徐懿，馬振國(guó)，劉曉康，萬曦，許霖，王慶

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司運(yùn)維檢修部，江蘇 常州 213000;2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司變電檢修室，江蘇 常州 213000)

0 引 言

受變電站的建設(shè)位置和生態(tài)環(huán)境不斷改善的影響，季節(jié)性鳥類活動(dòng)對(duì)輸電線路正常運(yùn)行造成的影響不可忽視。因此，亟需對(duì)變電站的進(jìn)行驅(qū)鳥防護(hù)，保證輸電線路正常穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

鳥類活動(dòng)對(duì)變電站的危害受地形、季節(jié)、氣象、輸電線路高度和鳥類習(xí)性等多種因素的影響[3-4]，多發(fā)于春秋季的平原丘陵等地帶。已有的防治措施主要采用放鳥刺[5]、激光驅(qū)鳥器[6]和電子爆鳴等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的保護(hù)[7]，但這些方法存在耗費(fèi)大量人力財(cái)力、鳥類適應(yīng)快、維護(hù)困難和受環(huán)境影響失效等缺點(diǎn)，不但效率低而且經(jīng)濟(jì)性較差，不適用于大范圍推廣。已有研究使用的檢測(cè)驅(qū)趕一體化設(shè)備[8]，受限于某一項(xiàng)功能的使用范圍，需在變電站范圍內(nèi)多點(diǎn)放置，且不能記錄存儲(chǔ)鳥類活動(dòng)數(shù)據(jù)，存在諸多不便。針對(duì)上述問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)通信的變電站分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，根據(jù)多普勒效應(yīng)和超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)鳥系統(tǒng)的硬件裝置設(shè)計(jì)，并通過LoRa遠(yuǎn)距離通信和YOLO算法下的圖像信息檢測(cè)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理。

1 分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)總架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體架構(gòu)

驅(qū)鳥設(shè)備的有效性受距離以及角度的影響，僅對(duì)設(shè)備正向60°～120°、10～15 m范圍內(nèi)的鳥類進(jìn)行有效檢測(cè)。將整體變電站劃分為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)置多臺(tái)驅(qū)鳥設(shè)備，建立完整的區(qū)域體系，如圖1所示。本文的分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)，主要分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

圖1 檢測(cè)設(shè)備參數(shù)范圍

多個(gè)驅(qū)鳥裝置依據(jù)實(shí)際需求組成變電站的分布式驅(qū)鳥系統(tǒng)，建立完整的防護(hù)體系，總體防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)含多類型傳感器的信息采集裝置，通過采集區(qū)域的環(huán)境變化、鳥類聲音和環(huán)境圖像等信息，將變壓器、輸電線路和桿塔等設(shè)備的鳥類停留狀況上傳至系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器，由系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后下達(dá)控制指令，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)聲波驅(qū)趕裝置配合下的整體防護(hù)。

圖2 變電站驅(qū)鳥系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)交互

提出的變電站驅(qū)鳥系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，設(shè)備間交互由遠(yuǎn)程無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。LoRa是基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離傳輸方案，雙向傳輸?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)良好地適應(yīng)變電站的信息采集與控制指令的下發(fā)需求，實(shí)現(xiàn)廣域低功耗的傳感網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。

LoRa由終端、基站、Server和云組成，分別對(duì)應(yīng)自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)感知通信、聲波驅(qū)趕裝置和系統(tǒng)服務(wù)器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由檢測(cè)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)通信感知設(shè)備和聲波驅(qū)趕裝置共同構(gòu)成，工作原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)鳥系統(tǒng)工作原理

2.1 檢測(cè)設(shè)備

由多類型傳感器構(gòu)成的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過雷達(dá)探測(cè)器、濕度傳感器和溫度傳感器采集環(huán)境、圖像以及鳥類等信息。圖像監(jiān)測(cè)裝置通過將采樣提取出來的單幀圖像與儲(chǔ)存的無異常圖像進(jìn)行對(duì)比，判斷是否有長(zhǎng)時(shí)間鳥類停留或筑巢現(xiàn)象。

2.2 節(jié)點(diǎn)通信感知設(shè)備

節(jié)點(diǎn)感知與通信模塊用以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、驅(qū)趕設(shè)備與云端系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸功能。根據(jù)跳級(jí)通信的思路，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)通信感知分層傳輸結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用基于安全模板的機(jī)制，簇首節(jié)點(diǎn)選擇性上傳數(shù)據(jù)，以達(dá)到減少冗余數(shù)據(jù)，提高能量利用效率的目的。

圖4 節(jié)點(diǎn)通信感知分層傳輸結(jié)構(gòu)

2.3 聲波驅(qū)趕裝置

超聲波驅(qū)鳥基于物理方法，通過超聲波脈沖干擾刺激鳥類神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí)以高頻閃光和仿真天敵聲音為輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)鳥類的驅(qū)趕。部署多個(gè)面向不同角度的聲波驅(qū)趕裝置，根據(jù)變電站驅(qū)鳥總架構(gòu)，建立完整防護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)鳥。

為防止鳥類對(duì)聲波產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象，利用雷達(dá)反饋數(shù)據(jù)，經(jīng)聲波選擇模塊的處理發(fā)生變頻聲波。超聲波發(fā)射換能器兩端在輸入方波后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)超聲波，通過反相器控制方波頻率以及占空比即可實(shí)現(xiàn)超聲波的變頻功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于LoRa的數(shù)據(jù)通信

基于LoRa的數(shù)據(jù)通信過程，設(shè)定終端擁有與網(wǎng)關(guān)一致的網(wǎng)絡(luò)號(hào)。當(dāng)終端被喚醒時(shí)接收到網(wǎng)關(guān)的前導(dǎo)碼，則進(jìn)行下一步的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，網(wǎng)關(guān)接收到傳輸數(shù)據(jù)后，返回終端確認(rèn)信號(hào)，結(jié)束一個(gè)上傳循環(huán)。具體的LoRa模塊數(shù)據(jù)接收與發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 LoRa模塊數(shù)據(jù)通信流程圖

3.2 基于YOLO的圖像特征提取檢測(cè)

YOLO是一種根據(jù)圖像訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)的端到端目標(biāo)監(jiān)測(cè)算法，區(qū)別于傳統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)算法。YOLO算法具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，可以有效區(qū)分背景區(qū)域與監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

圖像采集裝置采集的信息，通過LoRa通信模塊上傳至系統(tǒng)服務(wù)器后，采用YOLO-v3目標(biāo)檢測(cè)方法實(shí)時(shí)判斷圖像中是否存在鳥類停留等異?，F(xiàn)象。算法流程如圖6所示。

圖6 YOLO-v3檢測(cè)算法流程圖

當(dāng)圖像傳感器采集到的單幀圖像信息以固定時(shí)間間隔上傳，輸入至檢測(cè)裝置的YOLO-v3目標(biāo)檢測(cè)算法中，判斷存在鳥類活動(dòng)跡象后，需要對(duì)鳥類數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，到達(dá)閾值及下發(fā)控制指令啟動(dòng)驅(qū)鳥設(shè)備。若未到達(dá)閾值，則給系統(tǒng)下發(fā)禁止休眠信號(hào)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以某地變電站作為提出的基于物聯(lián)網(wǎng)通信的變電站分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，具體布設(shè)結(jié)構(gòu)圖及環(huán)境遙感示意圖如圖7所示。實(shí)測(cè)場(chǎng)地呈長(zhǎng)190 m，寬120 m的梯形，其中布設(shè)系統(tǒng)平臺(tái)處理器一臺(tái)，檢測(cè)設(shè)備6臺(tái)，驅(qū)鳥設(shè)備8臺(tái)。

圖7 試驗(yàn)測(cè)試環(huán)境示意圖

采用檢測(cè)設(shè)備在變電站范圍邊界放置的方案，使用無人機(jī)模擬鳥類飛行情況。通過調(diào)節(jié)無人機(jī)的飛入方向、停留時(shí)間、飛入速度以及尺寸大小，模擬不同鳥類的飛入，對(duì)比傳統(tǒng)驅(qū)鳥策略。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 驅(qū)鳥方案對(duì)比結(jié)果

對(duì)分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)、傳統(tǒng)單一聲波驅(qū)鳥、激光驅(qū)鳥器及電力驅(qū)鳥藥的方案進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比了在驅(qū)鳥半徑、聲波頻率、供電方式、定時(shí)檢測(cè)、智能分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、使用環(huán)境、主動(dòng)檢測(cè)和工況檢測(cè)等指標(biāo)的表現(xiàn)。結(jié)果表明，提出的分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)簡(jiǎn)便易行，無需頻繁人工維護(hù)，對(duì)多種地理環(huán)境和氣候特征的變電站具有良好的適應(yīng)能力和更好的鳥類驅(qū)趕效果，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和有效性的統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

針對(duì)鳥類活動(dòng)對(duì)輸電線路和變電站穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)通信的變電站分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)。首先使用聲光圖像等多源傳感器，采集鳥類飛行和環(huán)境圖像等信息，采用LoRa通信技術(shù)將數(shù)據(jù)通過骨干網(wǎng)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后向下級(jí)設(shè)備下發(fā)控制指令，進(jìn)行超聲波變頻驅(qū)鳥。對(duì)某地變電站進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)對(duì)比分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)與傳統(tǒng)驅(qū)鳥方法的實(shí)地運(yùn)行能力，證明分布式自檢驅(qū)鳥系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)反饋能力、普遍使用性和易于安裝的特點(diǎn)。