基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置研究

李 良

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

江門供電局擔(dān)負(fù)著上下川島海底電纜的運(yùn)維工作，其中4個(gè)海纜終端場作為海底電纜線路的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。由于各海纜終端場均是無人值守站點(diǎn)，且所建位置極為偏遠(yuǎn)，會時(shí)常受到野外異物的入侵和攀爬，帶來不可預(yù)控的安全隱患或設(shè)備損毀（如短路、絕緣層破損、電源擊穿等），而運(yùn)維人員定期巡視的規(guī)律性與間隔性，又難以適應(yīng)異物入侵的無規(guī)律性、偶然性等，因此急需海纜終端場建立一套針對異物入侵的防控裝置。

近年來因活體異物（蛇、鼠等）而導(dǎo)致的輸電設(shè)備故障已成為電力線路的頻發(fā)性故障之一，是影響電網(wǎng)安全的較大隱患之一。如何降低活體異物活動對輸電設(shè)備等電力設(shè)備的危害，促進(jìn)人與自然、人與動物的和諧共處，已成為電網(wǎng)企業(yè)開展輸電日常運(yùn)行維護(hù)工作所面臨的一個(gè)重要課題。

現(xiàn)階段異物入侵防治的探測和驅(qū)趕方式，主要以風(fēng)動或者磁力的方式驅(qū)動機(jī)械臂，但該方式針對性較弱，只能起到固定點(diǎn)的防控，受到設(shè)備形狀及地形的限制；利用超聲波語音驅(qū)趕異物的方式，則在適用性方面存在極大限制，僅能針對個(gè)別動物種類起到驅(qū)趕效果；利用激光驅(qū)趕異物，該方法效果較好，但現(xiàn)有研究只能通過固定路徑展開防控，無法實(shí)現(xiàn)主動驅(qū)趕的效果[1-2]。

為了彌補(bǔ)目前各種防控手段的運(yùn)行弊端，研制了一種基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置，用于防治輸電電纜終端及輸電線路設(shè)備遭受活體異物的影響。該系統(tǒng)采用利用光電邊界探測技術(shù)、激光立體掃描的策略，降低誤報(bào)率低，提升探測驅(qū)趕的覆蓋效果。

1 故障原理

1.1 活體異物活動短路故障

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的3—10 月廣東地區(qū)的活體異物活動頻繁，對于輸電線路存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，活體異物通過叼引各種樹枝等材料進(jìn)行搭建鳥巢，因此極易外露接近導(dǎo)線。在天氣情況較為潮濕的情況下，就會瞬時(shí)引起接地故障從而跳閘。此外，輸電線路運(yùn)維的電纜終端場區(qū)域位于海邊，海鳥會掉落大量鳥糞在絕緣子等部件上，其中接觸的過程中會引發(fā)空氣間隙的擊穿和閃絡(luò)，對設(shè)備的安全運(yùn)行也會造成一定影響。

1.2 鼠類咬破絕緣外層故障

現(xiàn)有的海底電纜終端場均是無人值守站點(diǎn)，且所建位置極為偏遠(yuǎn)，會時(shí)常受到野外異物的入侵和攀爬，在無人值守的情況下，易發(fā)生鼠類等動物撕咬避雷器、戶外終端絕緣外層的安全事故，進(jìn)而引發(fā)絕緣擊穿造成設(shè)備損毀。

2 智能主動驅(qū)趕策略的研究

利用激光的光線驅(qū)趕作用是刺激各類活體異物的眼睛瞪敏感部位，使其產(chǎn)生感光刺激從而逃離，由于激光裝置可以采用云臺調(diào)控進(jìn)行驅(qū)趕，所以覆蓋范圍廣泛，使用于多類型的活體異物驅(qū)趕。在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的時(shí)間、設(shè)備種類，還可通過不斷轉(zhuǎn)換激光頻率和顏色來降低各類活體異物的適應(yīng)性。此外，由于激光對人眼可能造成潛在的傷害風(fēng)險(xiǎn)，本策略將應(yīng)用短頻光波，達(dá)到不刺激傷害眼部的效果。采用不定時(shí)工作的變換方式，會加快對活體異物等異物的驅(qū)趕速度，防止其產(chǎn)生抵抗性驅(qū)趕效果。另外，采用主動規(guī)劃的探測方式，針對危害活動頻頻率高的點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用包含探測模塊、電源模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊的相互配合。

2.1 探測單元

為有效提高驅(qū)趕異物的準(zhǔn)確性和有效率，本研究采用先規(guī)劃路徑、后探測的方法開展。首先，利用電纜終端場等設(shè)備的固定性進(jìn)行建模，通過高清攝像裝置采集不同時(shí)段的活體異物出現(xiàn)頻次，建立系統(tǒng)的驅(qū)趕點(diǎn)。由此利用將信息集成傳輸?shù)娇刂茊卧鳛榧す饴窂揭?guī)劃的基礎(chǔ)單元，基于串口通信進(jìn)行點(diǎn)位設(shè)計(jì)、時(shí)間調(diào)節(jié)、強(qiáng)度調(diào)節(jié)等模塊控制和交互。其次，高清攝像裝置采集到活體異物信息后，將采集信息發(fā)送到綜合云臺控制單元，驅(qū)動云臺工作。本策略通過單片機(jī)DC 模式實(shí)現(xiàn)激光束的有效強(qiáng)度調(diào)節(jié)，強(qiáng)度可調(diào)節(jié)為500～1000 mW，激光的波長也可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)為520～532 nm 進(jìn)行輸出，已達(dá)到驅(qū)趕電纜終端場附近的活體異物。最后，高清相機(jī)也會對激光驅(qū)趕過程進(jìn)行持續(xù)采集，與前段時(shí)間信息進(jìn)行比對，判斷是否起到驅(qū)趕鳥效果，其中光電探測的區(qū)域是通過光照強(qiáng)度的變化而進(jìn)行的信息反饋調(diào)節(jié)，有發(fā)生突變的話，其信號會上傳至處理器進(jìn)行存儲[3-5]。

2.2 激光控制單元

智能激光控制驅(qū)趕裝置的調(diào)用單元主體由單片機(jī)PIC16D70 組成，主要負(fù)責(zé)激光光路的指定以及各交互模式的選擇和信號傳導(dǎo)，驅(qū)動云臺和激光發(fā)射指令驅(qū)趕飛鳥等。根據(jù)不同時(shí)間段，驅(qū)趕的位置以及時(shí)間停留的長短不同，該裝置設(shè)置了3 種工況的運(yùn)行方式：相應(yīng)于鳥類異物的防治模式，其規(guī)劃的激光路徑主要為電纜終端的上部區(qū)域，重點(diǎn)在轉(zhuǎn)角等落鳥區(qū)域停留掃射，防止上空鳥類停留和鳥糞下落；蛇鼠類防治模式的重點(diǎn)規(guī)劃區(qū)段為底座位置以及終端護(hù)套的末端，切斷蛇鼠類相上延展的路徑；晚上的夜間工作方式，由于鳥類夜間的活動減少，故加大掃描間隙。以第二種模式為主，以達(dá)到降低作業(yè)功耗的目的。

2.3 激光掃描單元

本模塊單元為核心單元，其為驅(qū)趕異物的主要模塊單元，主要流程為利用手動設(shè)定、控制掃描方式、速度及區(qū)域，可使激光按軌跡形成一個(gè)立體的掃描區(qū)域，驅(qū)趕異物，并防止其他異物入侵，覆蓋范圍廣，將事故隱患降低到最小，從而達(dá)到保障終端場安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。為防止激光對誤入人員或空中航班造成影響，在激光掃描過程中將云臺的活動范圍限制在上下35°、水平旋轉(zhuǎn)幅度350°，在此范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)立體運(yùn)作，通過接收探測單元的規(guī)劃點(diǎn)指示激光進(jìn)行相應(yīng)的動作響應(yīng)（圖1）。

圖1 裝置運(yùn)轉(zhuǎn)

2.4 雙能供電單元

智能超聲驅(qū)趕異物裝置采用太陽能及蓄電池的雙能供電系統(tǒng)。裝置采用由太陽能電池板、控制電路和蓄電池組成的雙能供電系統(tǒng)。主要能源供應(yīng)以日照的太陽能充電為主，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，本策略利用電路控制合理調(diào)節(jié)控電系統(tǒng)的工作時(shí)間，為防止蓄電池過量充放，將充電限額一般固定于至85%左右，且放電余留20%左右，確保蓄電池的供應(yīng)能夠滿足10 h 的使用要求。監(jiān)測電池的用量程度，合理分配兩種能源的使用狀態(tài)，在光照充足時(shí)將電能存儲與蓄電池中，在陰雨天以及夜間使用，確保整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)可以穩(wěn)定地長時(shí)間工作。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置的可靠性，并具有穩(wěn)定、驅(qū)趕準(zhǔn)確、適用于多場景等特點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路。本文針對多場景、驅(qū)趕有效率等測試指標(biāo)，對基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置進(jìn)行了測試。

由于鳥類活動范圍較為廣泛，且對線路的危害性最大，現(xiàn)以模擬某220 kV 某海纜終端場的重點(diǎn)鳥害隱患區(qū)段為例，分別選取兩處測試點(diǎn)，一處設(shè)置驅(qū)趕裝置進(jìn)行對比。通過6 個(gè)月的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，對比前后鳥類活動頻次得到表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，安裝驅(qū)鳥裝置前后鳥類活動頻次明顯下降，同時(shí)隨著鳥害高發(fā)季節(jié)也會隨之增大。這驗(yàn)證了本裝置可以有效驅(qū)趕活體異物，對輸電終端等設(shè)備有明顯的輔助作用。

表1 安裝驅(qū)鳥裝置前后鳥類活動頻次 次

在完成測試后，基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置應(yīng)用于實(shí)際的輸電線路運(yùn)維中，一方面激光智能主動驅(qū)趕的投入可以減少常規(guī)日常巡視的工作投入，另一方面通過不斷循環(huán)掃描輸電設(shè)備可以創(chuàng)建一個(gè)永久的保護(hù)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行管理。

4 結(jié)束語

基于智能主動驅(qū)趕的輸電終端場防異物裝置研究，利用手動設(shè)定、控制掃描方式、速度及區(qū)域，可使激光按軌跡形成一個(gè)立體的掃描區(qū)域，驅(qū)趕異物，并防止其他異物入侵，覆蓋范圍廣，將事故隱患降低到最小，從而達(dá)到保障終端場安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。另一方面，相比傳統(tǒng)異物入侵的防治辦法，該系統(tǒng)具有驅(qū)趕效果持續(xù)時(shí)間長、成本低、可靠性高，有較好的應(yīng)用前景。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，也驗(yàn)證了該裝置的有效性。