摘要：無人機(jī)非法入侵變電站對電網(wǎng)安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，輕則造成電網(wǎng)信息泄露，重則造成站內(nèi)設(shè)備損壞，引起全網(wǎng)停電。為此，根據(jù)現(xiàn)有的反無人機(jī)技術(shù)，結(jié)合變電站特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于無線電波干擾原理的變電站空中安防裝置，旨在加強(qiáng)變電站的空中安全防護(hù)，保障站內(nèi)設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：變電站;空中安防;反無人機(jī);無線電波干擾

0 引言

變電站在電力系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位，用于電力輸送和電力分配，故保障變電站內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行對于電力系統(tǒng)來說尤為重要。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)“黑飛”現(xiàn)象越來越多，對變電站的空中安防影響也日益凸顯，亟需研發(fā)出更加專業(yè)的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行變電站的反無人機(jī)管控。曾有學(xué)者研究過“防止惡意無人機(jī)入侵電力巡檢區(qū)的管控方法”，通過設(shè)置無人機(jī)地理圍欄，對一些惡意入侵的無人機(jī)進(jìn)行攔截，但這種方法實(shí)施起來具有一定難度，建立虛擬圍欄需要耗費(fèi)巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用，而且無線電干擾容易影響變電站內(nèi)GPS的正常使用。

為了解決非法入侵的無人機(jī)對變電站空中安防造成的不良影響，本文將設(shè)計(jì)一套既滿足變電站空中安防需求，又不影響變電站內(nèi)設(shè)備GPS正常使用的空中安防裝置。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的空中安防裝置基于無線電波干擾原理，對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和干擾，有效防范無人機(jī)非法入侵。該裝置由光電偵測設(shè)備、云臺激光干擾器、遙控信號干擾器、太陽能供電系統(tǒng)和反無人機(jī)系統(tǒng)管理平臺組成。

該裝置的工作原理：首先，光電偵測設(shè)備對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)控;然后，監(jiān)控設(shè)備將目標(biāo)信息傳到反無人機(jī)系統(tǒng)，反無人機(jī)系統(tǒng)通過云臺激光干擾器實(shí)現(xiàn)360°全方位的光電定位與激光器干擾，影響入侵飛行器對電力設(shè)備重要保密系統(tǒng)的拍攝;同時(shí)，遙控信號干擾器對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行圖傳信號干預(yù)和操控信號干預(yù)，切斷無人機(jī)與控制中心的數(shù)據(jù)連接或無線電通信，使其只能按照原先設(shè)置程序迫降或者返航，不讓其進(jìn)入變電站空中區(qū)域，有效防范無人機(jī)的非法入侵。另外，本裝置配置的太陽能供電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對裝置的不間斷供電，保證了干擾設(shè)備的持續(xù)正常運(yùn)行。

本文設(shè)計(jì)的變電站空中安防裝置的設(shè)計(jì)原理圖和裝置組成圖分別如圖1、圖2所示。

2 光電偵測設(shè)備

該裝置采用高精度的光電偵測監(jiān)控?cái)z像頭對非法入侵變電站的無人機(jī)進(jìn)行探測。當(dāng)偵測到有無人機(jī)進(jìn)入變電站空中領(lǐng)域時(shí)，光電偵測監(jiān)控?cái)z像頭會自動對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行跟蹤拍照或錄像取證，并將信息傳達(dá)到反無人機(jī)系統(tǒng)。

3 云臺激光干擾器

3.1 ? ?激光干擾功能

該裝置內(nèi)設(shè)激光反光鏡，根據(jù)光電偵測設(shè)備反饋的數(shù)據(jù)，瞄準(zhǔn)干擾目標(biāo)，然后通過激光干擾器中的反光鏡發(fā)射激光光束，對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行激光光束照射干擾，重點(diǎn)是干擾非法入侵無人機(jī)的拍攝功能，使得非法入侵的無人機(jī)無法對變電站內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行拍攝。

激光干擾主要利用激光的優(yōu)異特性，將它作為光源，配以相應(yīng)的光電原件實(shí)現(xiàn)干擾。借助激光光束反射具有精度高、測量范圍大、檢測時(shí)間短、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，采用反光鏡將激光光束進(jìn)行反射，對入侵的無人機(jī)進(jìn)行警示干擾。激光反光鏡的干擾屬于驅(qū)趕式干擾，并不是要摧毀擊落無人機(jī)，所以激光強(qiáng)度不能太大，避免無人機(jī)墜毀，對變電站中的重要設(shè)備產(chǎn)生二次干擾。

3.2 ? ?360°全方位云臺自動瞄準(zhǔn)功能

激光干擾器下設(shè)計(jì)了全方位云臺，云臺主要由控制模塊、傳感器模塊、動力模塊、減振結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)組成。其中控制模塊主要是主控板，采用STM32處理器;傳感器模塊可讀取云臺末端姿態(tài)，再與光電偵測設(shè)備的姿態(tài)角比較，發(fā)出控制信號讓動力模塊及時(shí)進(jìn)行動作修正，從而使裝在云臺上的干擾器等外部傳感器可以根據(jù)非法入侵的無人機(jī)位置進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)并自動瞄準(zhǔn)。傳感器模塊主要包括陀螺儀和加速度傳感器MPU6050，用于感應(yīng)云臺末端姿態(tài)位置，并反饋給主控板。本功能保證了激光干擾器的順利運(yùn)作。

4 遙控信號干擾器

目前消費(fèi)級無人機(jī)常用的頻段主要為2.400～2.483 GHz、5.725～5.875 GHz。因此，遙控信號干擾器的測控鏈路干擾頻段覆蓋范圍至少包含2.400～2.483 GHz、5.725～5.875 GHz頻段。針對此電磁信號的頻段特性，遙控信號干擾器需設(shè)置2.4 GHz和5.8 GHz可選調(diào)節(jié)頻段，在保證不影響變電站內(nèi)設(shè)備GPS信號正常發(fā)送的前提下，調(diào)節(jié)干擾頻道，實(shí)現(xiàn)對非法入侵的無人機(jī)進(jìn)行定向壓制。

干擾遙控器模塊主要通過干擾無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反制效果，包括兩大功能：一是干擾下行圖傳信號;二是干擾傳輸上行控制信號。

4.1 ? ?圖傳系統(tǒng)干預(yù)功能

為了重點(diǎn)保護(hù)變電站的保密系統(tǒng)，首先需要避免無人機(jī)通過偷拍的方式竊取變電站內(nèi)的保密信息，而圖傳系統(tǒng)干預(yù)功能可通過擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，干擾非法入侵的無人機(jī)的圖傳信號，使其無法回傳圖片，保障變電站保密信息安全。其主要原理是將待傳輸信息用擴(kuò)頻編碼調(diào)制方式，將頻譜擴(kuò)展后在寬帶寬信道中傳輸，接收端使用與發(fā)射端同步的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

4.2 ? ?操控信號干擾功能

本功能可根據(jù)無人機(jī)遙控信號的跳變，針對某一具體頻段進(jìn)行干擾。干擾無人機(jī)與地面遙控器之間的上行和下行通信鏈路信號，對無人機(jī)的控制鏈路進(jìn)行阻斷與管控，即可迫使無人機(jī)自動返航或原地降落，破壞地面控制者遙控?zé)o人機(jī)入侵受保護(hù)或受限制飛行區(qū)域的企圖。

5 太陽能供電系統(tǒng)

現(xiàn)有的大部分反無人機(jī)裝置采用市電供電與蓄電池逆變供電相配合的方式進(jìn)行供電，但這種設(shè)計(jì)在沒有市電供電及蓄電池電力耗盡的情況下無法保障裝置正常運(yùn)行。為此，該裝置配置了太陽能供電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主供電，不需要額外配備電源設(shè)備，節(jié)約了能源，且占用空間小，十分適合在變電站附近的環(huán)境中使用。

6 反無人機(jī)系統(tǒng)管理平臺

6.1 ? ?反無人機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控管理

對無人機(jī)的監(jiān)控，可基于視覺開源庫完成目標(biāo)物體識別。當(dāng)光電偵測設(shè)備偵測到可疑物體闖入監(jiān)控范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將識別并捕獲可疑物體的圖像信息，對視頻圖像先進(jìn)行預(yù)處理，即灰度化濾波，再進(jìn)行二值化、形態(tài)學(xué)運(yùn)算和邊緣檢測，以達(dá)到圖像分割的目的，最后將檢測到的圖像經(jīng)匹配分析確定為無人機(jī)后，發(fā)出報(bào)警信息或干擾指令。

6.2 ? ?反無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

反無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊可根據(jù)定位算法獲得的無人機(jī)目標(biāo)位置信息，聯(lián)動干擾設(shè)備對無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行干擾，并在達(dá)到干擾時(shí)長后關(guān)閉干擾設(shè)備。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊可繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)識別和定位，并根據(jù)新的定位結(jié)果判斷干擾是否成功、是否需要繼續(xù)執(zhí)行干擾等策略。

反無人機(jī)系統(tǒng)管理平臺數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

7 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種由光電偵測設(shè)備、云臺激光干擾器、遙控信號干擾器、太陽能供電系統(tǒng)和反無人機(jī)系統(tǒng)管理平臺組成的變電站空中安防裝置，實(shí)現(xiàn)了對非法入侵變電站的無人機(jī)進(jìn)行警示和干擾驅(qū)趕的目的，有效防范了無人機(jī)的非法入侵，為變電站內(nèi)重要設(shè)備的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

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收稿日期：2020-08-30

作者簡介：鄭躍斌（1989—），男，廣東潮州人，工程師，從事變電運(yùn)行工作。