架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝研究

楊道遠(yuǎn)，張寶俊

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

電力資源作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人民生活水平提升的重要保障之一， 對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的安定發(fā)展具有支撐作用。 電網(wǎng)設(shè)施作為電力供應(yīng)整體架構(gòu)的主要部分之一， 其設(shè)施安全必須得到保障[1]。 架空輸電線路的運(yùn)行環(huán)境一般較為復(fù)雜， 因此輸電線路不僅容易受到外部自然因素的長期侵?jǐn)_， 還容易受到人為因素的干擾， 極易形成電網(wǎng)事故。 傳統(tǒng)的視頻監(jiān)測方式監(jiān)測效率低下， 同時(shí)報(bào)警聯(lián)動(dòng)力低， 無法在事故發(fā)生前及時(shí)報(bào)警， 也無法在事故發(fā)生后對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行有效還原， 因此設(shè)計(jì)具有強(qiáng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)力的在線監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的[2]。 該類系統(tǒng)可以根據(jù)架空線路的安全特點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測和實(shí)時(shí)報(bào)警聯(lián)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)線路的多角度、 全面化保護(hù)， 在事故發(fā)生前做到及時(shí)預(yù)警和制止， 在事故發(fā)生后做到事故記錄和還原， 實(shí)現(xiàn)信息化、 動(dòng)態(tài)化監(jiān)測[3]。 因此本研究結(jié)合架空線路特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)， 為電網(wǎng)安全監(jiān)測實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與監(jiān)測機(jī)制分析

由于架空輸電線路容易在自然因素或人為因素的干擾下發(fā)生電網(wǎng)事故， 因此本研究針對(duì)架空輸電線路特點(diǎn)設(shè)計(jì)綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)。 在設(shè)計(jì)架空線路在線監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)， 將系統(tǒng)的功能模塊劃分為兩大部分， 分別為監(jiān)測模塊和信息模塊。 監(jiān)測模塊為架構(gòu)的主體模塊， 依托架空線路特點(diǎn)進(jìn)行布局。 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測模塊時(shí)， 以綜合監(jiān)測主機(jī)作為模塊中心，圍繞主機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 綜合監(jiān)控主機(jī)是獨(dú)立運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)， 其嵌入式模塊化設(shè)計(jì)可24 h 連續(xù)運(yùn)行。本研究將綜合監(jiān)控主機(jī)與激光水平探測儀搭配進(jìn)行外部探測。 激光水平探測儀是一種綜合當(dāng)今安防領(lǐng)域最新科技的高性能雙窗口探測器， 由主體激光發(fā)射裝置和被動(dòng)激光放大接收裝置電路及不易老化的監(jiān)測模塊和模糊邏輯數(shù)碼核心構(gòu)成[4]。 另外， 在線監(jiān)測系統(tǒng)以3G/4G 作為通信連接方式， 以該方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與激光防外破系統(tǒng)的串聯(lián)。 架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)前端設(shè)備包括綜合監(jiān)控主機(jī)、 4G無線傳輸模塊、 報(bào)警聯(lián)動(dòng)單元、 激光水平探測儀、高速球形攝像頭、 太陽能板、 鋰電池組、 電源管理單元、 高聲響喇叭、 警示燈、 防雨箱及安裝夾具及線纜輔材。

在監(jiān)測機(jī)制上， 本研究以架空線路的鐵塔作為主要監(jiān)測支點(diǎn)， 將架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝于鐵塔上， 利用塔上安裝的激光水平探測儀和AI視頻監(jiān)控進(jìn)行雙重探測保護(hù)， 對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)闖入的物體或人員等進(jìn)行全天實(shí)時(shí)監(jiān)測。 在此基礎(chǔ)上采用智能物體算法對(duì)系統(tǒng)處理后的信號(hào)進(jìn)行解算， 檢查架空線路區(qū)域內(nèi)是否出現(xiàn)車輛、 吊車超高等情況。 激光水平探測儀通過智能物體分析算法對(duì)車輛、 吊車超高等情況進(jìn)行探測， 當(dāng)?shù)踯嚨任矬w接近高壓線時(shí)， 現(xiàn)場裝置的即時(shí)聯(lián)動(dòng)聲光報(bào)警會(huì)對(duì)超高情況進(jìn)行提示， 并催促其停止作業(yè)， 避免觸線。 系統(tǒng)通過4G 無線將報(bào)警信號(hào)上報(bào)到中心平臺(tái)， 并通過手機(jī)短信或平臺(tái)監(jiān)控軟件通知接警人。 收到警報(bào)后， 接警人可以立即通過手機(jī)平臺(tái)或計(jì)算機(jī)平臺(tái)開啟無線實(shí)時(shí)視頻， 查看架空線路區(qū)域現(xiàn)場情況， 并可以通過監(jiān)控中心實(shí)時(shí)語音喊話制止危險(xiǎn)作業(yè)行為。 AI 視頻攝像機(jī)能對(duì)吊車等物體的入侵行為進(jìn)行探測與智能識(shí)別， 當(dāng)識(shí)別到有物體入侵便立刻開始錄像， 通過監(jiān)控中心的麥克風(fēng)喊話制止危險(xiǎn)作業(yè)行為。

在針對(duì)高空危險(xiǎn)因素進(jìn)行監(jiān)測時(shí)， 系統(tǒng)同樣采用“ 監(jiān)測—警報(bào)—驅(qū)趕” 相聯(lián)動(dòng)的監(jiān)測方式。 將桿塔傾斜探測器安裝在桿塔的橫擔(dān)上， 其具有遠(yuǎn)距離無線通信接口， 負(fù)責(zé)與綜合分析軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 高速球形攝像頭可在水平方向上360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 在垂直方向上的角度活動(dòng)范圍為-15°～90°， 支持自動(dòng)翻轉(zhuǎn)， 分辨率為200 萬像素。 超聲波驅(qū)鳥器用于驅(qū)逐架空線路區(qū)域范圍內(nèi)的鳥類。 其區(qū)別于傳統(tǒng)的物理驅(qū)鳥器和簡單超聲波被動(dòng)驅(qū)鳥裝置， 運(yùn)用雷達(dá)技術(shù)主動(dòng)探測鳥類的靠近， 對(duì)附近探測到的鳥類立即啟動(dòng)驅(qū)逐功能； 利用高靈敏拾音器對(duì)鳥類聲音進(jìn)行探測， 一旦探測到鳥類聲音立即啟動(dòng)驅(qū)逐功能。 負(fù)責(zé)供電的太陽能板主要材料為單晶硅片， 采用節(jié)能設(shè)計(jì)， 在無外界干擾的情況下， 大部分電路處于休眠狀態(tài)， 當(dāng)報(bào)警上報(bào)系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)啟動(dòng)， 最大程度上節(jié)約了電能， 并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控開關(guān)機(jī)[5]。

1.2 系統(tǒng)信息模塊設(shè)計(jì)

本研究在進(jìn)行架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息模塊時(shí)， 主要以4G 全網(wǎng)通無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為破外防數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)闹饕A(chǔ)。 系統(tǒng)根據(jù)架空線路現(xiàn)場實(shí)際通信情況選擇通信方式， 采用無線多方通話系統(tǒng)與無線音視頻系統(tǒng)進(jìn)行無線聯(lián)機(jī)， 以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程音視頻喊話功能。本研究的設(shè)計(jì)開發(fā)主要集中在軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)上， 通過信號(hào)傳輸將監(jiān)控中心后臺(tái)與架空線路現(xiàn)場管理人員的終端或者手機(jī)進(jìn)行連接。 在后臺(tái)管理平臺(tái)的支撐下， 高架線路防護(hù)區(qū)內(nèi)的監(jiān)控顯示裝置可以達(dá)到一屏多顯的監(jiān)測效果， 這種方式也更便于操作人員的管理。 操作人員可以采用多站點(diǎn)登錄的方式進(jìn)行通信連接， 出于多方聯(lián)動(dòng)監(jiān)測考慮， 系統(tǒng)擁有16 個(gè)在線站點(diǎn)， 并且同時(shí)支持?jǐn)嗑€重連與最大網(wǎng)絡(luò)延遲設(shè)置。 在調(diào)試信息模塊設(shè)備時(shí)， 工作人員首先利用使用的終端發(fā)送短信至GW:211.168.68.228;TCP:8885;OM;1;TM;0;UN:card;UP:card 地 址， 使設(shè)備上線， 在此基礎(chǔ)上便可調(diào)試監(jiān)控軟件的視頻狀態(tài)與報(bào)警功能狀態(tài)。

2 架空線路在線監(jiān)測效果分析

本研究在進(jìn)行架空線路在線監(jiān)測效果分析時(shí)，將分別從系統(tǒng)運(yùn)行有效性與監(jiān)測效果兩個(gè)方面進(jìn)行分析。 本研究主要采用現(xiàn)場無人機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行分析， 通過無人機(jī)來模擬威脅性物體， 進(jìn)而從不同的距離與角度分析研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)測效果。在實(shí)驗(yàn)開始前， 需要對(duì)在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化調(diào)試， 在確認(rèn)所有部件功能完好后通知后端測試人員進(jìn)行調(diào)試。 在設(shè)備調(diào)試完畢后， 研究人員將對(duì)高壓線路的名稱、 高壓千伏數(shù)、 桿塔號(hào)、 設(shè)備標(biāo)示號(hào)及卡號(hào)等進(jìn)行記錄。 系統(tǒng)運(yùn)行有效性分析結(jié)果見圖1。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行有效性分析結(jié)果

由圖1 可知， 本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要分為兩個(gè)運(yùn)行功能模塊， 分別為監(jiān)測模塊與信息模塊。 監(jiān)測模塊包含預(yù)覽與抓拍模塊、 實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、 圖像查詢模塊、 遠(yuǎn)程喊話模塊、 圖像記錄模塊， 信息模塊主要包含網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、 遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)模塊、 APP 運(yùn)行模塊、 設(shè)備設(shè)置模塊、 報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊。 圖1 中功能量化值1 代表系統(tǒng)模塊在調(diào)試后未成功運(yùn)行， 功能量化值2 代表系統(tǒng)模塊在調(diào)試后成功運(yùn)行。 由圖1可知， 預(yù)覽與抓拍模塊、 實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、 圖像查詢模塊、 遠(yuǎn)程喊話模塊、 圖像記錄模塊的功能量化值均為2， 代表模塊運(yùn)行正常； 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、 遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)模塊、 APP 運(yùn)行模塊、 設(shè)備設(shè)置模塊、 報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊的功能量化值均為2， 代表模塊運(yùn)行正常。同時(shí)， 在準(zhǔn)確率測試中可以看出， 隨著測試輪次的增加， 線路設(shè)備的監(jiān)測精準(zhǔn)度呈現(xiàn)出前期有所上升、 后期趨于平緩的趨勢， 同時(shí)整體曲線位于監(jiān)測準(zhǔn)確率0.9 上方。 在附屬設(shè)備方面， 隨著測試輪次的增加， 線路設(shè)備的監(jiān)測精準(zhǔn)度同樣呈現(xiàn)出前期上升、 后期平緩的趨勢， 整體曲線同樣位于監(jiān)測準(zhǔn)確率0.9 上方。 由此可見， 本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在線路設(shè)備與附屬設(shè)備兩種設(shè)備類型上均具有顯著的有效性， 監(jiān)測準(zhǔn)確率較高。 針對(duì)不同的危險(xiǎn)物入侵方向下的系統(tǒng)監(jiān)測情況進(jìn)行分析， 分析結(jié)果見圖2。

圖2 不同距離入侵監(jiān)測結(jié)果

由圖2 可知， 在正上方、 正下方、 左側(cè)、 右側(cè)4 個(gè)方向的危險(xiǎn)威脅下， 本研究分別對(duì)5 種不同的入侵距離情況進(jìn)行了監(jiān)測。 可以看出在正上方入侵下8 m 和9 m 的入侵距離均處于危險(xiǎn)閾值線以下，系統(tǒng)也未對(duì)這兩類入侵進(jìn)行警報(bào)， 而5 m、 6 m 和7 m的入侵距離均處于危險(xiǎn)閾值線以上， 系統(tǒng)對(duì)該3 類入侵狀況發(fā)出了警報(bào)。 另外在正下方入侵、 左側(cè)入侵與右側(cè)入侵3 種入侵情況下系統(tǒng)的警報(bào)情況仍然相同， 觀察這兩種情況的危險(xiǎn)值變化情況可以發(fā)現(xiàn)， 左側(cè)入侵與右側(cè)入侵情況中的6 m 和7 m 入侵距離均存在接近危險(xiǎn)閾值的情況， 但是系統(tǒng)仍然發(fā)出了警報(bào)。 由此可見， 在危險(xiǎn)值處于即將跌破危險(xiǎn)警戒值的位置時(shí)系統(tǒng)仍然能夠進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)警， 系統(tǒng)的警報(bào)功能具有穩(wěn)健性和預(yù)防性。

3 結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)架空線路在自然因素或者人為因素下發(fā)生的線路事故， 本研究從事故中干預(yù)、 事故后記錄兩個(gè)視角出發(fā)， 以激光探測技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種具有綜合監(jiān)測功能和信息傳輸功能的綜合性在線監(jiān)測系統(tǒng)。 其中監(jiān)測功能模塊用于達(dá)到全面監(jiān)測效果， 而信息模塊用于達(dá)到遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)和報(bào)警聯(lián)動(dòng)效果。 本研究采用實(shí)地實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行監(jiān)測效果分析， 結(jié)果顯示系統(tǒng)對(duì)線路設(shè)備與附屬設(shè)備的監(jiān)測精準(zhǔn)率均處于0.9 以上； 在正上方、 正下方、 左側(cè)、右側(cè)4 個(gè)方向下， 7 m 以內(nèi)的入侵會(huì)觸發(fā)警報(bào)。 由此可見， 研究設(shè)計(jì)的架空線路綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠達(dá)到高精準(zhǔn)度、 高即時(shí)性遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測的效果，能有效保證架空線路的設(shè)備安全和電網(wǎng)完整性。