輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

陸佳政，吳傳平，楊 莉，張紅先，劉 毓，徐勛建

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輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

陸佳政，吳傳平，楊 莉，張紅先，劉 毓，徐勛建

（國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，國家電網(wǎng)公司輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)重點實驗室，湖南 長沙 410007）

研發(fā)了輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)并成功應(yīng)用于多省市跨區(qū)電網(wǎng)線路。介紹了火點監(jiān)測基本原理，給出了基于衛(wèi)星遙感的輸電線路山火監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)硬件和軟件架構(gòu)及其組成功能。為提高火點判識準(zhǔn)確度，提出一種火點判斷閾值自適應(yīng)算法；提出了火點與桿塔距離優(yōu)化算法，減少桿塔距離計算量。研制的輸電線路山火監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)成功應(yīng)用于多省市跨區(qū)電網(wǎng)。應(yīng)用結(jié)果表明，研制的輸電線路大范圍山火監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確有效地監(jiān)測輸電線路山火并及時發(fā)布預(yù)警信息，有利于提高電網(wǎng)抵御山火災(zāi)害能力。

輸電線路；山火監(jiān)測；山火預(yù)警；火點判識；衛(wèi)星遙感

0 引言

近年來，受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活習(xí)俗影響，輸電線路因山火跳閘事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。2011年，南方某省110 kV及以上的輸電線路因山火跳閘次數(shù)達43條次；2012年清明期間，華中地區(qū)山火頻發(fā)導(dǎo)致多起500 kV交流線路故障停運事故；2013年3月上旬，多省份發(fā)生了較大范圍山火，導(dǎo)致多條跨區(qū)線路發(fā)生異常。山火已成為威脅輸電線路安全運行最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。因此，迫切需要對輸電線路山火采取有效的監(jiān)測，提前發(fā)布山火預(yù)警，提高山火災(zāi)害防控能力。

已有的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)主要針對輸電線路覆冰、污穢、設(shè)備故障等，不能監(jiān)測到輸電線路附近山火。在輸電線路山火對線路造成跳閘的機理研究方面，國內(nèi)部分學(xué)者進行了深入研究。而在輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警方面，少有文獻涉及。進行輸電線路山火監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)輸電線路山火動態(tài)，可以及時處置和防范山火擴大而對線路造成嚴(yán)重影響，具有重要的實際意義。在森林火災(zāi)監(jiān)測方面，林業(yè)和氣象部門比較關(guān)注，氣象部門開展了天氣雷達進行火災(zāi)監(jiān)測的研究和應(yīng)用；林業(yè)部門采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來監(jiān)測林火并成功應(yīng)用。衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源主要有中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）系列、改進的甚高分辨率輻射儀（Advanced Very High Resolution Radiometer，AVHRR）系列，F(xiàn)Y（風(fēng)云）系列等。部分學(xué)者對MODIS、AVHRR系列衛(wèi)星遙感監(jiān)測林火的火點識別原理和方法進行了研究。然而，輸電線路山火與林火存在區(qū)別，森林火點一般為大規(guī)模的林火，而小規(guī)模的雜草火或小灌木火就能引起輸電線路跳閘；此外，林火監(jiān)測沒有結(jié)合輸電線路。林業(yè)部門火災(zāi)監(jiān)測不能滿足電力系統(tǒng)的需求。傳統(tǒng)的輸電線路山火監(jiān)測依靠人工巡視，勞動強度大，且視野有限、監(jiān)測不及時，效率低。

為了實現(xiàn)大范圍的輸電線路山火集中監(jiān)測，研制了基于衛(wèi)星遙感的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了火點監(jiān)測的基本原理，設(shè)計基于衛(wèi)星遙感的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件架構(gòu)，開發(fā)了輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。為提高火點判識準(zhǔn)確度，提出一種火點判斷閾值自適應(yīng)算法；并提出一種基于數(shù)據(jù)庫引擎和網(wǎng)格索引的火點最近桿塔距離優(yōu)化算法，避免火點與桿塔距離的海量計算。成功應(yīng)用于電網(wǎng)進行山火監(jiān)測預(yù)警，應(yīng)用效果良好。

1 火點監(jiān)測原理

1.1 火點判識原理

根據(jù)適用于絕對黑體的普朗克公式，可推導(dǎo)亮度溫度計算公式：

式中：為真空中的光速；是玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10J/K；為普朗克常數(shù)，6.63×10J·S；為輻射出射度。

1.2 衛(wèi)星介紹

本文開發(fā)的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)基于具有山火監(jiān)測功能的極軌衛(wèi)星實現(xiàn)，為AVHRR和MODIS兩種極軌氣象衛(wèi)星。

（1）基于AVHRR的極軌氣象衛(wèi)星

本系統(tǒng)采用AVHRR極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)來源于美國的NOAA系列。AVHRR為五個探測通道的掃描輻射計，目前運行的有NOAA16、17和18。衛(wèi)星各通道、波段和相應(yīng)功能如表1所示。AVHRR輻射計星下點的分辨率為1.1 km，探測溫度的動態(tài)范圍為190~330 K。在地表常溫下，AVHRR圖像中相鄰像素的輻射率，通道CH3、CH4和CH5相差都不大。但當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)火點等高溫目標(biāo)時，即使這個火點的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于像素分辨率，由于高溫目標(biāo)在CH3的輻射值大大高于周圍背景像素的輻射值，因而在CH3上包含火點的像素與周圍像素產(chǎn)生明顯反差，而對于CH4和CH5，相鄰像素的反差很小，這樣易于區(qū)別出火點。

表1 AVHRR部分光譜通道特性

（2）基于MODIS的極軌氣象衛(wèi)星

本系統(tǒng)接受的基于MODIS極軌衛(wèi)星主要有美國的TERRA和AQUA系列衛(wèi)星，均搭載了MODIS傳感器。MODIS傳感器有36個通道，光譜范圍寬，從0.4~14.4全光譜覆蓋；同時多通道觀測大大增強了對地球復(fù)雜系統(tǒng)的觀測能力和對地表類型的認(rèn)識能力。MODIS傳感器用來識別火點的通道CH21、CH22和CH23的空間分辨率為1 km。掃描寬度達到2 330 km。每日可全覆蓋、多頻次觀測。對多種突發(fā)性、快速變化的自然災(zāi)害有很強的實時監(jiān)測能力。

因上述衛(wèi)星過境時間不同，可相互驗證不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)對同一火點進行監(jiān)測的準(zhǔn)確性，并可持續(xù)跟蹤火情。

2 輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理

輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)硬件由衛(wèi)星接收裝置、前端接收服務(wù)器、后端應(yīng)用服務(wù)器和山火預(yù)警服務(wù)器組成。衛(wèi)星通過紅外遙感傳感器獲取地面溫度數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給地面衛(wèi)星接收裝置。衛(wèi)星接收裝置將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，進行圖片預(yù)處理，再將圖片傳輸給后端火點判識與預(yù)警服務(wù)器，進行火點的判識與線路告警計算。最后將監(jiān)測與預(yù)警信息發(fā)布給輸電線路運行維護單位，進行山火應(yīng)急處置。

前端接收服務(wù)器主要進行快視、投影和傳輸?？煲暭磳@取的衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示為包含經(jīng)緯度信息的原始衛(wèi)星云圖。投影是將獲得的衛(wèi)星圖片投影到監(jiān)測目標(biāo)地理范圍。后端應(yīng)用服務(wù)器是山火監(jiān)測的核心，主要進行圖像處理、與其他資料融合疊加和山火判識等，可同時處理多顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)。圖像處理環(huán)節(jié)將圖片進行過濾（去除斑點、濾波、銳化等）、幾何變換（快速傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換等）、點運算（線性變換、閾值變換、灰度均衡等）、顏色處理（顏色調(diào)整、灰度化、反色）等一系列處理，消除各種干擾因素，以便于火點判識。經(jīng)處理后的圖片可以疊加地理信息，經(jīng)火點判識處理后，得到火點的經(jīng)緯度坐標(biāo)及其地理信息。山火預(yù)警服務(wù)器將接收的火點信息導(dǎo)入包含地理和線路桿塔信息的預(yù)警系統(tǒng)，計算火點與線路距離，給出告警結(jié)果，并將告警進行發(fā)布。山火預(yù)警信息具有信息存儲、歷史查詢、統(tǒng)計分析等功能。

圖1 山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件處理流程如圖2所示。首先根據(jù)衛(wèi)星運行軌道預(yù)測衛(wèi)星過境的時間，然后進行衛(wèi)星資料的實時接收和顯示，并將衛(wèi)星圖片進行投影到目標(biāo)監(jiān)視區(qū)域，接著進行消噪、圖像增強等預(yù)處理，提高圖片的質(zhì)量，使之滿足山火識別系統(tǒng)的要求。然后進行火點判識。經(jīng)過火點識別之后，可獲得實時的山火火點信息，包括火點的經(jīng)緯度、實時火點圖等，其中火點的經(jīng)、緯度信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。再將火點信息與輸電線路結(jié)合，計算火點與線路桿塔距離，最后通過短信信息平臺將山火監(jiān)測信息實時群發(fā)給現(xiàn)場線路運維人員。

圖2 系統(tǒng)軟件整體流程圖

3 火點識別算法

3.1火點判識模型

根據(jù)山火燃燒時亮溫異常高，輻射能力大的特點，同時燃燒象元同周圍象元的亮溫差值較大，提出了火點的判斷模型：

傳統(tǒng)的火點判識方法采用固定的火點判斷閾值對各地區(qū)的火點進行統(tǒng)一判識。應(yīng)用經(jīng)驗表明，此方法未考慮各地區(qū)差異、季節(jié)性差異等，容易造成火點誤判或漏判。為解決此問題，提出一種基于地面氣溫的火點判斷閾值動態(tài)計算方法，根據(jù)不同地區(qū)的地面實時氣溫和不同月份等對火點判識判斷閾值進行動態(tài)計算，從而進行火點判識。

所提算法考慮不同季節(jié)和地表溫度對于地面物體的發(fā)射率特征對亮溫造成的影響，結(jié)合地面的環(huán)境溫度、季節(jié)特性，建立動態(tài)判斷閾值函數(shù)，用動態(tài)判斷閾值函數(shù)代替固定閾值進行火點判識，提出火點判斷閾值的自適應(yīng)算法，從而提高火點監(jiān)測的準(zhǔn)確性。自適應(yīng)算法的步驟如下：

① 選擇經(jīng)過火點驗證的地區(qū)（以地級市為單位）歷史火點判斷閾值。

② 計算歷史火點判斷閾值與當(dāng)時地面平均溫度、最高溫度、最低溫度的相關(guān)性，選擇重要的影響因子。

③ 建立監(jiān)測月份、相關(guān)性強的重要影響因子與歷史判斷閾值之間的數(shù)學(xué)函數(shù)。

④按照最小二乘法的原則，采用粒子群優(yōu)化算法（Particle Swarm Optimization algorithm，PSO）對判斷閾值的函數(shù)進行參數(shù)優(yōu)化，確定判斷閾值的數(shù)學(xué)模型。

PSO算法中用粒子對應(yīng)尋優(yōu)問題的可行解，每個粒子都有一個自己的位置和速度，用于決定優(yōu)化的方向和距離，還有一個由被優(yōu)化的函數(shù)決定的適應(yīng)值，用來衡量粒子的優(yōu)劣。

⑤根據(jù)建立的判斷閾值計算模型，結(jié)合監(jiān)測時間、監(jiān)測地面實況溫度計算出獲取的監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù)對應(yīng)的火點判斷閾值，實現(xiàn)動態(tài)判斷閾值的計算。

4 線路桿塔與火點距離優(yōu)化算法

輸電線路桿塔數(shù)量眾多，多達數(shù)十萬基，在出現(xiàn)大范圍山火，火點數(shù)多達數(shù)百個時，如進行遍歷搜索，則計算火點與輸電線路距離費時非常長，且嚴(yán)重影響到服務(wù)器的工作效率。本文提出一種基于數(shù)據(jù)庫引擎和網(wǎng)格索引的火點最近桿塔距離優(yōu)化算法，如圖3所示。通過在數(shù)據(jù)庫引擎端將地圖區(qū)域網(wǎng)格化，優(yōu)先搜索火點所在網(wǎng)格內(nèi)的最近桿塔，如未找到則擴展至臨近網(wǎng)格，直至找到離火點最近的桿塔，實現(xiàn)快速計算火點與輸電線路距離，當(dāng)距離小于門檻值時，及時發(fā)布輸電線路山火告警信息，指導(dǎo)線路運維人員盡快趕赴現(xiàn)場處置輸電線路山火。

圖3 火點與桿塔距離計算方法示意圖

方法如下：

①在數(shù)據(jù)庫引擎端，建立起線路桿塔分布區(qū)域，整個區(qū)域被劃分為大小相等的若干塊網(wǎng)格。

②導(dǎo)入火點信息表時，在火點信息表上建立一條結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language，SQL）查詢的觸發(fā)器，該觸發(fā)器查詢各個火點所屬的桿塔區(qū)域網(wǎng)格，若火點所屬的網(wǎng)格四周無桿塔分布，則以該網(wǎng)格為中心向四周逐層擴大單元格，直到在擴展區(qū)域內(nèi)尋找到周圍桿塔。

③采用球面距離計算公式

（6）

④依據(jù)火點與最近桿塔的距離滿足的告警級別，并形成告警信息并發(fā)布。線路告警一、二、三級距離范圍設(shè)定為

5 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)成功應(yīng)用于國家電網(wǎng)湖南、湖北、四川、安徽等11省市跨區(qū)輸電線路的山火監(jiān)測與預(yù)警工作。2013年初清明節(jié)期間，4月1日至4月17日，共監(jiān)測到869個火點，其中跨區(qū)電網(wǎng)輸電線路山火一級告警29個，27個得到驗證確有山火。如4月2日上午11時，系統(tǒng)監(jiān)測到安徽銅陵地區(qū)朱桂2882線24#東南側(cè)422 m處有一級告警火點，火點亮溫值為329，高于火點判斷閾值320，如圖4（a）、（b）所示。經(jīng)安徽電力公司線路運維人員現(xiàn)場驗證，朱桂2882線24#東南側(cè)約500 m處確有山火發(fā)生，線路轉(zhuǎn)冷備用狀態(tài)。4月2日15時，系統(tǒng)監(jiān)測到湖北省電力公司磁永線181#桿塔西側(cè)952 m處發(fā)生一級告警山火，火點亮溫值為330，高于火點判斷閾值321，如圖4（c）、（d）所示。經(jīng)現(xiàn)場人員核實，磁永線181#桿塔西側(cè)約1 000 m處確實發(fā)生山火；4月13日9時，系統(tǒng)監(jiān)測到咸夢II回湖北段34#桿塔西南側(cè)965 m處發(fā)生山火一級告警，火點亮溫值為328，高于火點判斷閾值322，如圖4（e）、（f）所示。經(jīng)現(xiàn)場人員核實現(xiàn)場確有山火，火場面積較大?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明系統(tǒng)能有效監(jiān)測到較大地理區(qū)域范圍的山火，及時對輸電線路進行山火預(yù)警。

圖4 山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

表2 跨區(qū)電網(wǎng)線路山火告警部分桿塔列表

6 結(jié)論

（1）設(shè)計了基于衛(wèi)星遙感的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件架構(gòu)，并開發(fā)了輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）提出了火點判斷閾值自適應(yīng)算法，實現(xiàn)火點閾值動態(tài)計算，提高火點判別的準(zhǔn)確度；提出基于數(shù)據(jù)庫引擎和網(wǎng)格索引的火點最近桿塔距離優(yōu)化算法，減少了火點與桿塔距離計算量，縮短了預(yù)警計算時間。

（3）開發(fā)的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)成功應(yīng)用于工程實際，成功監(jiān)測到輸電線路現(xiàn)場山火，經(jīng)現(xiàn)場驗證，監(jiān)測準(zhǔn)確度高。

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Research and application of forest fire monitor and early-warning system for transmission line

LU Jia-zheng, WU Chuan-ping, YANG Li, ZHANG Hong-xian, LIU Yu, XU Xun-jian

(Department of Power Scientific Research of Hunan Province Power Company of State Grid, Power Transmission and Distribution Equipment Anti-Ice & Reducing-Disaster Technology Key Laboratory of State Grid Corporation, Changsha 410007, China)

The research and application of forest fire monitor and early-warning system for transmission line are discussed. The fundamental principle of fire monitor is introduced, and the structure and components of hardware and software of the monitor system are given. A self-adaption algorithm for fire judgment threshold is proposed to enhance the fire identification accuracy. And an optimization calculation method for the distance between fire and tower is presented to decrease the calculation amount. The developed forest fire monitor and early-warning system for transmission line is applied to the trans regional power transmission lines. Application results indicate the developed system can monitor the fire with high accuracy and publish the early-warning message, which is useful for the enhancement of resist ability of forest fire disaster for transmission lines.

transmission line; forest fire monitor; forest fire early-warning; fire judgment; satellite remote

TM726

A

1674-3415(2014)16-0089-07

2013-10-30；

2013-11-22

陸佳政（1969-），男，博士，高級工程師，主要從事高電壓技術(shù)、電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究；

吳傳平（1984-），男，博士，工程師，主要從事輸變電設(shè)備防冰減災(zāi)技術(shù)、電能質(zhì)量控制方面的研究。E-mail: jandom@126.com

國家電網(wǎng)公司科技攻關(guān)重大項目（KG10K16003）