基于激光雷達(dá)的變電站空域異物入侵檢測策略與 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾金　劉清鴻　丁梓楠　許彬

摘 要

變電站周邊漂浮異物一直是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的棘手問題之一。塑料薄膜、氣球、風(fēng)箏、廣告牌等漂浮物由于大風(fēng)或人為等各種因素，可能入侵變電站周界。這些高空入侵物可能會(huì)引起線路故障，甚至造成局部甚至是區(qū)域停電。為排除漂浮入侵物的隱患，本文設(shè)計(jì)并研制了基于激光雷達(dá)的變電站高空異物入侵監(jiān)控系統(tǒng)。變電站現(xiàn)場測試顯示，本系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)高空漂浮物的入侵并進(jìn)行入侵位置定位，提醒工作人員及時(shí)處理入侵異物，保障變電站的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞

高空異物入侵;激光雷達(dá);變電站周界防御

中圖分類號(hào)： TP242;TN958.98文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.009

0 引言

變電站作為電能輸送的重要中轉(zhuǎn)站，是電力系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)。變電站的運(yùn)行是否安全穩(wěn)定關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性、可靠性[1]。

變電站周邊漂浮異物一直是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的棘手問題之一。變電站大多數(shù)處于露天環(huán)境之中，諸如塑料薄膜、塑料袋、氣球、風(fēng)箏、鐵皮等各類漂浮物由于大風(fēng)或人為等各種原因，可能入侵變電站周界。在天氣變化時(shí)，這些入侵物就有可能引起線路故障，輕微的可能引起站內(nèi)單間隔設(shè)備跳閘，導(dǎo)致設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)，嚴(yán)重的還可能造成電網(wǎng)的負(fù)荷損失，社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響巨大。

2014年10月19日甘肅永登變電站因異物入侵發(fā)生A相接地短路，隨著故障擴(kuò)大，永登變電站全停。2010年春節(jié)，一盞孔明燈導(dǎo)致了荊州一35kV變電站跳閘，造成大區(qū)域停電，百余名群眾被困電梯。

目前，變電站周界漂浮物入侵監(jiān)控手段非常有限。常規(guī)方法是人工巡檢。人工巡檢主要靠作業(yè)人員的主觀感官判定，對(duì)工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)及業(yè)務(wù)水平要求較高。但即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的巡檢員，定期人工巡查的解決方法對(duì)于漂浮物的入侵檢測具有不確定性，效率也相對(duì)較低，容易造成遺漏，不能及時(shí)處理及清理入侵異物，為變電站的正常運(yùn)行埋下安全隱患。近年來，隨著視頻圖像識(shí)別技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人自動(dòng)巡檢，圖像跟蹤識(shí)別等方法也開始被逐漸用于變電站的異物入侵防治研究。巡檢機(jī)器人穩(wěn)定工作依賴于傳感器的數(shù)量和精度，在復(fù)雜環(huán)境下的工作面臨著巡航軌跡偏差、采集表計(jì)誤差大、工作效率低、開發(fā)設(shè)計(jì)難度高成本高等問題[2]，且依舊無法克服巡檢時(shí)間不連續(xù)及數(shù)字視頻檢測易受環(huán)境光線及天氣影響等不足，目前并不能夠廣泛高效應(yīng)用。而使用圖像識(shí)別技術(shù)來進(jìn)行變電站空域入侵物監(jiān)測需要在變電站及周圍安設(shè)大量的攝像機(jī)，通過圖像處理獲取異物入侵信息。該系統(tǒng)成本相對(duì)較低，且易實(shí)現(xiàn)。但圖像識(shí)別技術(shù)要受到拍攝圖片的質(zhì)量[3]，異物大小和異物距離所限制。天氣、光照強(qiáng)度，晝夜等復(fù)雜的外界因素又會(huì)對(duì)識(shí)別結(jié)果的精準(zhǔn)性，檢測算法的魯棒性造成影響，尚不適用于變電站的大范圍異物入侵檢測。

在此背景下，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站周界空域異物入侵，有效減少漂浮入侵物帶來的運(yùn)行故障和事故，維護(hù)變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，本文提出了一種基于激光雷達(dá)的變電站漂浮異物入侵檢測策略，并研制出一款變電站異物入侵智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測變電站周界空域環(huán)境，合理濾除無效信號(hào)及微小干擾，對(duì)周界異物入侵的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警。此變電站周界異物入侵智能識(shí)別及預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)當(dāng)前無人值守變電站、甚至是輸電線路等電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行具有一定意義。

1 激光雷達(dá)的原理與優(yōu)勢

1.1 激光雷達(dá)檢測原理

激光雷達(dá)通過檢測發(fā)射光束與反射光束之間的光學(xué)路徑、時(shí)間差或相位差來檢測自身與被測物體之間的距離、方位、形狀，從而對(duì)被測物體進(jìn)行識(shí)別與跟蹤。

根據(jù)工程所需的測距距離，激光雷達(dá)的測距方法主要分為3種，分別為三角法，PTOF法（飛行時(shí)間法）和調(diào)幅連續(xù)波法。本系統(tǒng)所使用的為PTOF法。其核心原理為：激光雷達(dá)的激光發(fā)射器向障礙物發(fā)射光束，遇到障礙物后折返，由激光接收器接收。通過計(jì)時(shí)器記錄激光光束從發(fā)射到折返的時(shí)間差，與激光速度香橙，得出被測物體與雷達(dá)之間的距離方位信息[4-5]。

1.2 激光雷達(dá)檢測優(yōu)勢

激光雷達(dá)具有探測范圍廣，采樣頻率高，輸出信號(hào)易處理，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[6]。它可以在各種復(fù)雜的環(huán)境下長時(shí)間工作，大范圍地檢測入侵異物的位置信息，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控異物入侵的任務(wù)。

激光雷達(dá)實(shí)時(shí)以一定頻率向周圍一水平面內(nèi)發(fā)射激光束。激光雷達(dá)的信息處理量少且處理速度快，可以在異物進(jìn)入或穿過探測平面的一瞬間探測出異物的存在，并迅速做出報(bào)警。

綜上所述，激光雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通避障，障礙物檢測等。

1.3 激光雷達(dá)在變電站異物入侵上的應(yīng)用

傳統(tǒng)雷達(dá)裝置探測原理是電磁波的反射，主要用來探測金屬等高反射率物體。變電站入侵漂浮物多為塑料、橡膠、布匹等反射率較低的物體，幾乎不反射電磁波，傳統(tǒng)雷達(dá)裝置難以完成探測。

為克服這一問題，本研究綜合考慮檢測距離性能及成本等要素，選用激光雷達(dá)探頭作為監(jiān)測傳感器，采用飛行時(shí)間法來完成變電站周界異物入侵監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的搭建。

2 檢測策略與系統(tǒng)搭建

2.1 檢測策略

考慮到漂浮物的飛行高度，系統(tǒng)將對(duì)變電站圍墻上空30m內(nèi)的入侵變電站周界的漂浮物進(jìn)行定位預(yù)警。此時(shí)，探測平面可以認(rèn)為是與地面垂直的豎直平面。研究選用北京神州太訊科技有限公司生產(chǎn)的CVC-LR60型激光雷達(dá)，其雷達(dá)探測半徑可達(dá)60m。此激光雷達(dá)掃描頻率為36kHz，每隔0.25°發(fā)射一束激光束，異物存在分辨率為0.25°?？梢钥焖俚貦z測到障礙物的位置信息。

本研究將激光雷達(dá)探頭橫向放置與變電站圍墻或圍欄中部，調(diào)整激光發(fā)射平面與地面垂直，掃描角度設(shè)置為180°。此時(shí)，雷達(dá)探頭的掃描平面為雷達(dá)裝置上方的半徑為60m的半圓形豎直平面。激光雷達(dá)可以檢測到穿過此平面的高空漂浮物并做出報(bào)警，提醒變電站工作人員進(jìn)行處理。若要實(shí)現(xiàn)高度30m以內(nèi)的監(jiān)控，單臺(tái)激光雷達(dá)裝置可完成約104m的變電站周界監(jiān)控。

圖1 雷達(dá)檢測策略示意圖

2.2 系統(tǒng)搭建

圖2 系統(tǒng)的總體框架

本系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)，控制器，上位機(jī)界面等三個(gè)部分組成，此外還具有外設(shè)報(bào)警裝置及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等可擴(kuò)展功能。系統(tǒng)的總體框架如下圖2所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，控制器首先接收激光雷達(dá)的輸出信號(hào)，將進(jìn)行轉(zhuǎn)化為入侵物位置信息，通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，將異物的方位信息傳輸給上位機(jī)，并在監(jiān)控界面中顯示。此外，控制器能夠?qū)⑸衔粰C(jī)指定的區(qū)域設(shè)置成指定報(bào)警區(qū)域，在有異物入侵指定報(bào)警區(qū)域時(shí)通過I/O口控制外接報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)程序也具有可擴(kuò)展性，能夠?qū)⑷肭制∥镄畔魉椭磷冸娬疽曨l系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)攝像裝置的拍攝距離及角度，完成異物信息的進(jìn)一步提取。

系統(tǒng)采用華為海思3516型控制器，通過雷達(dá)探頭激光發(fā)射時(shí)間與反射接收時(shí)間之差，來獲取探測平面內(nèi)的異物位置等信息。

系統(tǒng)通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器與服務(wù)器件的無線通訊。上位機(jī)界面采用Visual Vtudio 2012集成開發(fā)環(huán)境，使用C#高級(jí)語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Windows窗體界面應(yīng)用程序進(jìn)行編寫和設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)控界面如圖3所示。程序可監(jiān)控變電站周界空域，并可將漂浮入侵異物位置實(shí)時(shí)顯示在模擬監(jiān)控平面上。此外，系統(tǒng)還將異物信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫及傳輸至變電站視屏監(jiān)控系統(tǒng)，以備工作人員進(jìn)行進(jìn)一步查驗(yàn)與及時(shí)處理。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，項(xiàng)目組在泉州500kV紫嶺變搭建測試系統(tǒng)，對(duì)不同的外界環(huán)境下，不同種類的漂浮物入侵進(jìn)行了模擬測試與研究。

3.1 不同漂浮異物的影響

選用塑料袋、垃圾袋、風(fēng)箏、雨衣等變電站常見漂浮入侵物，使其由外至內(nèi)穿過雷達(dá)監(jiān)控平面。測試結(jié)果顯示，無論何種漂浮入侵物，在其穿過雷達(dá)監(jiān)控平面時(shí)，監(jiān)控界面將會(huì)進(jìn)行入侵告警，并實(shí)時(shí)顯示入侵物在探測平面的位置信息。

3.2 光線對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的影響

為保證系統(tǒng)全天時(shí)運(yùn)行，研究還對(duì)不同時(shí)間段監(jiān)控系統(tǒng)的探測性能進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示，激光雷達(dá)在探測區(qū)域內(nèi)，對(duì)不同光照條件的入侵異物均具有靈敏的探測能力。

3.3 異物大小對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的影響

針對(duì)不同大小的異物入侵測試結(jié)果顯示對(duì)于非黑色異物，尺寸小至30cm仍能被系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，尺寸低于30cm的漂浮異物對(duì)變電站影響較小，可暫不做考慮。對(duì)于黑色異物，尺寸在50cm及以上時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測性能，但尺寸為30cm時(shí)，探測距離有所衰減，對(duì)于雷達(dá)探頭45m以外的入侵物不能夠及時(shí)告警。

3.4 風(fēng)速對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的影響

在變電站實(shí)際運(yùn)行中，漂浮物本身具有一定的入侵速度。本研究采用鼓風(fēng)機(jī)，模擬不同風(fēng)速下，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)50cm非透明入侵物的監(jiān)測性能。研究結(jié)果顯示，在不同風(fēng)速下，系統(tǒng)均可正常檢測入侵物位置信息。

4 結(jié)語

本文根據(jù)變電站及其漂浮入侵物的特點(diǎn)，基于激光雷達(dá)設(shè)計(jì)并研制了一套變電站周界空域異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可對(duì)既定變電站周界空域進(jìn)行全天時(shí)全天候的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并告警對(duì)變電站具有潛在威脅的入侵異物，保障變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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