李忠魁，程生安，趙 明，左魁生

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基于高壓輸電線路的防外力破壞預警技術研究

李忠魁，程生安，趙 明，左魁生

(國網河南省電力公司鄭州供電公司，河南省鄭州市，450000)

輸電線路分布區(qū)域廣、傳輸距離長、地形條件復雜，超高車輛線下通行或超高機具線旁作業(yè)等外力破壞引發(fā)線路斷裂、短路事故時有發(fā)生，這不僅給用電企業(yè)造成了經濟損失，也對電網安全運行構成了嚴重威脅。這些事故的發(fā)生往往具有經常性、隱蔽性、突發(fā)性，致使日常巡視難以達到預期效果。為保護輸電線路的安全，預防輸電線路外力破壞隱患，本文設計和開發(fā)了一套輸電線路防外力破壞預警系統(tǒng)，旨在有效減少或消除外力破壞事故，提高輸電線路安全運行和智能化管理水平。

輸電線路；外力破壞；智能預警；超聲測距；智能化管理

0 引言

近些年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市的基礎建設不斷加大投入，各行各業(yè)都呈現出蓬勃發(fā)展的勢頭，在用電量不斷增長的同時，伴隨著線路設備運行維護部門的是外力破壞導致線路跳閘的記錄被屢屢刷新。據統(tǒng)計，往年外力破壞造成的跳閘占輸電線路跳閘率的70%，而施工機械特別是吊車、吊臂等碰線造成的跳閘又占外力破壞的70%以上。

由于輸電線路點多面廣，加之隨著高壓輸電線路下的各類施工越來越多,特別是現在許多施工吊車在高壓輸電線下作業(yè)時，導線對地距離遠遠滿足不了日益增長的大樓航吊和大型施工機械的高度，導致時常發(fā)生吊車碰觸高壓輸電線的事故。這是因為僅依靠施工人員現場目測來判斷吊臂與高壓輸電線的安全距離，不可靠且容易被忽視。各供電公司線路的設備運行維護部門雖然制定了相應的規(guī)章制度，采取了諸如增加巡視周期、蹲守、盯防、培訓操作人員、安裝視頻在線檢測設備等措施，但收效甚微，因上述原因造成的跳閘仍呈現高發(fā)態(tài)勢。

因此，在大型施工機械（車輛）施工地段，為防止因吊車吊臂與高壓線路距離太近造成的安全事故發(fā)生，研究出一種安裝架設在高壓輸電線路導線或桿塔上的防外力破壞智能預警裝置迫在眉睫。

在電力系統(tǒng)中，智能預警技術已被廣泛應用。文獻[1]提出了針對架空線路覆冰時，其外絕緣狀態(tài)和機械荷載狀況的智能預警系統(tǒng)評估方案。但受信息傳輸手段的制約，目前智能預警技術仍主要用于站內電氣設備的故障判斷，如變壓器故障與異常狀態(tài)識別等[2]，在輸電線路故障判斷方面運用不足，且運用于輸電線路的智能預警技術較少將可見光視頻圖像、紅外圖像作為判斷依據的主要數據單元。也有研究針對外力破壞系統(tǒng)進行了研究，但是硬件設計中現場報警設備局限于單電源供電，不能保證安全可靠運行，有一定局限性[8]。文獻[9]與[10]采用了太陽能加蓄電池兩種供電方式，但是在控制軟件設計上可以進一步改進。

因此，本文提出一種基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)，來實時、準確、可靠地判斷輸電線路防外力破壞的智能預警系統(tǒng)。

1 總體結構原理

輸電線路防外力破壞預警系統(tǒng)的設計目標是針對重點區(qū)域、重點部位、重點線路的架空輸電線路線下超高車輛通行，吊車、水泥泵車等線旁作業(yè)以及各種違章行為而引發(fā)的外力破壞事故實施預警，保護輸電線路安全穩(wěn)定運行。系統(tǒng)應具備實時感測、現場警告、遠程預警、后臺管理、易使用維護等功能。

本文設計的輸電線路防外力破壞預警系統(tǒng)總體結構，主要包括超聲測距裝置、現場報警裝置和遠端監(jiān)控裝置三個子系統(tǒng)構成。將距離檢測和自動報警分開部署，利用無線傳輸將二者互聯，既降低安裝在輸電線路上的測距裝置的體積、重量、功耗，方便裝配，又達到保護輸電線路安全，預防外力破壞的目的。

本系統(tǒng)通過超聲波測距裝置在線監(jiān)測有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內，當人員或施工作業(yè)車輛處于危險區(qū)域，系統(tǒng)立刻觸發(fā)現場報警裝置及時響應，遠端監(jiān)控裝置通過GPS定位系統(tǒng)，及時發(fā)現警報所在地區(qū)，當警報持續(xù)時間超過規(guī)定值，施工維修人員能及時到達故障點，防止輸電線路發(fā)生破壞，影響電網安全穩(wěn)定運行。

2 硬件設計方案

輸電線路預警系統(tǒng)硬件主要包括：超聲測距裝置、GPS模塊和現場聲波報警裝置。整個監(jiān)測系統(tǒng)可直接懸掛（安裝）于容易發(fā)生事故的施工地段的輸電線路導線上，同時也可以安裝在相鄰桿塔上對監(jiān)視區(qū)域進行監(jiān)測、掃描探測，通過監(jiān)測移動物體與輸電線路鐵塔絕緣安全距離，達到報警效果。

2.1 超聲測距裝置

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波。超聲波指向性強，在介質中傳播距離遠，可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計方便、計算處理簡單，并且在測量精度方面也能達到要求[3]。

超聲波測距模塊中超聲波傳感器包括超聲波發(fā)送器和接收器。根據輸電線路規(guī)程規(guī)范，輸電線路鐵塔絕緣安全距離一般比較小，不超過10 m，因此該系統(tǒng)中超聲波傳感器選常用的壓電式超聲波換能器，即發(fā)射超聲波時將電能轉換成發(fā)射超聲波而在收到回波的時候則將超聲振動轉換成電信號。

超聲波測距的原理一般采用時間差測距法。測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間乘以超聲波的速度，得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據計時器記錄時間差Dt，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S。超聲波測距模塊可實現2 cm~ 7 m的非接觸測距功能,供電電壓為5 V，靜態(tài)功耗低于3 mA，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠[11-12]。

超聲波發(fā)射模塊電路如圖1所示，升壓變壓器可自制，線圈線徑為0.8 mm，初級線圈匝數為50，次級線圈匝數為350。從P35端輸入40 kHz的控制信號。

圖1 超聲傳感器發(fā)射模塊電路圖

2.2 聲光報警裝置

聲光報警模塊內有電磁線圈和發(fā)光二極管、喇叭等，其工作原理簡單且模塊化程度較高，可以非常方便從市場上獲得成品，將其通過細導線接入主機即可。聲光報警模塊接收主機的命令，啟動并作出相應報警動作。

2.3 GPS模塊

GPS模塊主要是通過GPS接收機與衛(wèi)星之間進行數據傳輸，實現報警定位功能，減少巡線工作量。定位原理一般由公式（1）~（4）[4]確定。輸電線路工程中根據地形及電壓等級情況，各基桿塔之間檔距一般較大，而且現今GPS模塊定位精度較高一般在10 m以內，不會出現由于檔距問題而出現定位偏差情況。本系統(tǒng)中GPS模塊選用MEB-1280GPS，MEB-1280模塊是全球體積最小的GPS模塊，定位精度高（3 m），不會受到城市綠化樹木的影響。當超聲波測距傳感器檢測到移動物體出現在鐵塔絕緣安全距離以內時，聲波報警裝置立即響應，同時GPS模塊通過衛(wèi)星和接收機之間的數據聯系，確定報警具體位置，并通過移動互聯網絡將GPS數據傳送到中心數據庫中。

（2）

（3）

本部分從系統(tǒng)功能需求分析入手，給出了系統(tǒng)硬件設計方法。通過超聲波測距的方式來在線監(jiān)測有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內。通過比較GSM、3G和GPRS等主流的遠程無線通信傳輸方案，選用GPRS模塊作為遠程通信信道；通過比較蓄電池、太陽能、感應取電等電源供電方案，確定線上測距裝置采用輸電線路電磁感應取電供電方式，現場告警終端采用蓄電池供電方式傳輸方案。[5]

3 控制軟件方案

本系統(tǒng)由線上測距裝置、現場告警終端和遠端預警平臺構成，其中線上測距裝置和現場告警終端以單片機為主控芯片開發(fā)，軟件開發(fā)采用固件編寫。

3.1 超聲測距裝置

超聲波測距模塊軟件指令發(fā)送流程如圖2所示[7]。超聲波測距模塊KS103利用I2C接口與線上測距裝置MCU通信，自動響應單片機控制指令。本文使用0xb0指令，超聲波測距模塊的探測范圍為0- 5200 mm，返回單位為mm的距離測量數據，MCU直接讀取該數據?；谥噶?xb0的最大探測時間約為33 ms，有足夠的時間使系統(tǒng)在設計指標的響應時間內完成語音報警。

圖2 指令發(fā)送流程

3.2 現場報警裝置

打開電源后，首先對單片機、無線模塊、Flash模塊等硬件初始化，然后調用無線接收模塊子程序，無線模塊在等待接收數據過程中，如果收到線上測距裝置發(fā)送來的預警距離信號，就觸發(fā)MP3播放子程序，播放語音告警數據，同時，通過GPRS DTU通信模塊將預警信息傳送給遠端預警平臺或短信通知線路維護管理人員。現場預警終端控制軟件流程如圖3所示。

3.3 遠端監(jiān)控裝置

遠端預警裝置軟件具有實時監(jiān)測、系統(tǒng)配置、用戶管理、歷史查詢、應急預案、電話調度、的功能。根據功能需求，預警平臺軟件包括四部分：數據獲取、數據分析、數據輸出和數據顯示，其結構設計如圖4所示。

數據獲取接收來自現場告警終端通過GPRS網絡傳輸過來的數據；數據分析用于保存和分析獲取的預警數據；數據顯示用于將數據分析出的數據在預警平臺軟件界面上顯示出來；預警輸出用于監(jiān)控中心以交互形式向管理人員以短信形式下發(fā)預警信息。

4 實驗驗證

根據GB26859-2011《電力安全工作規(guī)程電力線路部分》規(guī)定，吊車臂、吊具、輔具、鋼絲繩及吊物等于架空輸電線及其他帶電體的最小安全距離為110 kV線路5 m，220 kV線路6 m，500 kV線路 8.5 m。測試需尋找到在上述距離時所對應的邊界報警數值，并驗證吊車臂尾部（信號檢測端）在安全距離之內和之外是否準確報警?，F場吊車進入上述安全距離之內時，吊車任何部位與導線安全距離不得少于110 kV線路4 m，220 kV線路5 m，500 kV線路7.5 m。

表3 現場預警裝置軟件流程圖

圖4 遠端監(jiān)控裝置設計圖

本次試驗如下操作：（1）將已安裝安全距離報警裝置信號檢測端的吊車臂緩慢升起，當吊臂最高點達到線路最小安全距離時停住，安全距離報警裝置遠程接收端檔位調到“邊界報警”檔，調試出該距離所對應的邊界編碼值，并設定該邊界編碼值為邊界報警。（2）縮回吊臂再緩慢升起，記錄遠程接收端發(fā)出報警時信號檢測端與導線的距離，判斷是否滿足“最小安全距離之內報警，最小安全距離之外不報警”的要求。（3）將遠程接收端檔位調到“≥35 kV”檔，分別測試靈敏度1、靈敏度2及靈敏度3時的預警距離。（4）當遠程接收端發(fā)出報警信號時，逐步將其遠離信號檢測端，直至其沒有發(fā)出報警信息，記錄能發(fā)出報警信息的最大距離值。

通過測試，該安全距離報警裝置利用“邊界預警”檔工作時，先將信號檢測端置于規(guī)程要求的最小安全距離處，調試出該距離所對應的邊界編碼值，并設定該邊界編碼值為邊界報警。在之后的測試中，只要信號檢測端進入最小安全距離之內均能準確報警，在最小安全距離之外時會存在一些誤差，還未到最小安全距離也報警，但誤差在可接受范圍之內。

5 結論

本文針對各種施工吊車、塔吊等超高車輛在輸電線路線旁作業(yè)或線下通行以及各種違法、違章行為造成輸電線路斷裂、短路，導致停電等事故隱患，設計了一種基于超聲波測距的輸電線路防外力破壞預警系統(tǒng)，可望杜絕輸電線路外力破壞的隱患，提高輸電線路運行管理的智能化水平。

本文結論如下：

（1）本文提出了防外力破壞智能預警裝置的總體結構：超聲測距裝置、現場報警裝置、遠端監(jiān)控裝置。

（2）本文通過超聲波測距的方式來在線監(jiān)測有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內，選用GPRS模塊作為遠程通信信道，確定了線上測距裝置采用輸電線路電磁感應取電供電方式，現場告警終端采用蓄電池供電方式傳輸方案。

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Research on Early Warning System of Preventing External Damage for High Voltage Transmission Lines

LI Zhong-kui, CHENG An-sheng, ZHAO ming, ZUO Kui-sheng

(Zhengzhou Power Supply Bureau of Henan Power Supply Company, Henan 450000, China)

Power transmission lines are usually deployed in wide, long-distance and varied topography. Superhigh vehicles driving under, or superhigh machines working nearby may break or short-circuit the power lines. Furthermore, serious economic loss and security threat will be caused by the power cut. Since the external damage happens often, covertly and unexpectedly, daily patrols by the power supply department are not sufficient and effective in management. To protect the power lines from being damaged externally, this thesis designed and developed a external damage precaution system for power lines to reduce external damage events even eliminate them so that safe operation and smart management of the power lines can be improved.

Transmission line; External damage; Intelligent early-warning; Ultrasonic distance detection; Intelligent management

TM8

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.027

李忠魁(1975-)，男，高級工程師，工學學士，從事輸電運維工作。

本文著錄格式：李忠魁，程生安，趙 明，等. 基于高壓輸電線路的防外力破壞預警技術研究[J]. 軟件，2017，38（4）：142-145