基于激光掃描的輸電線路防外破預(yù)警監(jiān)督系統(tǒng)開發(fā)研究

袁新龍，岳 濤

（蘭州石化公司機(jī)電儀運(yùn)維中心， 甘肅 蘭州 730060）

近年來(lái)， 隨著我國(guó)電網(wǎng)事業(yè)的發(fā)展和完善， 電力線路的建設(shè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。 但是， 電力線路由于其所處地理位置和環(huán)境條件的特殊性， 兼具桿塔點(diǎn)多、 面廣、 線長(zhǎng)等特點(diǎn)， 終年暴露在野外， 易受極端惡劣天氣的影響。 由于動(dòng)物活動(dòng)、 人為因素等對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾， 時(shí)常引起電路短路、 跳閘以及電網(wǎng)被迫停電等事故發(fā)生[1]。 電路故障不僅會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行， 也會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅， 加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)輸電線路安全管理與維護(hù)是電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

目前， 很多電力企業(yè)往往采取人工不定時(shí)電網(wǎng)巡視或者無(wú)人機(jī)監(jiān)控等手段， 來(lái)避免電網(wǎng)輸電線路受到破壞。 但這些手段受特殊環(huán)境以及成本因素的制約， 無(wú)法有效保障電網(wǎng)輸電線路的安全[3]。 近年來(lái)， 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起， 包括紅外技術(shù)、 激光掃描技術(shù)、 電廠監(jiān)測(cè)、 視頻監(jiān)視等新型防外破技術(shù)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)維護(hù)領(lǐng)域， 推動(dòng)了電路防外破技術(shù)的發(fā)展。

研究結(jié)合電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展需求， 探討防止電力線路免遭外力破壞的對(duì)策方案， 為避免人為等因素對(duì)電網(wǎng)安全的影響， 提出了一種全天候激光掃描及視頻識(shí)別防外破監(jiān)控告警的方式[4]。 該方式利用激光技術(shù)與實(shí)時(shí)監(jiān)視技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的預(yù)警與監(jiān)控。 在輸電電線預(yù)警區(qū)域范圍內(nèi)， 該技術(shù)通過(guò)系統(tǒng)激光傳感器以及視頻監(jiān)視設(shè)備能夠?qū)r環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]。 對(duì)電路環(huán)境內(nèi)故障問(wèn)題以及違規(guī)施工現(xiàn)象， 系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行反饋與抓拍， 并進(jìn)行語(yǔ)音警告， 預(yù)警信息將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳遞到系統(tǒng)終端， 反饋給相關(guān)負(fù)責(zé)人并及時(shí)進(jìn)行問(wèn)題處理。 該技術(shù)結(jié)合語(yǔ)音報(bào)警、 激光掃描以及視頻監(jiān)控等最新技術(shù)， 為電網(wǎng)電路的有效運(yùn)作提供重要思路。

1 輸電線路防外破系統(tǒng)預(yù)警策略

預(yù)警系統(tǒng)的主要原理是通過(guò)架設(shè)在電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的預(yù)警裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境工況的監(jiān)控和預(yù)警反饋。 其中， 激光掃描儀會(huì)對(duì)環(huán)境內(nèi)地理數(shù)據(jù)特征進(jìn)行采集， 而視頻監(jiān)測(cè)器會(huì)在激光掃描儀的基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更全面的監(jiān)控。 在電網(wǎng)電路線預(yù)警區(qū)域內(nèi)， 當(dāng)有運(yùn)動(dòng)物體闖入該區(qū)域內(nèi)， 系統(tǒng)預(yù)警機(jī)制便會(huì)啟動(dòng)， 通過(guò)人工智能（AI）算法提取視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及激光掃描數(shù)據(jù)， 解析出該物體是否超過(guò)電路預(yù)警設(shè)置的安全閾值， 包括物體是否超高、 速度是否過(guò)快等。 超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)定的安全閾值時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)在物體還未靠近時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音警告， 并通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將抓拍的畫面以及相關(guān)信息反饋給管理者。

該技術(shù)與傳統(tǒng)的單一視頻監(jiān)控電路防外破技術(shù)相比， 有兩點(diǎn)創(chuàng)新之處。 一是采用更智能的激光水平探測(cè)儀， 該激光掃描器能夠通過(guò)更智能的算法對(duì)運(yùn)動(dòng)物體特征軌跡進(jìn)行探測(cè)， 精準(zhǔn)度更高， 也更智能。 如預(yù)警范圍內(nèi)車輛超高、 車體過(guò)大、 速度過(guò)快等， 通過(guò)激光掃描儀器對(duì)運(yùn)動(dòng)物體信息的監(jiān)測(cè)， 若危及電網(wǎng)線路， 系統(tǒng)將及時(shí)聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警， 對(duì)危險(xiǎn)車輛進(jìn)行預(yù)警， 從而避免輸電線路受到威脅。 同時(shí)， 系統(tǒng)連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)， 通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)以及5G 技術(shù)及時(shí)將信息通過(guò)短信以及圖像等形式反饋給管理者。 管理人員收到信息后可以隨時(shí)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)畫面信息， 并通過(guò)手機(jī)終端喊話發(fā)出警告， 阻止危險(xiǎn)行為的發(fā)生。 二是采用了AI 視頻攝像機(jī)， 有別于傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控設(shè)備， 該設(shè)備智能化更強(qiáng)， 提供更復(fù)雜工況環(huán)境支持。 在預(yù)警范圍內(nèi)， 當(dāng)車輛等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入預(yù)警范圍， 視頻監(jiān)控設(shè)備將進(jìn)行智能畫面監(jiān)視與識(shí)別， 并通過(guò)云端AI 算法對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛等物體進(jìn)行分析， 與激光掃描儀器聯(lián)動(dòng)。 若超過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的安全閾值， 系統(tǒng)將進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警， 并反饋信息給管理者， 從而阻止危險(xiǎn)活動(dòng)的發(fā)生。 圖1 為輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)框架。

圖1 輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)框架

由圖1 可知整個(gè)輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)原理。 輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)主要由前端系統(tǒng)、 后端系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成。 其中， 前端系統(tǒng)包含高音喇叭、 綜合監(jiān)視器、 報(bào)警聯(lián)動(dòng)單元、 警示燈等； 后端管理系統(tǒng)包括了計(jì)算機(jī)運(yùn)算平臺(tái)、 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、 移動(dòng)終端監(jiān)視平臺(tái)等； 通信網(wǎng)絡(luò)包括4G/5G 無(wú)線傳輸模塊、 網(wǎng)絡(luò)路由器等。

2 輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)各部分功能

系統(tǒng)建設(shè)要滿足電網(wǎng)輸電線路的環(huán)境監(jiān)測(cè)以及危害報(bào)警需求。 同時(shí)考慮到電網(wǎng)線路環(huán)境的復(fù)雜性與苛刻性， 系統(tǒng)能夠兼顧復(fù)雜的作業(yè)工況， 包括夜間復(fù)雜環(huán)境、 高溫、 冰凍以及自然災(zāi)害等場(chǎng)景使用要求。 將輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)安裝于鐵塔之上， 利用先進(jìn)的4G/5G 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決防外破數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)警信號(hào)傳輸問(wèn)題。 通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的激光掃描器與視頻監(jiān)控獲取輸電線路預(yù)警環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)， 將監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預(yù)測(cè)安全閾值進(jìn)行對(duì)比， 從而診斷出預(yù)警結(jié)果， 并由結(jié)果作出相應(yīng)的預(yù)警操作。 整個(gè)輸電線路防外破激光預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)由綜合監(jiān)控主機(jī)、 激光水平探測(cè)儀、 高聲響喇叭、 太陽(yáng)能板、 高速球形攝像頭、 4G/5G 全網(wǎng)通無(wú)線通信等部件組成， 后臺(tái)由管理人員控制手機(jī)或計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)視頻軟件組成。 其中綜合監(jiān)控主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理與判斷， 并根據(jù)分析結(jié)果得到監(jiān)控指令， 并通過(guò)4G/5G 無(wú)線通信網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防外破系統(tǒng)的報(bào)警與監(jiān)控。

綜合監(jiān)控主機(jī)是系統(tǒng)的核心， 是獨(dú)立運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)。 激光水平探測(cè)儀與高速云臺(tái)球機(jī)是系統(tǒng)的輸入設(shè)備， 主要負(fù)責(zé)對(duì)輸電線路預(yù)警環(huán)境的監(jiān)控與數(shù)據(jù)信息的收集。 在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是最新的雙窗口探測(cè)激光掃描器， 主要由主固體激光發(fā)射裝置和被動(dòng)激光放大接收裝置電路及不易老化的超長(zhǎng)壽命的檢測(cè)模塊與模糊邏輯數(shù)碼核心組成， 能夠滿足于電網(wǎng)嚴(yán)苛的使用要求。 圖2 為激光水平探測(cè)儀工作原理。

圖2 激光水平探測(cè)儀工作原理

激光水平探測(cè)儀安裝在桿塔上， 激光線在線路下方4～9 m 處（根據(jù)安全距離確定） 與線路平行，通過(guò)激光越線探測(cè)器在輸電線路走廊安全距離以下的區(qū)域?qū)`章施工機(jī)械進(jìn)行越線分析告警， 并聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)抓拍照片及錄像上傳到監(jiān)控中心管理平臺(tái)，并發(fā)送短信到相關(guān)人員手機(jī)上。 選用的激光水平探測(cè)儀具有反應(yīng)速度快、 靈敏度高、 操作便捷等特點(diǎn)。 其探測(cè)耗時(shí)為1 ms， 激光類型為紅外激光， 波長(zhǎng)905 nm， 工作環(huán)境要求為-20 ℃～60 ℃， 相對(duì)濕度≤90%（無(wú)霜結(jié)）。 高速云臺(tái)球工作原理與激光水平探測(cè)儀類似， 桿塔傾斜探測(cè)器安裝在桿塔的橫擔(dān)上， 具有遠(yuǎn)距離無(wú)線通信接口， 用來(lái)與綜合分析軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 探測(cè)器能自檢、 采集、 測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)骄C合分析軟件系統(tǒng)。 選用的高速云臺(tái)球支持IP68 防護(hù)等級(jí)， 工作寬溫為-40 ℃～70 ℃， 分辨率為200 萬(wàn) 像素（1 920×1 080 分辨率） 。 高速云臺(tái)球具有靈敏度高， 支持水平360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 功耗低等特點(diǎn)。

語(yǔ)音喊話喇叭是預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵部分， 主要起到對(duì)輸電線環(huán)境展開語(yǔ)音喊話作用。 系統(tǒng)在遭遇警告預(yù)警后， 控制中心會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警指令， 并由系統(tǒng)語(yǔ)音喊話喇叭發(fā)出喊話報(bào)警聲。 4G/5G 無(wú)線傳輸模塊負(fù)責(zé)前端系統(tǒng)戶外通信數(shù)據(jù)傳輸功能， 采用目前業(yè)界最先進(jìn)的4G/5G 全網(wǎng)通信技術(shù)， 解決防外破系統(tǒng)在復(fù)雜嚴(yán)苛環(huán)境的數(shù)據(jù)傳輸與報(bào)警信號(hào)傳輸問(wèn)題。 網(wǎng)絡(luò)支持移動(dòng)、 聯(lián)通以及電信通信服務(wù)， 通過(guò)運(yùn)營(yíng)商可開通移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)、 短信服務(wù)以及語(yǔ)音服務(wù)。 根據(jù)電網(wǎng)輸電線路所在場(chǎng)所環(huán)境， 選擇信號(hào)穩(wěn)定、 數(shù)據(jù)傳輸快、 價(jià)格合理的通信套餐服務(wù)。 同時(shí)， 系統(tǒng)也提供GPRS/3G/4G/5G/Wi-Fi 等多通信方式， 根據(jù)環(huán)境具體需要選擇合理的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，能夠與無(wú)線語(yǔ)音視頻系統(tǒng)以及無(wú)線多方通話系統(tǒng)共同聯(lián)機(jī)使用， 方便后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音視頻喊話功能。

2.2 系統(tǒng)布設(shè)與調(diào)適

預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)主要用于對(duì)電網(wǎng)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控與安全預(yù)警， 在系統(tǒng)布設(shè)中需要綜合性分析輸電線路環(huán)境情況， 分析桿塔的高差、 檔距、 桿塔中心點(diǎn)弧垂等參數(shù)。 系統(tǒng)的布設(shè)應(yīng)盡可能地獲得高壓輸電線的全部表面特征信息， 同時(shí)充分考慮環(huán)境各類因素對(duì)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用的干擾。 如比較常見的激光掃描設(shè)備與視頻監(jiān)控設(shè)備被遮擋、 相鄰電線交疊以及動(dòng)物干擾等。 相關(guān)技術(shù)人員對(duì)布設(shè)場(chǎng)景充分分析并得到詳細(xì)的勘測(cè)數(shù)據(jù)， 選取多個(gè)測(cè)站進(jìn)行分別掃描， 掃描過(guò)程中應(yīng)該將距離控制在100 m 范圍， 保證激光掃描的精準(zhǔn)性。 圖3 為系統(tǒng)布設(shè)關(guān)鍵信息。

圖3 系統(tǒng)布設(shè)關(guān)鍵信息

具體安裝時(shí)需要確定設(shè)備是否正常， 插上綜合監(jiān)控主機(jī)、 4G 無(wú)線傳輸模塊、 激光水平探測(cè)儀、高速球形攝像頭等設(shè)備， 接通電源驗(yàn)證設(shè)備通關(guān)、視頻、 云臺(tái)控制等是否正常。 分別取出太陽(yáng)能板，接上主機(jī)， 通過(guò)白色接口板的LED 燈是否亮和電源板橫排3 個(gè)LED 燈的顏色， 查看太陽(yáng)能板及電源板是否正常。

桿塔激光預(yù)警設(shè)備安裝包括主機(jī)、 太陽(yáng)能板、球機(jī)箱以及激光水平探測(cè)儀的安裝等。 主機(jī)安裝中將其裝在桿塔橫擔(dān)上， 用幾字型支架卡住角鋼的安裝方式， 主機(jī)箱在角鋼上用2 個(gè)幾字型支架掛穩(wěn)定， 用4 個(gè)螺桿固定住主機(jī)箱和幾字型支架， 并要把線纜牢固地固定在終端箱附近的塔材上， 位置一般在高壓桿塔上的絕緣子上方的位置， 這樣視頻能夠監(jiān)測(cè)到線纜。 球機(jī)箱的安裝中， 固定方式和主機(jī)一樣， 安裝在主機(jī)箱附近的橫擔(dān)角鋼上且實(shí)現(xiàn)開闊場(chǎng)景， 設(shè)備應(yīng)在角鋼的位置朝外， 其視頻口需要垂直朝下， 隨后擰緊螺絲。 激光水平探測(cè)儀應(yīng)選擇線距離線路弧垂最低點(diǎn)靠下的6～9 m 位置安裝， 將激光探頭的固定支架2 個(gè)L 型的角鋼用螺絲固定桿塔的角鋼上， 聯(lián)系后端測(cè)試人員， 調(diào)整角度， 將激光探頭對(duì)準(zhǔn)線路方向平行于線路走向， 擰緊探頭上面的固定螺絲。

3 預(yù)警系統(tǒng)性能測(cè)試及應(yīng)用分析

研究提出了基于激光掃描的輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)， 系統(tǒng)能夠利用激光實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和預(yù)警，為了了解系統(tǒng)的預(yù)警性能， 需要對(duì)系統(tǒng)的預(yù)警反饋時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)， 結(jié)果見圖4 預(yù)警系統(tǒng)反饋時(shí)間比較。

圖4 預(yù)警系統(tǒng)反饋時(shí)間比較

由圖4 可知， 研究對(duì)比分析了多個(gè)防外破預(yù)警系統(tǒng)之間的預(yù)警效果， 可以發(fā)現(xiàn)， 研究提出的基于激光掃描反饋的預(yù)警系統(tǒng)的反饋時(shí)間維持在0.8 s左右， 并且最低反饋時(shí)間降低至0.74 s。 而其余兩種預(yù)警系統(tǒng)的最低反饋時(shí)間均在0.8 s 以上， 并且平均反饋時(shí)間均大于基于激光掃描的預(yù)警系統(tǒng)。 以上結(jié)果表明， 采用激光掃描構(gòu)建輸電線路防外破預(yù)警系統(tǒng)能夠有效降低預(yù)警反饋時(shí)間， 從而實(shí)現(xiàn)快速預(yù)警。

以某220 kV 的雙回路架空高壓輸電線路為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地， 周圍正開展相工程項(xiàng)目施工， 來(lái)往超高車輛居多， 包括吊機(jī)、 挖掘機(jī)、 推土機(jī)等， 對(duì)電網(wǎng)輸電線路安全造成影響。 因此， 通過(guò)布設(shè)在高壓塔桿上的激光預(yù)警設(shè)備， 對(duì)穿過(guò)預(yù)警區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行預(yù)警測(cè)試。 當(dāng)車輛的高度在系統(tǒng)所設(shè)置的安全警告閾值范圍時(shí)， 系統(tǒng)將進(jìn)行語(yǔ)音警告、 聲光警告以及喊話等操作。

其中架空線路最大弧垂對(duì)地距離為8.5 m， 設(shè)置報(bào)警閾值共3 個(gè)級(jí)別， 分別是高4.9～5.4 m、 5.5～6.9 m、7 m 及以上， 危險(xiǎn)系數(shù)不斷增大。 第84 頁(yè)表1 為激光預(yù)警實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 激光預(yù)警實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行5 組， 每組進(jìn)行4 次實(shí)驗(yàn)， 并選取不同高度閾值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 由表1 可知， 在5 組不同閾值下的測(cè)試， 該系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上。 同時(shí)， 根據(jù)閾值等級(jí)， 危險(xiǎn)等級(jí)的不斷升高， 系統(tǒng)預(yù)警反饋也更激烈。 顯然， 借助更先進(jìn)的激光掃描技術(shù)與通信技術(shù)， 能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)督與反饋， 滿足于電網(wǎng)輸電線防外破系統(tǒng)建設(shè)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

研究綜合性分析了電網(wǎng)輸電線路防外破系統(tǒng)建設(shè)需求與環(huán)境適應(yīng)性需要， 結(jié)合目前先進(jìn)的激光掃描技術(shù)、 通信技術(shù)以及智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)， 構(gòu)建基于激光掃描的輸電線路防外破預(yù)警監(jiān)督系統(tǒng)。 在系統(tǒng)性能驗(yàn)證中顯示， 系統(tǒng)能夠快速做出預(yù)警反饋， 其預(yù)警反饋時(shí)間最低時(shí)間降低到了0.74 s， 能夠避免電網(wǎng)輸電線路受到破壞。 此外在激光預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試中顯示， 選取了不同閾值進(jìn)行多組測(cè)試， 該系統(tǒng)反饋所表現(xiàn)出的準(zhǔn)確率均在97%以上。

結(jié)果表明， 采用激光掃描能夠有效實(shí)現(xiàn)輸電線路防外破預(yù)警， 對(duì)電網(wǎng)智能化發(fā)展有重要參考價(jià)值。 研究中并未考慮復(fù)雜環(huán)境下的激光掃描應(yīng)用效果， 在后續(xù)研究中應(yīng)重點(diǎn)分析不同環(huán)境下的系統(tǒng)應(yīng)用， 以完善系統(tǒng)預(yù)警性能。