一種多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀★

周健廷

（山西天脊煤化工集團(tuán)有限公司， 山西 長治 047500）

引言

隨著我國電力設(shè)施的持續(xù)大力投建，輸電線路的建設(shè)得到了長足發(fā)展。輸電線路有著點(diǎn)多線長面廣野外的特點(diǎn)，猶如人體大動脈般廣泛分布于鄉(xiāng)郊野外，電力部門及企業(yè)或無法對其實(shí)時監(jiān)控。而外力破壞具有相當(dāng)大的隱蔽性和隨意性，這就決定了輸電線路外力破壞根治的艱巨性和長期性。有統(tǒng)計(jì)顯示，目前輸電線路由于外力破壞次數(shù)約占輸電線路跳閘總次數(shù)的40%左右，主要表現(xiàn)為違章施工、異物碰線兩種形式，其中以因違章施工導(dǎo)致吊車、塔吊及渣土車等大型機(jī)械碰觸帶電導(dǎo)線對輸電線路的危害最大。各種因素疊加造成的外線破壞隱患和事故，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1 多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀構(gòu)造

一種多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀，包括預(yù)警儀本體和為在線監(jiān)測預(yù)警儀供電的太陽能電池板，還包括：單片機(jī)、固定在預(yù)警儀本體上的雷達(dá)組件、紅外線在線檢測儀和沉降水準(zhǔn)器、連接在預(yù)警儀本體上的傾斜探測器和網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)、用于將在線監(jiān)測預(yù)警儀與高壓桿塔角鋼相連接的卡固機(jī)構(gòu)；所述雷達(dá)組件包括雷達(dá)探測器和控制雷達(dá)探測器休眠與否的繼電器，所述雷達(dá)探測器輸出信號端與繼電器的輸入信號端連接，繼電器的輸出信號端與單片機(jī)輸入信號端連接；所述紅外線在線檢測儀、沉降水準(zhǔn)器、傾斜探測器的輸出信號端分別與單片機(jī)的輸入信號端連接，所述單片機(jī)輸出信號通過信號傳輸?shù)娇蛻舳?，即所述單片機(jī)將數(shù)據(jù)收集后，其輸出信號通過網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)散發(fā)的無線信號將收集的數(shù)據(jù)發(fā)射到電腦/手機(jī)/平板客戶端或客戶端后臺。

該系統(tǒng)包括連接在預(yù)警儀本體上的次聲波發(fā)生器和可播放報警聲音的喇叭，單片機(jī)的輸出信號可以分別與所述次聲波發(fā)生器、可播放報警聲音的喇叭的輸入端電信號連接；次聲波發(fā)生器為IC555-P型次聲波發(fā)生器，發(fā)生頻率為10 Hz；太陽能電池板為SPCE061A單片機(jī)供給電源；單片機(jī)為SPCE061A單片機(jī)；繼電器為37G13-50001AMP型繼電器；雷達(dá)探測器為RCWL-0516型雷達(dá)探測器；傾斜探測器為SVT627T型傾斜探測器；對稱設(shè)置在預(yù)警儀本體兩側(cè)交替爆閃的紅、藍(lán)LED燈珠與單片機(jī)輸出端信號連接。搭載TAYB0620-30NB型紅外線在線監(jiān)測儀，檢測儀本體的兩側(cè)各設(shè)一個，且外置安裝于預(yù)警儀雷達(dá)探測器的正下方，用于發(fā)射接收或紅外線，其中，一側(cè)將紅外線發(fā)射至對面桿塔，另一側(cè)接收對面桿塔發(fā)射過來的紅外線，其紅外有效作用范圍為直線距離250 m。搭載YSA-P4GD-TYN-P型攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)，具有360°旋轉(zhuǎn)，無線傳輸和熱點(diǎn)連接電腦、手機(jī)、平板燈等客戶端功能，可安裝使用MicroShare軟件，適用于 Windows、Android、iOS、MAC OS等多種操作系統(tǒng)。還包括風(fēng)力桿件，風(fēng)力桿件可以自然風(fēng)力為動力，在支架上安裝三個相隔120°的風(fēng)碗，在風(fēng)碗上加裝鏡片，風(fēng)輪在風(fēng)力推動的作用下轉(zhuǎn)動。卡固機(jī)構(gòu)為設(shè)置在所述預(yù)警儀本體底部的螺孔螺栓組件、或卡槽件。太陽能電池板為單片機(jī)、雷達(dá)組件、紅外線在線監(jiān)測儀、傾斜探測器、沉降水準(zhǔn)器供給電源。產(chǎn)品外觀及各部分組成如下頁圖1所示。

2 工作原理

正常情況下，紅外線探測儀發(fā)射端發(fā)射紅外線，接收端正常接收，系統(tǒng)不報警。當(dāng)有異物接近時，遮斷了紅外線探測儀發(fā)射端發(fā)出的光速，使接收端不能正常接收，紅外線距離高壓線還有1～3 m的距離，因此紅外線被遮斷就需要高度警惕，預(yù)警儀探測到異物信息后將信號傳到單片機(jī)上，單片機(jī)將信號通過信號傳輸?shù)娇蛻舳?，同時單片機(jī)發(fā)出指令控制預(yù)警儀LED燈爆閃，發(fā)出預(yù)警聲音，揚(yáng)聲器喇叭播放“高壓危險，請勿靠近”提示音，直至異物遠(yuǎn)離，不構(gòu)成紅外遮斷，則預(yù)警儀進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。

圖1 多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際上，由于高壓線路較長，高壓塔桿上設(shè)有上百個上述重復(fù)的多功能高壓線路在線監(jiān)測預(yù)警儀單元，每個多功能高壓線路在線監(jiān)測預(yù)警儀單元左右分別對稱設(shè)有紅外發(fā)射器，若干個紅外發(fā)射器的工作原理為：采用脈動式紅外光束，紅外光不間歇地1 s發(fā)出4道光束，有效對射距離為250 m。利用光束遮斷方式作探測：當(dāng)有移動物體橫跨過監(jiān)控防護(hù)區(qū)時，遮斷不可見的紅外線光束而引發(fā)警報；紅外發(fā)射器需要成對使用，一個發(fā)射，一個接收，第一臺多功能高壓線路在線監(jiān)測預(yù)警儀右側(cè)的紅外發(fā)射器的發(fā)射器發(fā)出4束紅外光，形成警戒線，有物體通過，光線被遮擋，第二臺多功能高壓線路在線監(jiān)測預(yù)警儀左側(cè)的紅外發(fā)射器的接收器信號發(fā)生變化，放大處理后報警，經(jīng)單片機(jī)處理，通過光束遮斷時間進(jìn)行數(shù)據(jù)分析判斷是否為異物，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)傳輸?shù)娇蛻舳撕笈_；紅外線在線監(jiān)測儀的發(fā)射器和接收器部分要選擇合適的響應(yīng)時間：太短容易引起不必要的干擾，如小鳥飛過等，其穿過時間一般不會超過1 s；太長會發(fā)生漏報。故通常以10 m/s的速度來確定最短遮光時間。若吊車吊臂的寬度為1 m，當(dāng)其接近紅外探測器的探測范圍內(nèi)時，則最短遮斷時間為20 ms。大于2 s報警，小于2 s不報警。紅外對射探測器主要應(yīng)用于距離比較遠(yuǎn)的桿塔、圍墻、樓體等建筑物，與紅外對射柵欄相比，他的防雨、防塵、抗干擾等能力更強(qiáng)。

本系統(tǒng)搭載SVT627T型傾斜探測器， 其工作原理是：通過建立并驗(yàn)證輸電線路導(dǎo)線傾斜角、絕緣子桿塔傾斜角、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向等環(huán)境信息之間的各種理論計(jì)算模型，并結(jié)合專家知識庫，給出桿塔傾斜情況，通過單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸?shù)娇蛻舳撕笈_，從而提高系統(tǒng)計(jì)算的精度。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳撕笈_，電力調(diào)度運(yùn)行人員可根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)來判斷桿塔是否有傾斜，同時及時給出搶修信息。例如，在監(jiān)測過程中，當(dāng)桿塔傾斜角度出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)便能夠通過及時將告警信息發(fā)送給后臺，電力調(diào)度人員看到后對線路運(yùn)行狀況予以關(guān)注，并采取相應(yīng)的處置措施。

本系統(tǒng)也具有驅(qū)逐的工作能力：當(dāng)有鳥類飛過或風(fēng)箏掠過，雷達(dá)探測器捕獲移動物體信息，轉(zhuǎn)化為電信號，觸發(fā)37G13-50001AMP型繼電器，其向SPCE061A單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出電信號指令，使SPCE061A單片機(jī)系統(tǒng)同時觸發(fā)次聲波發(fā)生器發(fā)出10 Hz次聲波、LED爆閃燈高頻閃動、可播放報警聲音的喇叭發(fā)出鳥類恐懼聲響、預(yù)警提示音；配合風(fēng)力桿件旋轉(zhuǎn)進(jìn)行驅(qū)逐；通過攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)的可控攝像頭監(jiān)控與攝像頭語音系統(tǒng)也可以進(jìn)行驅(qū)趕，以達(dá)到驅(qū)逐危險行為的目的。當(dāng)5 min內(nèi)未探測到危險行為，則轉(zhuǎn)入休眠模式，直到下次危險行為靠近再次觸發(fā)工作；其中，危險行為包括檢修作業(yè)施工不安全行為、吊車、塔吊及渣土車等大型機(jī)械誤操作致使碰觸線路行為；鳥類活動造成的高壓線路短路或閃絡(luò)行為；故意偷盜電力設(shè)施引發(fā)的線路損害和人身傷亡行為等。以110 kV高壓線路桿塔為例，桿塔高度多為12～18 m，預(yù)警儀安裝高度一般為10 m左右，可保證在以預(yù)警儀為球心、半徑為10 m的360°球面范圍內(nèi)。當(dāng)探測到鳥類等生物通過時，達(dá)到雷達(dá)探測范圍，預(yù)警儀工作；當(dāng)桿塔下面人類等牲畜通過時，達(dá)不到雷達(dá)探測范圍，預(yù)警儀不工作。

YSA-P4GD-TYN-P型攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)與SPCE061A單片機(jī)系統(tǒng)相對獨(dú)立，攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)具有獨(dú)立的太陽能電池板提供電源，戶外防雨防水，語音對講，內(nèi)置高清降噪拾音器和大音量喇叭，通過APP可以進(jìn)行遠(yuǎn)程對講；視頻監(jiān)聽，錄像的同時也在錄音，清晰降噪監(jiān)聽。YSA-P4GD-TYN-P型攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)可與網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)連接，網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)可以使用WIFI或標(biāo)準(zhǔn)大小SIM流量卡，采用工業(yè)級路由器，室外防水IP65，有熱點(diǎn)可以中繼，儲能鋰電池為11 Ah，太陽能電池板為單晶硅11 W/3.8 V，該路由器可同時連接256臺攝像頭或用戶設(shè)備。這樣只要接收者客戶端手機(jī)或電腦或平板聯(lián)網(wǎng)，不管國內(nèi)國外，無論家中單位，只要使用手機(jī)、電腦連接互聯(lián)網(wǎng)或4G/5G網(wǎng)絡(luò)，都能隨時隨地看到桿塔上的實(shí)時情況。具有長時間待機(jī)功能。攝像頭功耗低，在太陽能電池充滿（晴天正常情況電池充滿時間為8 h）狀態(tài)下陰雨天氣可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電10 d，智能工作模式下最長可達(dá)到180 d。非常適合電力系統(tǒng)的“春檢-秋檢”頻率。具有AP熱點(diǎn)功能。攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)發(fā)出AP熱點(diǎn)后，手機(jī)可以直接連接該熱點(diǎn)，點(diǎn)開MicroShare APP，就可以查看圖像，并可以進(jìn)行圖像清晰度調(diào)節(jié)、錄像回放查詢等功能。系統(tǒng)自帶AP熱點(diǎn)功能，可在無WIFI、無4G/5G網(wǎng)絡(luò)情況下，手機(jī)可接訪問攝像頭的功能。距離不宜超過20 m，在桿塔下可實(shí)時觀測。電腦客戶端同理，AP熱點(diǎn)直連可同時支持256臺電腦或手機(jī)同時訪問。具有WIFI連接功能，攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)還可以連接普通路由器散發(fā)的WIFI，可連接工業(yè)路由器散發(fā)的熱點(diǎn)。具有實(shí)時監(jiān)控回放功能，打開客戶端即可遠(yuǎn)程查看錄像文件，智能選擇錄像回放節(jié)點(diǎn)，輕輕松松了解過去發(fā)生的一切。攝像頭清晰度為1080P，可選高清、標(biāo)清、流暢制式。錄影錄像，重要節(jié)點(diǎn)標(biāo)記。具有紅外夜視功能，8燈紅外夜視，夜視20 m，遠(yuǎn)近監(jiān)控都清晰。具有360°旋轉(zhuǎn)功能。通過攝像頭語音功能，可以連接客戶端，在客戶說話的同時，塔上攝像頭的揚(yáng)聲器會同步發(fā)出相同聲音，使吊車或放風(fēng)箏靠近等危險行為得到制止。具有遠(yuǎn)程喚醒功能，通過客戶端可以隨時打開、關(guān)閉攝像頭，也可以將攝像頭設(shè)置成待機(jī)狀態(tài)，配合PIR移動偵測功能使用。具有PIR移動偵測功能，信息推送功能。攝像頭內(nèi)置PIR紅外感應(yīng)，攝像頭處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)偵測到有異物（如吊車靠近、人爬上桿塔或鳥類飛過桿塔等），攝像頭都可以迅速喚醒開始錄像并保存，并主動推送到客戶端警情信息。可通過客戶端控制攝像頭的開閉。具有錄像自動循環(huán)覆蓋功能，插入內(nèi)存卡就可以自動保存錄像，當(dāng)錄像存儲滿了，可智能循環(huán)錄像，客戶端可遠(yuǎn)程回放監(jiān)控。在1080P分辨率下，調(diào)為標(biāo)清模式智能存儲，使用8 GB卡，可實(shí)現(xiàn)10 d存儲；16 GB為20 d，以此類推。系統(tǒng)圖如圖2所示。

在本系統(tǒng)中，SPCE061A單片機(jī)數(shù)據(jù)信號系統(tǒng)由雷達(dá)組件、紅外線在線探測儀、沉降水準(zhǔn)器、傾斜探測器共同提供，次聲波發(fā)生器、可播放報警聲音的喇叭、紅外線在線探測儀、沉降水準(zhǔn)器、傾斜探測器、攝像頭語音輔助控制系統(tǒng)的輸出電信號接到SPCE061A單片機(jī)的輸入信號，SPCE061A單片機(jī)的輸出信號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)的輸入信號，再以無線方式發(fā)射至遠(yuǎn)端客戶端后臺，后臺以做出恰當(dāng)指令提示；SPCE061A單片機(jī)主要還是為雷達(dá)組件、紅外線在線探測儀、沉降水準(zhǔn)器、傾斜探測器提供服務(wù)，紅外線在線探測儀、沉降水準(zhǔn)器、傾斜探測器中自帶單片機(jī)的輸出信號與SPCE061A單片機(jī)電信號連接。

圖2 多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀系統(tǒng)圖

3 使用情況及應(yīng)用前景

通過使用本系統(tǒng)，可以有效避免外線破壞跳閘引起的經(jīng)濟(jì)損失；有效避免人為操作失誤造成的跳閘事故；有效避免跳閘后設(shè)備特巡、人員登塔檢查維修造成的人力物力財力等支出；有效避免電路破壞損失及其造成的社會及其他損失；有效預(yù)防高壓桿塔鳥害事故；有效預(yù)防地質(zhì)運(yùn)動或高壓線拉力導(dǎo)致桿塔傾斜傾倒事故；有效預(yù)防高壓桿塔人身傷亡事故等。倘若發(fā)生以上情況，系統(tǒng)可以將信息第一時間推送到政府、電力部門、企業(yè)、110公安、120急救、119消防、應(yīng)急指揮中心等有關(guān)部門，開展聯(lián)動措施。該系統(tǒng)的發(fā)明解決了國內(nèi)高壓桿塔無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化的問題，且極大縮短了事故響應(yīng)、救援所需的時間。功能圖如下頁圖3所示。

該項(xiàng)目的實(shí)施可彌補(bǔ)國內(nèi)高壓線路在線預(yù)警技術(shù)的空白?？蓱?yīng)用于6～500 kV高壓線路桿塔的智能可視預(yù)警系統(tǒng)和機(jī)場智能安防系統(tǒng)，普遍適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電力設(shè)施，特別適合于所有由電力一級負(fù)荷供配電的廠礦企業(yè)及部門。該系統(tǒng)不僅適用于電力部門，還對機(jī)場、車站、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多種場所的重要環(huán)節(jié)有良好的預(yù)警功能，可后期改進(jìn)推廣。比如機(jī)場同樣需要預(yù)警系統(tǒng)來配合治理動物危害和無關(guān)人員跑上機(jī)場跑道的危險行為，等等。通過結(jié)合5G和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可使響應(yīng)級別達(dá)到微秒級，極大縮短了事故響應(yīng)、救援所需的時間。

4 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)估

單臺設(shè)備的制作費(fèi)用為1 500元，若線路上有50根桿安裝該系統(tǒng)，計(jì)算得到總成本是1 500元×50套＝75 000元。設(shè)計(jì)使用壽命為10 a及以上。

圖3 多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀功能圖

以天脊集團(tuán)為例，安裝此預(yù)警儀，一次性投資75 000元（未含安裝費(fèi)），若成功避免外線破壞事故發(fā)生一次，用微小投資來避免巨額損失，帶來的經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。

據(jù)保守統(tǒng)計(jì)，晃電導(dǎo)致天脊集團(tuán)全廠停車一次，再開至正常需48 h，多數(shù)產(chǎn)品需要更長恢復(fù)時間。按最小 48 h（2 d）計(jì)算，合成氨產(chǎn)能 1 500 t/d，售價 2100 元 /t，復(fù)肥 2973t/d，2050 元 /t，硝銨 600 t/d，售價 1 060元 /t，復(fù)肥二 600 t/d，售價 2 300元 /t，苯胺450 t/d，售價11 000元/t，則：事故停產(chǎn)損失費(fèi)用=（合成氨停產(chǎn)日損失+復(fù)肥停產(chǎn)日損失+硝銨停產(chǎn)日損失+復(fù)肥二停產(chǎn)日損失+苯胺停產(chǎn)日損失）×停產(chǎn)天數(shù) =（2 100元 /t×1 500 t/d+2 050元 /t×2 973 t/d+1 060元/t× 600 t/d+2 300元/t× 600 t/d+11 000 元 /t× 450 t/d）× 2 d=32 421 300 元，即：2 d 停產(chǎn)直接經(jīng)濟(jì)損失共計(jì)3 242.13萬元，那么每成功預(yù)防一次事故，可節(jié)約資金3 242.13萬元。當(dāng)然，這些費(fèi)用還不包括其他天脊集團(tuán)未計(jì)費(fèi)用，更不包括電網(wǎng)其他損失。

該預(yù)警系統(tǒng)可以有效對各類外力破壞事故進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測，具有一定的使用價值和良好前景。做好防外力破外工作，可從根本上解決高壓電能的輸配電穩(wěn)定問題，保證供電安全。

5 產(chǎn)品相關(guān)內(nèi)容

2019年11月19日，該系統(tǒng)獲得國家實(shí)用新型專利證書，專利號為ZL 2019 2 0898200.1，如圖4所示。

圖4 多功能防外破在線監(jiān)測預(yù)警儀實(shí)用新型專利證書圖

2020年3月，該系統(tǒng)被山西省科技廳選為國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，由作者積極配合申報，申報編號為SQ2020YFF0412169。