高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究

岳靈平，朱弘釗，俞 強，章旭泳，戴建華，俞 輝

（1.國網(wǎng)湖州供電公司，湖州 313000；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著輸電線路通道環(huán)境的日趨復(fù)雜，山火、異物、樹竹等周邊環(huán)境嚴(yán)重影響輸電線路通道安全。由于高速鐵路、高速公路、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，違章施工等外力破壞已成為影響高壓線路安全穩(wěn)定運行的主要矛盾，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全。

隨著高壓線路防外力破壞在線監(jiān)測裝置的普及化，在一定程度上發(fā)揮了有效的監(jiān)測作用，但傳統(tǒng)的監(jiān)測模式缺陷日趨顯現(xiàn)。首先，監(jiān)測裝置無法對高壓線路通道內(nèi)外力破壞隱患進(jìn)行識別，需要監(jiān)控人員對大量圖像視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行人工查詢來判斷現(xiàn)場是否出現(xiàn)異常，工作量非常大；其次，監(jiān)控人員長時間面對枯燥的監(jiān)控畫面，無法長時間的集中注意力，造成人為監(jiān)控的質(zhì)量難以保證，而傳統(tǒng)的高壓線路防外力破壞監(jiān)測裝置往往只能起到事后追蹤的作用。因此，需要研究一種具備監(jiān)測、識別和預(yù)警功能的監(jiān)測系統(tǒng)，對外力破壞隱患進(jìn)行實時監(jiān)測。

本文設(shè)計出了一種基于激光監(jiān)測技術(shù)的輸電線路防外力破壞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可提前實現(xiàn)預(yù)報警和現(xiàn)場對講警示阻止外力破壞的發(fā)生。

1 激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)基本原理

10～500 k V高壓線路通過空氣與地面之間形成微小電場，通常情況下電場處于恒定狀態(tài)，一旦有大型物體（特別是塔吊、吊車等機械物體）進(jìn)入會引起電場的場強變化，外力破壞物體離導(dǎo)線越近引起的電場場強變化幅度越大?？衫眉す獾奈锢硖匦詠頇z測外物體進(jìn)入引起的高壓線磁場強度的變化值，從而折算出外物體與高壓線路的位置距離。

激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的基本原理是通過激光的貓眼效應(yīng)等物理特性來感應(yīng)電場的場強變化，從而通過關(guān)聯(lián)算法折算出外物離導(dǎo)線的距離信息，按照預(yù)先設(shè)定的幾級安全距離參數(shù)值進(jìn)行預(yù)報警，超越基本警戒值或其他預(yù)設(shè)值時自動通過現(xiàn)場高聲響喇叭警報提示、遠(yuǎn)程報警、遠(yuǎn)程警示喊話，直接在現(xiàn)場阻止超高物體對高壓線的破壞，或由調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行后臺操作處置；還可根據(jù)相對位置距離計算分析，對高壓線下的樹木生長狀態(tài)進(jìn)行長期監(jiān)控，實現(xiàn)超高報警；根據(jù)傳感器探測實現(xiàn)鐵塔傾斜報警、撞擊報警。

2 激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成與工作流程

激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由激光探頭、GSM激光報警控制主機（激光測距模塊、分析模塊、GSM通信模塊）、高聲響喇叭、警示燈、太陽能板、攝像頭（選裝）等部件構(gòu)成，后臺由管理人員控制手機或計算機組成。

高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)示意圖

高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在需要監(jiān)控的高壓線路一端鐵塔上安裝固定好激光探頭、激光報警控制主機和其他輔助設(shè)備，激光探頭的激光射線基本水平對準(zhǔn)兩塔之間輸電線弧垂下方位置。

當(dāng)運行人員或監(jiān)控室通過手機或計算機向激光報警控制主機發(fā)布“布防”指令后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，一旦發(fā)生物體接近輸電線路警戒距離值時觸發(fā)報警（用戶可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況自行設(shè)定初始值或其他檔位值），現(xiàn)場高音喇叭發(fā)出聲響警報“高壓危險，注意安全”的語音提示。

不同等級輸電線路報警距離設(shè)置參考值如表1所示。

表1 不同等級輸電線路報警距離設(shè)置參考值 m

高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的主機同時將報警信息（包括塔名、位置、危險距離值）通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)管理人員，運行人員可以直接進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話提示。對與視頻監(jiān)控聯(lián)動的，自動觸發(fā)圖像、視頻采集，通過無線3G／GPRS／WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心在線傳輸現(xiàn)場實時圖像、視頻。

激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)同時設(shè)定物體越過初始警戒值后進(jìn)一步靠近高壓線時的多檔報警值，便于運行人員評估外物體高危動作風(fēng)險，采取緊急操作措施。

3 激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控終端的主要功能

在高壓輸電線路運行現(xiàn)場安裝防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其主要功能為：自動識別線路通道內(nèi)各類機械施工作業(yè)對上空高壓線路的安全距離，及時將監(jiān)測到的實際距離以短信告知線路運行人員，系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測。

當(dāng)激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控終端自動監(jiān)測到外力破壞危急到上空高壓線路安全運行時，自動打開監(jiān)控視頻系統(tǒng)來全天候監(jiān)測對高空高壓線路可能造成的危害。

3.1 電力生產(chǎn)維護(hù)

在高壓線路下施工的設(shè)備中超高，提前預(yù)警生產(chǎn)過程中，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)外力破壞險情時，通過便攜式防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，將現(xiàn)場情況實時傳送給監(jiān)控指揮中心。實時監(jiān)控現(xiàn)場周邊情況，監(jiān)控指揮中心根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和指揮。

3.2 視頻在線監(jiān)測和3G傳輸

采用視頻技術(shù)，通過半球水平360°旋轉(zhuǎn)獲取垂直向下任一點的圖像信息，景深范圍可在0～400 m內(nèi)選擇，圖像信息通過3G技術(shù)傳至接收系統(tǒng)；具有設(shè)置警報器輸出功能，即：設(shè)置報警區(qū)域，有外來物闖入禁區(qū)報警功能，通過短信發(fā)送至值班人員手機上。

3.3 無線傳輸模塊（DTU）

DTU在通信層面上采用UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）透明方式傳輸，中間不可增加自己的定義內(nèi)容，通信鏈路完全透明。

DTU同時支持短信功能，可以實現(xiàn)對終端設(shè)備的短信發(fā)送、終端告警等信息的短信發(fā)送和短信息喚醒終端等功能，具有手機修改域名或IP地址等功能。

3.4 圖像采集和存儲

圖像壓縮和處理模塊可在電力緊缺或3G信號擁塞的情況下發(fā)揮作用，可設(shè)置定時或人工拍攝圖片傳回后臺電腦，傳送之前，可存儲在主板存儲器內(nèi)。

4 激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控終端的監(jiān)控方式

4.1 臨時點位的移動監(jiān)控

對高壓線路下進(jìn)行短時工程的施工吊車、貨車、建筑物超高監(jiān)控，一般可采取臨時點位形式安裝，通過聲光方式進(jìn)行現(xiàn)場警報阻止，同時可結(jié)合視頻聯(lián)動進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控。當(dāng)激光監(jiān)測到物體超高輸出報警信號時自動打開攝像頭，后臺通過視頻能夠監(jiān)控到現(xiàn)場實時情況，實際應(yīng)用案例如圖2所示。

圖2 對某線路下挖沙船作業(yè)的監(jiān)控

與視頻聯(lián)動的作用是發(fā)生警情時才啟動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，防止長時間視頻開啟造成供電不濟的現(xiàn)象，提高使用效能，延長設(shè)備使用壽命。

4.2 固定點位的長期監(jiān)控

對高壓線路下樹木生長的長期性監(jiān)控，可僅安裝激光探頭、激光報警主機。如果樹木生長超過了基本警戒值時進(jìn)行初次報警，然后根據(jù)自行設(shè)定值可按每0.5 m或1 m的間隔值設(shè)置多檔報警。

5 結(jié)語

高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)集成了當(dāng)今最先進(jìn)的激光監(jiān)測技術(shù)、人工智能與無線通信技術(shù)，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，系統(tǒng)具有現(xiàn)場聲光警示、現(xiàn)場語音警示、遠(yuǎn)程喊話警示、電力110聯(lián)網(wǎng)報警等多種形式，直接在現(xiàn)場阻止危險動作進(jìn)一步發(fā)生。

高壓線路防外力破壞激光監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能探測800 m距離內(nèi)物體和精度±0.5 m的上下位置移動變化，在物體越過初始警戒值報警后，能繼續(xù)探測出物體再向高壓線移動的危險距離，以便采取預(yù)防措施。該系統(tǒng)既可用于在建工地房屋、施工吊車超高的臨時性移動監(jiān)控，也可用于野外有樹木生長的線路長期性監(jiān)控，還可以對鐵塔斜度、盜損破壞進(jìn)行監(jiān)控。同時預(yù)留了與視頻監(jiān)控聯(lián)動接口，可選擇與已裝或新裝視頻監(jiān)控連接，解決了僅單獨安裝視頻系統(tǒng)無法長時間實現(xiàn)圖像監(jiān)控的難題。

［1］ 黃新波，張國威.輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析［J］.廣東電力，2009（1）：13-20.

［2］ 黃新波，程榮貴，王孝敬，等.輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［3］ 孫才新.輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與診斷技術(shù)現(xiàn)狀和前景［J］.中國電力，2005，38（2）：1-7.

［4］ 黃新波，王小敬，武鍵，等.輸電線路危險點遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)［J］.高電壓技術(shù)，2007（8）：192-197.

［5］ 黃新波，張冠軍，丁建國，等.基于GSM SMS的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電力自動化設(shè)備，2008（5）：72-76.