張　臻，張　琛

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2.武警上海消防總隊，上海，200051）

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基于紅外探測器的輸電線路山火監(jiān)測方案

張臻1，張琛2

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2.武警上海消防總隊，上海，200051）

摘要：越來越多的特高壓輸電線路經(jīng)過山林地區(qū)，為減少山火對特高壓輸電安全穩(wěn)定運行的影響，提出了一種基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監(jiān)測方案。利用紅外探測器檢測出山火信號，基于數(shù)字信號處理器（DSP）的下位機山火監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)的山火信號采集，后臺預警程序?qū)崿F(xiàn)山火位置的顯示。對模擬山火進行了測試，裝置能對小范圍內(nèi)山火進行監(jiān)測，并能夠判斷模擬山火的位置，是一種可行的特高壓輸電線路山火監(jiān)測方案。

關鍵詞：紅外探測器；特高壓輸電線路；山火監(jiān)測；遠程測控終端

我國的能源資源和負荷分布決定了發(fā)電中心遠離負荷中心，需要采用特高壓遠距離輸電。與超高壓輸電線路相比，特高壓輸電線路走廊更寬。由于輸電線路走廊受限，越來越多的輸電線路經(jīng)過山林區(qū)域。發(fā)生山林火災，山火蔓延至輸電線路下方時，造成空氣熱游離、局部空氣密度下降、空氣電導率增大、電場畸變，從而可能導致線路相地或相間擊穿而引發(fā)跳閘事故。紅外測溫診斷技術可以及時發(fā)現(xiàn)電力設備缺陷，避免故障擴大事故［ 1 ］，文中提出了一種基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監(jiān)測方案，通過對掃描區(qū)域內(nèi)紅外光譜的分析，實現(xiàn)了對小范圍內(nèi)輸電線路山火的監(jiān)測和預警。該方案與衛(wèi)星遙感探火技術相比，不受云層、大氣影響，測量精度更高，裝置成本更低。

1　系統(tǒng)原理

地面物體由于具有不同的溫度，而向外輻射不同波長的電磁波。物體溫度T和輻射波長的關系遵循維恩位移定律［ 2，3 ］：

T為熱力學溫度，λ為輻射波長。由式（1）可見，物體溫度越高，輻射波長越小，文中設計的山火監(jiān)測系統(tǒng)采用碲鎘汞紅外探測器［ 4 ］檢測波長3～5 μm的中紅外光實現(xiàn)山火預警。碲鎘汞紅外探測器對3～5 μm波長的光線響應最強［ 5 ］，可見光中的近紅外光也會產(chǎn)生響應，但可以通過濾鏡濾除。

該山火監(jiān)測系統(tǒng)由風光互補電源對12 V蓄電池充電，蓄電池為整個裝置提供電源。裝置掃描半徑5 km的區(qū)域，通過紅外探測器，將光物理量轉(zhuǎn)換成電壓量，通過信號調(diào)理電路調(diào)理后，由控制芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（Analog-to-Digital Converter， ADC）對電壓模擬量進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳給無線遠程測控終端 （Remote Terminal Unit， RTU），RTU通過無線通信將數(shù)據(jù)傳給上位機，在后臺客戶端生成一幅黑白的電子信息地圖。山火探測系統(tǒng)每5 min對監(jiān)測范圍內(nèi)進行一次掃描，如果探測到山火，控制芯片將起火點的位置數(shù)據(jù)傳輸給后臺客戶端，并在客戶端的電子地圖上顯示起火點的位置，并發(fā)出報警信息通知值班人員［ 6 ］。

2　下位機控制部分設計

2.1系統(tǒng)結構

下位機控制系統(tǒng)選用低成本浮點TMS320F28062芯片，時鐘頻率為90 MHz，具有很高的性價比和出色的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor， DSP）控制功能。芯片采用單電源供電，使得印刷電路板（Printed Circuit Board， PCB）的設計更加簡單方便。

紅外探測器將光物理量轉(zhuǎn)換為電壓量，通過信號調(diào)理電路后由DSP芯片的ADC模塊進行采樣，完成數(shù)據(jù)采集的過程［ 7 ］?？刂葡到y(tǒng)在掃描狀態(tài)時將監(jiān)測范圍內(nèi)的物體溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位的灰度值后，將灰度值數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_程序繪制電子地圖。當監(jiān)測到火災點時，控制系統(tǒng)開始進入預警狀態(tài)，將出現(xiàn)山火的坐標發(fā)送給后臺程序。

DSP IO引腳通過電平轉(zhuǎn)換芯片將電壓轉(zhuǎn)換為5 V后，通過雙H橋電機驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動直流電機［ 8 ］。DSP控制濾鏡電機在預警狀態(tài)下濾除可見光中近紅外光的干擾，控制步進電機和轉(zhuǎn)鏡電機采集X軸和Y軸上的物體溫度數(shù)據(jù)。雨刷電機用于定期為鏡面清灰。光電開關通過高低電平的變化將電機的位置信息反饋給DSP芯片。DSP控制芯片通過485通信將灰度值數(shù)據(jù)、火災點坐標傳輸給RTU，同時接收RTU發(fā)送的控制命令。RTU通過無線和上位機連接，從而和后臺程序進行通信。

2.2濾鏡電機的控制

如圖1所示，濾鏡電機的轉(zhuǎn)子帶動固定在轉(zhuǎn)子上的支桿轉(zhuǎn)動，默認位置為掃描狀態(tài)，濾鏡轉(zhuǎn)至光電開關3的位置。當監(jiān)測到火災點時，進入預警狀態(tài)，將濾鏡沿路徑1轉(zhuǎn)至中間位置，通過濾鏡濾除可見光線中近紅外光的干擾，使得預警時只識別火焰中波長為3～5 μm的光信號。此時光電開關4被擋住，由DSP的IO引腳檢測到電平變化后，控制濾鏡電機停止轉(zhuǎn)動。當預警狀態(tài)結束后，濾鏡電機反方向沿路徑2回到掃描狀態(tài)的位置。

圖1　濾鏡電機帶動濾鏡轉(zhuǎn)動示意圖

2.3步進電機的控制

DSP通過控制步進電機轉(zhuǎn)動采集X坐標軸方向的物體溫度數(shù)據(jù)，步進電機選用兩相四線減速步進電機，工作在八拍工作方式［ 9 ］，驅(qū)動波形如圖2所示。

圖2　步進電機八拍工作方式驅(qū)動波形

步進電機步距角θ為1.8°，內(nèi)置減速機構減速比M為 19.2 ： 1，外接減速齒輪減速比 N為 100 ： 27= 3.703 7。步進電機轉(zhuǎn)動一個步距角θ，對應主軸轉(zhuǎn)動角度θ主軸為：

經(jīng)計算，主軸轉(zhuǎn)動角度為0.025°。所以，主軸旋轉(zhuǎn)180°，對應步進電機旋轉(zhuǎn)步數(shù)為180/0.025 =7200步。步進電機每旋轉(zhuǎn)2步，進行一次光信號的采集。掃描狀態(tài)下，在X坐標軸方向上，采集7200/2 =3600個點的灰度值。

2.4轉(zhuǎn)鏡電機的控制

轉(zhuǎn)鏡連接的無刷直流電機以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)一周中，采集光信號的有效區(qū)域?qū)嵌葹?0°，無效區(qū)域?qū)嵌葹?70°。轉(zhuǎn)鏡的位置信號通過光柵采集到DSP中，光電開關1用于判斷轉(zhuǎn)鏡電機的零位點，光電開關2和碼盤、光柵用于判斷轉(zhuǎn)鏡電機的位置。所選光柵為100線，光柵每轉(zhuǎn)過1線，即轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)過3.6°，光電開關產(chǎn)生一個脈沖輸出。當轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)到θ時，進入有效區(qū)域，在θ： θ+45°和θ+ 135°： θ+180°角度范圍內(nèi)，進行Y坐標軸方向的溫度數(shù)據(jù)采集。

圖3　轉(zhuǎn)鏡電機測量有效區(qū)域

在轉(zhuǎn)鏡電機無效角度范圍內(nèi)，步進電機需要完成步進2步，所以步進電機驅(qū)動脈沖時間和轉(zhuǎn)鏡電機轉(zhuǎn)動周期T2之間需要滿足關系：

在有效區(qū)域內(nèi)，設計DSP對光信號進行采樣3200個像素點，完成Y坐標軸方向上灰度值的采集。

3　后臺處理程序設計

如圖4所示，控制板和RTU采用458通信，RTU和上位機采用通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service， GPRS）無線通信。GPRS通信速度快、通信費用低、組網(wǎng)靈活［ 10 ］，通過GPRS無線網(wǎng)絡使得監(jiān)測中心可以對監(jiān)測范圍內(nèi)山火情況進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)了無人值守。

圖4　下位機控制部分、RTU和后臺程序的通信方式

由于單個山火監(jiān)測裝置監(jiān)測范圍較小，實際使用可以采用分布式結構，根據(jù)每個山火監(jiān)測裝置的探測范圍，將多個山火探測裝置探測到的數(shù)據(jù)通過上位機集中顯示。基于Visual C#的后臺程序通過調(diào)用RTU設備的GPRS動態(tài)鏈接庫函數(shù)實現(xiàn)對設備的識別、偵聽以及指令發(fā)送，通過多線程實現(xiàn)對多個設備的訪問，將接收到的灰度值數(shù)據(jù)繪制成灰度圖，繪制出掃描范圍內(nèi)的電子信息地圖。發(fā)生火災時，由DSP將山火位置的X軸和Y軸位置信息發(fā)送給后臺程序，后臺程序在灰度圖對應位置顯示火災點，并發(fā)出報警信息通知值班人員。

4　實驗結果

山火監(jiān)測系統(tǒng)樣機如圖5所示，電源板為控制板、電機、光電開關提供隔離電源，控制板實現(xiàn)了電機的控制、光電信號、模擬信號的采集以及數(shù)據(jù)的傳輸。步進電機帶動轉(zhuǎn)臺沿X軸方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鏡電機帶動轉(zhuǎn)鏡采集Y軸方向的光信號。

圖5山火監(jiān)測系統(tǒng)樣機

圖6為碲鎘汞紅外探測器對火焰和可見光的響應，通過濾鏡可以濾除對可見光的響應。轉(zhuǎn)鏡電機轉(zhuǎn)速為12.5 r/s，對應紅外探測器的響應波形周期為80 ms。圖中碲鎘汞紅外探測器對可見光響應的寬度為10 ms，即轉(zhuǎn)鏡電機掃描一側(cè)的有效區(qū)域?qū)嵌葹?5°。

圖6　碲鎘汞紅外探測器響應波形

在1 km外采用實驗火焰對山火監(jiān)測裝置進行了測試，上位機保存的灰度如圖7、圖8所示。圖7對應圖3中有效區(qū)域1，圖8對應圖3中有效區(qū)域2。上位機程序根據(jù)DSP采樣到光模擬量信號對應的灰度信號，能夠準確判斷出火災點。如圖8所示，DSP根據(jù)步進電機和轉(zhuǎn)鏡電機的轉(zhuǎn)角值對應火災點在平面區(qū)域內(nèi)的坐標，在后臺程序中顯示模擬火災點的位置。

圖7　山火監(jiān)測裝置監(jiān)測有效區(qū)域1灰度

圖8　山火監(jiān)測裝置監(jiān)測有效區(qū)域2灰度

5　結束語

在提出基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監(jiān)測方案的基礎上，對山火監(jiān)測系統(tǒng)的各部分硬件進行了設計。通過模擬山火的試驗驗證了山火監(jiān)測方案的正確性和可行性。該裝置精度較高、成本較低，能夠判斷出山火位置，可以在有微小火災的時候及時發(fā)現(xiàn)、處理，防止山火擴大，有助于減少因山火造成的跳閘事故，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，具有很大的發(fā)展空間和應用前景。

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張臻（1989），男，江蘇南京人，碩士，從事特高壓電網(wǎng)運維工作；

張?。?989），男，江蘇南京人，碩士在讀，主要研究方向為嵌入式、云計算和人工智能。

Method to Forest Fire Monitoring Based on Infrared Detector

ZHANG Zhen1， ZHANG Chen2
（1. Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch ， Nanjing 211102， China；2. Shanghai Armed Police Corps， Shanghai 200051， China）

Abstract：More and more UHV transmission line pass through forests. A method of forest fire monitoring based on infrared detector is proposed to reduce the influence of forest fire to the stabilization of UHV transmission. The signal of forest fire is detected by infrared detector and sampled by DSP based equipment. The location of forest fire is displayed by a background program. A virtual forest fire is detected. It is proved that the equipment can monitor forest fire in a certain area and the method is practicable.

Key words：infrared detector； UHV transmission line； forest fire monitoring； remote terminal unit

中圖分類號：TM755

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0057-03

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-24；修回日期：2016-02-01