(nèi)部模塊）需要控制在15 kg以內(nèi)，過重不利于保證機(jī)體長時間懸掛狀態(tài)下的穩(wěn)定性。整體材料最好選用304不銹鋼，在風(fēng)吹日曬的環(huán)境中也能夠防腐防氧化，得以長時間保存，且出于安全角度考慮，需要抓扣掛裝，加裝安全防護(hù)。整機(jī)在線功耗控制在280 mW以內(nèi)，最大工作功耗控制在450 mW以內(nèi)。圖像和視頻儲存格式需要支持jpg格式和H.264格式。為確保數(shù)據(jù)搜集工作的完整性，視頻記錄存儲時間應(yīng)設(shè)置在30 min以上，保障數(shù)據(jù)搜集的完整和后續(xù)傳輸過程的正常運(yùn)行。存儲容量設(shè)置為2～64 GB可選，可根據(jù)后續(xù)監(jiān)測工作的需要進(jìn)行實(shí)時調(diào)整和設(shè)置。負(fù)載供電電壓需要達(dá)到DC 12±0.2 V的標(biāo)準(zhǔn)，供電電壓達(dá)到DC 12 V，才能滿足基本工作需要。最大輸出功率應(yīng)達(dá)到100 W，可設(shè)置浮充電流或電壓保護(hù)門限、蓄電池低電壓保護(hù)門限、負(fù)載電流或電壓保護(hù)門限以及電源與負(fù)載關(guān)斷定時時間。符合上述技術(shù)水準(zhǔn)的遠(yuǎn)方視頻數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)不僅具有較好的圖片和視頻信息搜集、存儲與識別功能，也為后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸工作留足時間，是整個線路桿塔基礎(chǔ)塌方在線監(jiān)測穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。

3.3.2 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)

通常，該監(jiān)測系統(tǒng)所使用的通信系統(tǒng)應(yīng)保證使用壽命在10年以上，平均無故障工作時間達(dá)到25 000 h以上，平均數(shù)據(jù)缺失率控制在1%以內(nèi)，對數(shù)據(jù)的完整性要求極高，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和及時性。此外，通信系統(tǒng)使用的環(huán)境需要固定在溫度-40～+45 ℃、濕度5%～95%，且在無冷凝的自然環(huán)境中，防護(hù)等級需要達(dá)到IP65，才能確保設(shè)備的正常運(yùn)用和長期使用。

3.3.3 主站系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

用戶終端系統(tǒng)接入主要涉及數(shù)據(jù)通信和服務(wù)器。就數(shù)據(jù)通信設(shè)備而言，應(yīng)使用電信VPN專網(wǎng)，固定IP，構(gòu)建20 M以上的雙向數(shù)據(jù)寬帶，保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的通暢性和穩(wěn)定性，防火墻可直接采用中國電信企業(yè)防火墻。就服務(wù)器而言，型號建議使用IBM System x3850 X5，4U機(jī)架式，CPU采用X86，Intel Xeon E7-4807數(shù)量要達(dá)到4個，容量達(dá)到1 TB，硬盤容量至少需要4.8 TB，網(wǎng)絡(luò)控制器采用雙千兆以太網(wǎng)。主站系統(tǒng)設(shè)備是整個監(jiān)測系統(tǒng)中最主要的硬件，決定數(shù)據(jù)儲存的容量和時間，只有建立最優(yōu)配置，才能確保監(jiān)測數(shù)據(jù)得到長期保存，為監(jiān)測預(yù)警機(jī)制的建立和完善提供參考，奠定必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

開展輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅符合我國電力發(fā)展要求，也可有效彌補(bǔ)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)存在的缺陷。筆者從設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)三個方面論述輸電線路桿塔基礎(chǔ)塌方視頻監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，旨在為監(jiān)測預(yù)警機(jī)制的建立與完善提供參考。