張朝暉 張益龍

摘 要：針對現(xiàn)有輸電線路需要人工巡查盯守且監(jiān)測效率低的缺陷，提出新型的方案。采用MSP430F5438單片機芯片計算，通過桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)中的六種傳感器檢測出輸電線路受外力破壞情況，利用云存儲智能攝像頭采集輸電線路現(xiàn)場視頻，經(jīng)由光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺主機管理子系統(tǒng)。后臺主機管理子系統(tǒng)通過高斯背景模型法，判斷外力破壞情況是否符合輸電線路桿塔安全距離。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定監(jiān)測不同電壓等級輸電線路受外力破壞情況并及時預(yù)警。

關(guān)鍵詞：外力破壞;影響;輸電線路;綜合監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng)

Abstract：Aiming at the shortcomings of the previous transmission lines that required manual patrol and guarding and low monitoring efficiency， a new scheme was proposed. The MSP430F5438 single-chip chip is used for calculation. The six types of sensors in the tower monitoring subsystem detect the damage of the transmission line by external forces. The cloud storage smart camera is used to collect the live video of the transmission line and transmit it to the background host management subsystem through the optical fiber communication network. The back-end host management subsystem uses the Gaussian background model method to determine whether the external force destruction is within the safety distance of the transmission line tower. The test results show that the system can stably monitor the damage of transmission lines of different voltage levels by external forces and provide timely warning.

Key words：external damage; impact; transmission line; comprehensive monitoring; early warning system

智能電網(wǎng)由大量輸電線路組成，輸電線路多布置于室外以及復(fù)雜環(huán)境下，輸電線路安全對于電網(wǎng)穩(wěn)定運行極為重要[1]。電力系統(tǒng)輸電線路外力破壞影響因素主要包括施工大型車輛、天氣因素、自然災(zāi)害等原因造成的輸電線路短路、斷裂以及桿塔倒塌等情況，輸電線路受到破壞直接威脅人類人身安全[2]，輸電線路跳閘造成停電事故帶來極大人力物力損失。

電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大導(dǎo)致輸電線路過于密集，輸電線路運行環(huán)境復(fù)雜[3]，輸電線路存在大量外力破壞情況，輸電線路受外力破壞導(dǎo)致電力系統(tǒng)停止運行情況時有發(fā)生，影響電力系統(tǒng)安全運行[4]。電力系統(tǒng)輸電線路受外力破壞情況眾多，分析破壞輸電線路外力特征，研究外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)輸電線路安全穩(wěn)定運行極為重要[5]，輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)提升電力系統(tǒng)管理與維護的智能化以及自動化，利用該系統(tǒng)實時監(jiān)測外力破壞輸電線路因素并提前預(yù)警[6]，降低電力系統(tǒng)由于輸電線路故障導(dǎo)致跳閘情況保證電力系統(tǒng)維護效率。

1 基于外力破壞的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所研究外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過圖1可以看出，該系統(tǒng)主要包括桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)、后臺主機管理子系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測預(yù)警APP。

桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)裝置于輸電線路桿塔頂端，桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)具有重量輕、功耗低以及體積小的優(yōu)勢。桿塔監(jiān)測模塊主要包括傳感器模塊、電池模塊、電量檢測模塊、視頻監(jiān)控模塊、單片機以及射頻模塊六部分，通過視頻監(jiān)控模塊采集輸電線路監(jiān)測數(shù)據(jù)[7];通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)將桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及視頻圖像傳輸至后臺主機管理子系統(tǒng);后臺主機管理子系統(tǒng)負責(zé)管理、控制以及調(diào)度該電力系統(tǒng)輸電線路全部數(shù)據(jù)，后臺主機管理子系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持[8]，后臺主機管理子系統(tǒng)的單片機通過高斯背景模型法識別監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)中是否存在外力破壞情況，監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)中存在外力破壞情況時，通過聲光報警模塊依據(jù)外力破壞危險等級發(fā)出聲光預(yù)警，電力系統(tǒng)維護與檢修人員通過預(yù)警結(jié)果及時排除外力破壞[9]。桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)以及后臺主機管理子系統(tǒng)的單片機均選取深圳市佰昇電子有限公司提供的MSP430F5438芯片，選取TI公司的CC1101芯片作為RF433射頻模塊芯片。

1.2 桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)

桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)包括電量檢測模塊、電池模塊、視頻監(jiān)控模塊、傳感器模塊、RF433射頻模塊以及MSP430F5438單片機模塊。傳感器模塊所采集信號利用單片機轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號并計算外力破壞距離[10]，所獲取距離數(shù)據(jù)利用RF433射頻模塊發(fā)送至后臺主機管理子系統(tǒng);利用電量檢測模塊檢測電池模塊電量情況[11]，電池模塊電量過低時需及時報警，系統(tǒng)維護人員及時替換電池。RF433射頻模塊負責(zé)檢測桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)以及后臺主機管理子系統(tǒng)連接情況，選取光纖通信網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)通信方式。

桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)選取低功耗的MSP430F5438單片機作為子系統(tǒng)處理芯片，該芯片可處理傳感器檢測數(shù)據(jù)并檢測子系統(tǒng)AD采樣情況。

傳感器模塊包括紅外煙霧傳感器、氣象傳感器、傾角傳感器、振動傳感器、紅外傳感器、導(dǎo)線弧垂傳感器，六種傳感器分別可以感知山火煙霧、線路覆冰、雷擊、機械碰線、導(dǎo)線弧垂等不同外力破壞情況[12]，當(dāng)山火煙霧濃度、覆冰厚度、導(dǎo)線弧垂長度以及外力距離到達指定閾值時，監(jiān)測端拍攝視頻并傳送至后臺主機管理子系統(tǒng)，主機管理子系統(tǒng)利用高斯背景模型法判斷外力破壞影響，判斷結(jié)果為危險時啟動聲光報警[13]。

視頻監(jiān)控模塊由睿威仕智能云存儲高清攝像頭組成，高清攝像機實物圖如圖2所示。

該攝像頭采集圖像最大分辨率可高達1920×1080;選取達芬奇處理芯片;選取精密電機驅(qū)動可保證攝像頭平穩(wěn)運行;精度偏差低于0.1度;可實現(xiàn)無抖動視頻圖像采集;具有三維智能定位功能以及數(shù)據(jù)斷電不丟失功能;支持雙碼流技術(shù)以及多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[14];該攝像頭可與覆冰傳感器、導(dǎo)線弧垂傳感器等全部傳感器共同安裝。

1.3 高斯背景模型法

選取高斯背景模型法作為識別輸電線路是否受到外力破壞方法。高斯背景模型法是依據(jù)視頻監(jiān)控模塊所采集某點像素值是否符合高斯分布確定運動目標(biāo)識別外力破壞[15]。

所采集輸電線路受到外力破壞時，輸電線路圖像背景受到外界條件干擾導(dǎo)致圖像像素值出現(xiàn)波動，圖像像素值隨外力破壞干擾影響不同而產(chǎn)生不同大小變化[16]，形成變化符合高斯分布，所采集輸電線路圖像存在運動目標(biāo)時，圖像像素值形成較大擾動不符合高斯分布。

1.4 輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警流程

外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)運行流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)傳感器模塊各傳感器檢測存在外力破壞情況時，利用智能攝像頭采集輸電線路現(xiàn)場視頻，并通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺主機管理子系統(tǒng)。后臺主機管理子系統(tǒng)通過高斯背景模型法判斷外力破壞情況是否符合輸電線路桿塔安全距離，外力破壞作用物與輸電線路桿塔絕緣物小于設(shè)定要求時，系統(tǒng)發(fā)出報警指令，聲光報警裝置啟動，為電力系統(tǒng)維護以及管理人員發(fā)出解決指令提供依據(jù)，實現(xiàn)外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警。

2 仿真實驗與分析

選取CPU為英特爾雙核四線程主頻為4.0GHz、內(nèi)存為8 GB的計算機。利用Matlab軟件模擬某市某電力公司電力網(wǎng)絡(luò)，在Matlab軟件中搭建本文系統(tǒng)，測試本文系統(tǒng)對于外力破壞下輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警情況。該電力公司包含110 kV，220 kV以及500 kV三種電壓等級電力網(wǎng)絡(luò)。

采用本文系統(tǒng)監(jiān)測輸電線路界面圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，采用本文系統(tǒng)可有效實現(xiàn)電力公司電力網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測，且監(jiān)測圖像清晰明顯，便于本文系統(tǒng)在輸電線路受到外力破壞時及時預(yù)警。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔2米-7米，統(tǒng)計本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級為110 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監(jiān)測與預(yù)警情況，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔4米-9米，統(tǒng)計本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級為220 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監(jiān)測與預(yù)警情況，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔6米-11米，統(tǒng)計本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級為500 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監(jiān)測與預(yù)警情況，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表1-表3系統(tǒng)測試結(jié)果可以看出，采用本系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測不同電壓等級輸電線路受外力破壞情況，系統(tǒng)在外力與輸電線路小于設(shè)定距離時可及時預(yù)警，有效驗證本系統(tǒng)對輸電線路受到外力破壞時監(jiān)測與預(yù)警有效性。本系統(tǒng)解決以往人員監(jiān)測輸電線路安全問題以及成本高且檢測效率低的問題，具有高效、穩(wěn)定性，較符合戶外安裝需求，實現(xiàn)輸電線路受外力破壞影響監(jiān)測智能化，能夠準(zhǔn)確預(yù)警不同電壓等級輸電線路受外力破壞危險情況，可應(yīng)用于不同輸電線路桿塔應(yīng)用環(huán)境以及不同電壓等級輸電線路中。

3 結(jié) 論

外力作用下易導(dǎo)致輸電線路破壞，由于以往輸電線路需要大量人員巡查盯守且監(jiān)測效率較低，提出外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。所研究的預(yù)警系統(tǒng)適用于不同電壓等級輸電線路不同外力破壞影響環(huán)境下，且具有監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、預(yù)警響應(yīng)速度靈敏的優(yōu)勢。系統(tǒng)的桿塔監(jiān)測子系統(tǒng)高空安裝方便，具有較高自動化以及智能化，避免采用人員監(jiān)測輸電線路受外力破壞的危險性，且降低維修人員現(xiàn)場監(jiān)測輸電線路成本。系統(tǒng)有效提升電力系統(tǒng)輸電線路輸配電穩(wěn)定性以及安全性，可應(yīng)用于不同環(huán)境下輸電線路。

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