劉毓，李波，羅晶，楊勝杰，章國勇，張藝婷

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410129；2.國網(wǎng)湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南益陽413000)

輸電線路分布式山火監(jiān)測系統(tǒng)在湖南電網(wǎng)的應(yīng)用

劉毓1，李波1，羅晶1，楊勝杰1，章國勇1，張藝婷2

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南長沙410129；2.國網(wǎng)湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南益陽413000)

本文研究了輸電線路山火分布式監(jiān)測系統(tǒng)，通過安裝在山火高發(fā)點的遠程終端進行可見光/紅外熱成像數(shù)據(jù)采集，通過GPRS無線通訊通道傳輸至后臺管理軟件，并自動識別火點信息，實現(xiàn)對山火的近距離實時監(jiān)測告警，為電網(wǎng)山火監(jiān)測預(yù)警提供了新的手段，可提高輸電線路山火防治效率。通過在±800 kV賓金線上的應(yīng)用來看，山火監(jiān)測效果良好，值得推廣應(yīng)用。針對系統(tǒng)存在能耗過大和無線通信信號較弱的問題，本文分別提出了利用風(fēng)光互補和高壓互感取電供能以及基于北斗/CDMA/GPRS多模通信模塊的展望，為后續(xù)研究與提升提供參考。

山火；分布式監(jiān)測；紅外熱成像；互感取電；多模通信

受人民群眾的生產(chǎn)生活用火習(xí)俗和氣象等因素的綜合作用，每逢春節(jié)、春耕、清明、秋收等時節(jié)，當(dāng)遭遇持續(xù)干燥的天氣時，湖南省易爆發(fā)輸電線路大面積山火，引起線路跳閘〔1－3〕。當(dāng)多條線路同時跳閘或出現(xiàn)保護拒動等情形時，可能造成大面積停電事件，對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。例如，2012年清明期間，受生產(chǎn)祭祀活動的影響，湖南、湖北、浙江、安徽等地區(qū)輸電線路山火頻發(fā)，引發(fā)多起500 kV交流線路停運故障，僅湖南省220 kV及以上電壓等級輸電線路山火跳閘就高達11條次〔1〕；2013年，1 000 kV特高壓交流線路發(fā)生的3次跳閘均由山火引起，最長一次引起線路停運達3天之久。山火災(zāi)害已成為影響大電網(wǎng)安全運行的重大隱患。

為了對輸電線路山火進行有效監(jiān)測，國家電網(wǎng)公司采用了多種方式，包括氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測〔3〕、固定地點安裝煙火探測裝置以及派護林員進行人工蹲守監(jiān)視等，取得了一定的成效，但監(jiān)測手段較為被動，仍然存在很多不足。

文中研究了基于熱紅外技術(shù)的輸變電線路分布式山火監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對輸電線路附近山火的近距離實時監(jiān)測，并成功在±800 kV賓金線得以應(yīng)用，提升了電網(wǎng)輸電線路山火的監(jiān)測預(yù)警能力。

1 系統(tǒng)原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 熱紅外成像

自然界的一切物體，只要它的溫度高于絕對溫度(－273℃)就存在分子和原子無規(guī)則的運動，其表面就不斷地輻射紅外線〔4〕。紅外線是一種電磁波，波長范圍為0.78～1 000 μm(如圖1所示)，反映物體表面的紅外輻射場，物體溫度越高，輻射出的紅外線能量越大。不同溫度的物體輻射出的紅外線經(jīng)紅外熱探測器吸收，產(chǎn)生電效應(yīng)，電信號經(jīng)處理，得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖，即紅外熱成像(如圖2所示)。

圖1 電磁波圖譜

圖2 熱成像原理

采用非制冷紅外焦平面感應(yīng)器和圖像處理算法，當(dāng)發(fā)生山火時，該區(qū)域輻射的紅外線能量比周圍區(qū)域大得多，從紅外熱成像中可自動識別并發(fā)布告警。

1.2 系統(tǒng)原理

輸電線路山火監(jiān)測裝置主要通過紅外熱感應(yīng)原理進行山火監(jiān)測，利用紅外熱感應(yīng)傳感器檢測周圍環(huán)境溫度，當(dāng)檢測到溫度超過閥值時，紅外熱感應(yīng)傳感器立即輸出報警信號至主控器，主控器檢測到此信號后立即打開可見光攝像機電源進行圖像采集，然后進行圖像分析識別，判斷是否為山火。當(dāng)判斷為山火時，立即將采集的圖像、線路桿塔信息及山火對線路影響的趨勢通過短信方式通知相關(guān)線路運維人員，同時監(jiān)測裝置將現(xiàn)場視頻信息壓縮編碼后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺管理軟件，以便線路運維人員查看。系統(tǒng)原理圖和監(jiān)測實況對比分別如圖3，4所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)原理圖

圖4 可視光圖像與熱紅外圖像對比

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 熱紅外山火識別與圖像增強技術(shù)

紅外圖像具有高背景、低反差的特點，目標(biāo)占用的動態(tài)范圍相比于背景輻射所占的比重過小〔5〕，加上輸變電線路山火監(jiān)測距離遠、地形條件復(fù)雜、植被密集遮掩、火點面積小等特點，為了提高辨識準(zhǔn)確性，需要對圖像進行增強處理，以提高圖像信號的溫度對比度，使得系統(tǒng)可在紅外環(huán)境中捕捉微小溫差目標(biāo)。

文中采用紅外圖像細節(jié)增強算法進行處理。原始圖像經(jīng)過中值濾波去噪后得到De_no再由5×5均值濾波得到低頻圖像Low，如式(1)所示:

則細節(jié)圖像Det可由De_no減去部分低頻圖像得到:

De_no由低頻圖像和高頻圖像構(gòu)成:

由式(2)、(3)得:

式(2)—(4)中W為權(quán)重，用來控制低頻圖像的比重，Low比重越小，背景信息越易丟失，Low比重越大，細節(jié)增強越不明顯，在實際應(yīng)用中根據(jù)需要進行選擇。

1.3.2 嵌入式控制板開發(fā)與控制策略

嵌入式控制板負責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通信及相關(guān)控制策略，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)核及硬件配置選擇合適的開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)。由于輸電線路山火監(jiān)測半徑1～2 km，單一的視頻掃描策略難以覆蓋全部區(qū)域，需根據(jù)實際情況對控制策略進行優(yōu)化，包括掃描頻率及路徑設(shè)置、焦距調(diào)節(jié)等，同時在陰雨天等山火發(fā)生概率較低的情況下，合理減少掃描次數(shù)，節(jié)約系統(tǒng)耗能。

2 應(yīng)用情況

2.1 應(yīng)用效果

2015年5月，國網(wǎng)湖南省電力公司在±800 kV賓金線湖南、貴州段安裝了59套分布式山火監(jiān)測裝置，并接入至國家電網(wǎng)公司輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警中心主站系統(tǒng)，為國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)山火監(jiān)測提供了新的監(jiān)測手段。

從2015年6—12月，上述分布式山火監(jiān)測裝置監(jiān)測到賓金線湖南、貴州段山火點26個，經(jīng)現(xiàn)場驗證為山火的有23個(主要為農(nóng)民焚燒秸稈、燒荒引起)，為山火防治提供了有利的指導(dǎo)。

2.2 存在問題

2.2.1 系統(tǒng)能耗過大

系統(tǒng)配置太陽能電池板對蓄電池進行充電，其峰值功率為50 Wp(Wp表示最大輸出功率，即在太陽輻射強度1 000 W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，電池溫度25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下，太陽能電池板的輸出功率)。按長沙的光照條件，每天折算成標(biāo)準(zhǔn)光照時間約為3.2 h，即太陽能電池板平均每天可為蓄電池充電:

該充電量難以滿足系統(tǒng)功耗。若出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，電量將大幅下降，太陽電池板的輸出功率大約在額定功率的5%～15%，即8～24 Wh，蓄電池當(dāng)天釋放的能量將難以得到有效補充。為了減少系統(tǒng)功耗，延長工作時間，采用以下方法:

1)采用基于ARM的嵌入式中央處理器(CPU)，可降低系統(tǒng)的待機功耗。

2)采用低功耗巡檢策略。每隔30～60 min掃描一次，平時將探測鏡頭關(guān)閉。在山火高發(fā)期采用人機結(jié)合的方式運行。

3)利用溫濕度氣象傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)啟停。例如，在濕度大于99%時，可認(rèn)為不會發(fā)生山火，此時將系統(tǒng)關(guān)閉儲能。

2.2.2 無線通信通道信號較弱

目前系統(tǒng)使用的是基于公網(wǎng)的無線GPRS (General Packet Radio Service)技術(shù)提供通信通道，受無線信號覆蓋面的影響，一些安裝在偏遠高山上的分布式監(jiān)測裝置信號差，難以及時傳輸視頻數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論與展望

分布式山火監(jiān)測系統(tǒng)在湖南電網(wǎng)的成功應(yīng)用，為電網(wǎng)山火監(jiān)測提供了新的手段。中國山火高發(fā)地區(qū)面積廣，輸電線路錯綜復(fù)雜，僅僅數(shù)10套分布式監(jiān)測裝置不足以滿足山火監(jiān)測工作的要求。因此，為了提高電網(wǎng)山火監(jiān)測力度，應(yīng)加大輸電線路分布式山火監(jiān)測裝置在全國的推廣力度。

針對所述系統(tǒng)能耗過大的問題，后續(xù)的研究可從以下兩方面入手:1)研究適合于輸電線路桿塔安裝的風(fēng)光互補功能裝置，利用風(fēng)力與太陽能一起供電；2)研究高壓互感取電裝置，實現(xiàn)非接觸方式從高壓線側(cè)感應(yīng)取電，為分布式監(jiān)測裝置提供不間斷電源。

針對所述無線通信通道信號較弱的問題，后續(xù)研究可從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)入手，研究基于CDMA (Code Division Multiple Access)、GPRS通信和北斗通信的多通道通信方式，設(shè)計北斗/CDMA/GPRS多模通信模塊，集成北斗、CDMA和GPRS 3種數(shù)據(jù)傳輸方式，可大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

〔1〕陸佳政，劉毓，吳傳平，等.輸電線路山火衛(wèi)星監(jiān)測與告警算法研究〔J〕.中國電機工程學(xué)報，2015，35(21):5511-5519.

〔2〕陸佳政，劉毓，楊莉，等.輸電線路山火發(fā)生規(guī)律分析〔J〕.消防科學(xué)與技術(shù)，2014，33(12):1 447-1 450.

〔3〕陸佳政，吳傳平，楊莉，等.輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究及應(yīng)用〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(16):89-95.

〔4〕黃永義.普朗克黑體輻射定律的建立過程〔J〕.廣西物理，2011，32(3):32-37.

〔5〕辛富國，李榮芳，權(quán)東曉.一種紅外圖像細節(jié)增強算法〔J〕.太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2014，12(3):440-444.

Application of distributed monitoring system for transmission line nearby wildfire in Hunan power grid

LIU Yu1，LI Bo1，LUO Jing1，YANG Shengjie1，ZHAGN Guoyong1，ZHANG Yiting2
(1.State Grid Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha，410129，China；2.State Grid Electric Power Corporation Yiyang Power Supply Company，Yiyang，413000，China)

The distributed monitoring system for transmission line nearby wildfires are studied in this paper.The visible/ infrared thermal imaging data are detected by the remote terminal，which is installed at the fire risk area.The data are transferred to the background management system by GPRS wireless commucication channel and the fire spots are automatically identified，realizing the close range and real-time monitoring and alarm of wildfires.This paper provides a new method for transmission line nearby wildfire monitoring and early warning，and thus improves the prevention efficiency of wildfires.The application in±800 kV Binjin Line shows the monitoring effect is good，which means it is worth popularizing and applying. Aiming at the two disadvantages of large energy consumption and weak wireless communication signal，wind＆light complementary and high voltage mutual induction electric energy supply method and multimode communication module based on BEIDOU/CDMA/GPRS are proposed respectively，providing reference for further study and improvement.

wildfire；distributed monitoring；infrared thermal imaging；mutual induction；multimode communication

TM726

B

1008-0198(2016)05-0044-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.011

劉毓(1986)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究。

2016-02-01

國家電網(wǎng)公司項目(5216A015001M)