楊力++朱海波++黃靜

摘 要 本文針對目前輸電線路受外力破壞日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，研制出一套輸電線路防外力破壞激光預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了激光智能檢測技術(shù)和無線視頻監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)后臺監(jiān)測維護中心對輸電線路的實時監(jiān)測。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的核心組成部分和激光預(yù)警的工作原理以及該系統(tǒng)的創(chuàng)新功能和特點。

【關(guān)鍵詞】激光智能檢測技術(shù) 無線視頻監(jiān)控技術(shù) 防外力破壞 電場強度變化 紫外脈沖法

1 緒論

電路系統(tǒng)輸電線路密集，運行環(huán)境復(fù)雜，外力破壞造成輸電線路跳閘的案列逐年增加，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成了嚴(yán)重威脅。目前常見的電力設(shè)施外力破壞主要有違章施工、違章建筑物、高桿植物、山火及鳥害等形式。分析總結(jié)各種外力破壞的成因及現(xiàn)狀，提出研發(fā)一套輸電線路防外力破壞的預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。為了提高電力行業(yè)高壓輸電線路的現(xiàn)代化管理水平，及時預(yù)警、發(fā)現(xiàn)外力破壞隱患并消除，降低輸電線路故障跳閘率，方便輸電線路全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，保障輸電線路安全穩(wěn)定運行，需要研制出適用于電力系統(tǒng)輸電線路防外力破壞的預(yù)警系統(tǒng)。

目前現(xiàn)狀分析：

（1）隨著城市建設(shè)的日益加速，輸電線路附近的施工現(xiàn)場越來越多，在輸電線路走廊下方進(jìn)行施工以及塔吊、泵車等超高設(shè)備超越架空線路時，極其容易引起導(dǎo)線切斷、車毀人亡的重大安全事故，嚴(yán)重影響輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

（2）輸電線路長期暴露在野外，存在著分布區(qū)域廣、傳輸距離遠(yuǎn)、地形條件復(fù)雜多變、受環(huán)境影響大等特點，給防外力破壞工作帶來極大的難度。

（3）輸電線路反外力破壞工作是一項長期的、艱苦的、復(fù)雜的工作。在當(dāng)前線路走廊附近施工項目越來越多的情況下，人工現(xiàn)場監(jiān)護施工行為的方式效率低下，特別是巡視人員的巡線工作量巨大，傳統(tǒng)的無線視頻監(jiān)控裝置對施工現(xiàn)場缺乏智能預(yù)警的功能。

隨著“智能電網(wǎng)”戰(zhàn)略的實施，各級領(lǐng)導(dǎo)對電網(wǎng)建設(shè)的安全、效率和可靠性提出了更高的要求，大力提倡科技興安。為了實現(xiàn)對高壓輸電線路全天候，實時監(jiān)控，滿足當(dāng)前高壓輸電線路、塔基安全監(jiān)控實際需求，將高壓輸電線路、塔基的安全防護系統(tǒng)建設(shè)成為“安全防范無漏洞、安全管理現(xiàn)代化、安全信息智能化”的綜合型、高科技的安全防護系統(tǒng)，經(jīng)各方領(lǐng)導(dǎo)、專家構(gòu)思論證，本文提出并研制開發(fā)了輸電線路防外力破壞激光預(yù)警系統(tǒng)。通過在電力系統(tǒng)高壓輸電線路安全運行過程中加入本監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)：

（1）利用激光檢測和無線視頻傳輸裝置對輸電線路外部施工頻繁的區(qū)域進(jìn)行全天候待警，實時監(jiān)測，及時預(yù)警外力破壞隱患，有效杜絕電力事故的發(fā)生。

（2）后臺監(jiān)測維護中心的運行管理人員可以及時、實時地了解現(xiàn)場信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而大大減少了巡視人員的巡線工作量，防止超高吊車、大型施工機械的闖入、鐵塔碰撞以及其他外物入侵對鐵塔和線路造成的破壞。

（3）一旦外物超越安全距離，該預(yù)警裝置就會自動通過現(xiàn)場高音喇叭報警提示、遠(yuǎn)程喊話，以阻止物體對高壓線的破壞，并通過實時抓拍圖片，實時上傳視頻，第一時間將報警信息和視頻資料傳送到電網(wǎng)后臺統(tǒng)一監(jiān)控中心，監(jiān)控端可以通過視頻畫面、數(shù)據(jù)分析以及報警提示等信息準(zhǔn)確的判斷出輸電線路當(dāng)前的安全狀況，及時組織人員采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

（4）可以為事故分析、責(zé)任認(rèn)定提供重要的原始資料，通過對存儲圖片、視頻資料的進(jìn)行回放，為事故原因分析提供客觀的證據(jù)。

（5）獨立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在線監(jiān)測，多級權(quán)限設(shè)置，統(tǒng)一管理，保密性強，對高壓輸電線路的現(xiàn)代化管理提供了有力保障。

本文首先介紹了所研制的輸電線路防外力破壞激光預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和總體設(shè)計，其次介紹了該系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計原理和具體實現(xiàn)，重點介紹了系統(tǒng)中應(yīng)用的智能激光檢測技術(shù)的工作原理，最后介紹了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能、特點及應(yīng)用場合。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計

本文提出的輸電線路防外力破壞激光預(yù)警系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由3G無線視頻服務(wù)器、GSM報警主機、激光探測器、聲光報警器，紅外高速云臺攝像機、CPU數(shù)據(jù)處理器和監(jiān)控中心管理平臺組成?，F(xiàn)場信息采集主要紅外高速云臺攝像機來完成，3G 無線視頻服務(wù)器完成現(xiàn)場圖片、視頻資料的上傳工作，激光探測器檢測由于外物入侵而引起的電場強度的變化值，還原為強度信號來確定外物體與高壓線的位置距離，按照預(yù)先設(shè)定的幾級安全距離參數(shù)值進(jìn)行預(yù)報警。

該預(yù)警裝置和其他輔助設(shè)備在鐵塔固定好后，激光探頭的激光射線基本水平對準(zhǔn)兩塔之間輸電線弧下垂位置。管理人員或監(jiān)控室通過手機或計算機向激光報警裝置控制主機發(fā)布指令后系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)物體超過警戒距離和警戒高度觸發(fā)警報（用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行自行設(shè)備初始值和其他檔位），現(xiàn)場高音喇叭發(fā)愁聲響警報語音提示，主機同時將報警信息（塔名、位置、報警距離）通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)管理工作人員，管理人員可直接進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話提示，或與電力110實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)處理。自動觸發(fā)圖像、視頻采集，通過3G、4G無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心在線實時傳輸現(xiàn)場圖片、視頻。系統(tǒng)同時設(shè)定物體超過初始警戒線值后進(jìn)一步靠近高壓線是的多檔位報警值便于管理人員評估外來物體高危動作風(fēng)險，采取緊急操作措施。

監(jiān)控中心管理平臺可實現(xiàn)現(xiàn)場音視頻的遠(yuǎn)方監(jiān)控，對現(xiàn)場圖像資料進(jìn)行收集整理，留待今后研究分析。本系統(tǒng)的無線視頻服務(wù)器和GSM報警主機可以通過中國電信CDMA 2000、中國移動TD-SCDMA或中國聯(lián)通WCDMA任意一家無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)向監(jiān)控中心管理平臺的現(xiàn)場圖像、數(shù)據(jù)上傳。

本系統(tǒng)總體設(shè)計遵循的原則如下：

（1）防外力破預(yù)警系統(tǒng)各單元功能部件要優(yōu)化組合，結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、抗干擾性能好、符合戶外安裝要求，能夠解決安裝環(huán)境通用工序的復(fù)雜性、安全性等實際問題。

（2）系統(tǒng)電源部分的供電要智能化，增加電池的續(xù)航能力，以便保障系統(tǒng)的正常運行。

（3）準(zhǔn)確判定高壓電場環(huán)境的外來物進(jìn)入狀況，及時通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳信息數(shù)據(jù)到后臺管理中心服務(wù)器，并可以保留存儲。

（4）便于安裝，適應(yīng)性好，操作簡便，能夠適用于多種電壓等級線路、桿塔環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境的監(jiān)測環(huán)境。

3 系統(tǒng)主要設(shè)備的設(shè)計和選型

3.1 現(xiàn)場信息采集部分

該部分的核心設(shè)備是紅外高速云臺攝像機和無線視頻服務(wù)器。通過控制球機的云臺來調(diào)整裝置監(jiān)測的方位，將輸電線路的現(xiàn)場環(huán)境實時轉(zhuǎn)化為圖像、視頻信號。

本系統(tǒng)選用了無線網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)，它具有使用方便、無需布線、安裝簡單、圖像質(zhì)量清晰、穩(wěn)定可靠和使用靈活等特點，完全滿足視頻信號實時清晰傳送的要求。其核心技術(shù)是基于MPEG-4的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，帶寬占用較低，并可實現(xiàn)圖像的優(yōu)質(zhì)傳輸和存儲，而且傳輸距離較遠(yuǎn)，可以滿足實時傳輸?shù)囊?。另外還支持多種錄像模式，包括定時錄像、手動錄像、移動偵測錄像、報警錄像以及它們的組合，目前支持的組合是移動偵測錄像和報警錄像。3G無線視頻攝像機通過3G信號將遠(yuǎn)程監(jiān)控端視頻傳輸?shù)椒?wù)器，用戶通過客戶端在線瀏覽遠(yuǎn)程實時視頻，無需任何鋪線成本，方便快捷。

3.2 激光探測技術(shù)及設(shè)備選型

激光探測器是采用紫外脈沖法的高壓輸電系統(tǒng)放電非接觸式檢測方法，該方法能實現(xiàn)對高壓電場環(huán)境放電的遠(yuǎn)距離精確定位的定量檢測，可準(zhǔn)確判定高壓電場環(huán)境的外來物進(jìn)入狀況，分析高壓電場環(huán)境中外來進(jìn)入物對地放電的基本特征.以及還原成強度信號（外來物距離導(dǎo)線的遠(yuǎn)近），高壓電暈放電外來進(jìn)入物對地放電的光譜特征，采用一定頻率的波段紫外雙光譜的方法來實現(xiàn)放電檢測與定位。

利用激光傳輸檢測高壓線周圍電場的變化?！具M(jìn)入的物理介質(zhì)如汽車吊車；環(huán)境，濕度，回路，能引起對周圍空氣進(jìn)行微小放電，這樣就可以把激光束所含的調(diào)制信號與原有的變化信號的強度信息比對分揀出來，還原為強度信號】通過接收諧頻，選頻，穩(wěn)頻，把所需的變化信號比對分揀出來，還原為強度信號來確定外物體與高壓線的位置距離，按照預(yù)先設(shè)定的幾級安全距離參數(shù)值進(jìn)行預(yù)報警，超越基本警戒值或其它預(yù)設(shè)值時自動通過現(xiàn)場高聲響喇叭警報提示、遠(yuǎn)程報警、遠(yuǎn)程警示喊話，直接在現(xiàn)場阻止超高物體對高壓線的破壞，或由調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行后臺操作處置；根據(jù)相對位置距離計算分析，對高壓線下的入侵物進(jìn)行長期監(jiān)控，實現(xiàn)超高報警；根據(jù)傳感器探測實現(xiàn)鐵塔傾斜報警、撞擊報警，每天自動檢測周圍環(huán)境便進(jìn)行預(yù)警提示。簡單原理示意圖如圖2。

由于它利用的是脈沖激光束，為了提高精度，要求激光脈沖寬度窄，光接收器響應(yīng)速度快。所以，遠(yuǎn)距離測量常用輸出功率較大的固體激光器與二氧化碳激光器作為激光源；近距離測量則用砷化鎵半導(dǎo)體激光器作為激光源。

3.3 GSM報警主機單元

GSM報警主機是一個具有PLC和RTU功能短信遠(yuǎn)程測控終端。它使用GSM短信（控制器需插入手機SIM卡）作為通訊手段，采用工業(yè)級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以作為報警主機單獨使用，根據(jù)本機自帶的開關(guān)量和模擬量輸入產(chǎn)生報警，并可實現(xiàn)聯(lián)動輸出。模塊可以設(shè)置報警延遲，短信報警次數(shù)，支持不同短信發(fā)給不同用戶或用戶組。

激光探測主機在預(yù)警到異常信號后，通過 DSP處理器進(jìn)行高速識別運算，精確探測危險距離點并聯(lián)動GSM無線模塊將報警信息（包括塔名、位置、危險距離值）通過 GSM 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相關(guān)管理人員，管理人員可以直接進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話提示或與電力 110 實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)處置。對與視頻監(jiān)控聯(lián)動的自動觸發(fā)的圖像、視頻采集，可通過3G/GPRS/WCDMA 無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心在線傳輸現(xiàn)場實時圖像、視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)同時設(shè)定物體超過初始警戒值后進(jìn)一步靠近高壓線時的多檔報警值，便于管理人員評估風(fēng)險，采取緊急措施。

3.4 后臺監(jiān)控管理系統(tǒng)

運行管理人員可以通過主站服務(wù)器或者遠(yuǎn)程登錄，查看線路監(jiān)控圖像，從而實現(xiàn)對輸電線路全天候監(jiān)控?？梢噪S時通過智能手機、便攜式終端和客戶端網(wǎng)絡(luò)實時查看現(xiàn)場，遠(yuǎn)程遙控攝像機云臺，通過下發(fā)指令來實現(xiàn)前端裝置的相應(yīng)操作。多路防護區(qū)間能夠同時一屏多顯，進(jìn)行統(tǒng)一管理。

4 系統(tǒng)功能及特點

本系統(tǒng)可實現(xiàn)對輸電線路全天候?qū)崟r監(jiān)控，具有如下功能與特點：

（1）利用先進(jìn)的探測技術(shù)，檢測高壓線電場強度的變化，實現(xiàn)立體防御保護，更有效地防止外來物體的入侵，探測距離遠(yuǎn)，精度高，抗電磁干擾性好。

（2）操作簡便，可通過手機、PC端等多方式綜合管理。只需用手機或計算機發(fā)送“布防”、“撤防”或“查詢”等指令，即可控制設(shè)備。

（3）具有視頻錄像功能，支持內(nèi)置SD卡（支持大容量SD卡）實現(xiàn)長時間錄像。采用MP4視頻存儲格式，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程錄像回放。

（4）報警聯(lián)動視頻開啟，視頻自動上傳至后臺服務(wù)器，支持隨時瀏覽和下載。報警方式多樣（支持現(xiàn)場聲光報警、現(xiàn)場語言提示、遠(yuǎn)程喊話警示、電力110聯(lián)網(wǎng)報警），報警信息可以直接顯示線路名稱、塔桿號、距離導(dǎo)線弧垂高度，按照預(yù)警等級分級報警，并且可以遠(yuǎn)程修改報警參數(shù)、遠(yuǎn)程開關(guān)機。

（5）產(chǎn)品優(yōu)化了電路設(shè)計，并采用先進(jìn)的微耗檢測芯片，整機設(shè)備功耗較低，大大延長了設(shè)備使用壽命。激光發(fā)射連續(xù)工作壽命為10萬小時，足以保證設(shè)備的有效使用周期，適應(yīng)性好，運行時間長，同時還適用于-40℃至75℃的極端氣溫環(huán)境。

本系統(tǒng)能應(yīng)用于輸電線路的在線監(jiān)測，系統(tǒng)具有適應(yīng)多線路不同電壓等級的電力走廊應(yīng)用，線路區(qū)域附近外破信息及時捕獲。不但能減少了人工巡檢的頻率和次數(shù)，實現(xiàn)了線路的運維智能化遠(yuǎn)程管理。而且填補了線路運維外破防治的電子信息化原始檔案資料的空白。

5 結(jié)論

該研發(fā)的防外破預(yù)警系統(tǒng)可使用輸電線路外破預(yù)測環(huán)境，可適應(yīng)于各種電壓等級，檢測響應(yīng)速度敏捷，檢測結(jié)果準(zhǔn)確率高。該設(shè)備采用集成設(shè)計，便于移動、搬運，便于高空安裝、挪遷方便。提高線路防外破的自動化水平，降低人員防護外破的勞動強度，提高工作效率和人身安全性，減少現(xiàn)場檢查的工作成本。

本項目的研究能對輸電線路外破的防治措施、外破風(fēng)險評估，最終形成應(yīng)急預(yù)案及體系。針對輸電線路受到外破威脅時，采取人工及時救助、轉(zhuǎn)移負(fù)荷、停運即將受影響的線路等改變運行方式的方案。能對輸電線路外破精準(zhǔn)探測和人工布防，形成優(yōu)缺點互補。通過本項目研究完成了輸電線路附近區(qū)域外破捕獲并及時預(yù)警，提高線路的安全性和可靠性，提高輸電能力。

本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用可進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)輸電線路運行的安全與穩(wěn)定性，具有重要的社會效益和推廣應(yīng)用價值。

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作者簡介

楊力（1984-），男，湖北省武漢市人。湖北經(jīng)濟學(xué)院本科工商管理專業(yè)?，F(xiàn)就職業(yè)于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

朱海波（1985-），男，湖北省武漢市人。湖北工業(yè)大本科電氣自動化專業(yè)?，F(xiàn)就職于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

黃靜（1983-），男，湖北省武漢市人?，F(xiàn)就職于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

作者單位

湖北省送變電工程公司 湖北省武漢市 430063