架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭耀華

（廣東電網(wǎng)公司肇慶供電局，廣東 肇慶526060）

0 引言

線與樹之間的矛盾對電網(wǎng)安全運(yùn)行已構(gòu)成嚴(yán)重威脅，清理樹障已成為運(yùn)維單位保障電力設(shè)施安全運(yùn)行重中之重、難中之難的工作。線路走廊內(nèi)的樹木、竹子、香蕉樹等年年砍、年年長，每年因架空線路走廊內(nèi)樹障造成的線路跳閘事件損失、清理樹障消耗的人力物力和補(bǔ)償費(fèi)等，已成為運(yùn)維單位工作中的難言之痛。針對樹障問題的嚴(yán)重性和復(fù)雜性，筆者利用激光測距、H.264視頻解壓縮、無線通信和太陽能供電等技術(shù)手段，開展了架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)研究，以提高線路運(yùn)維單位樹障隱患預(yù)知能力，幫助運(yùn)維單位及時(shí)消除樹障隱患，維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 激光測距技術(shù)

研究采用激光測距模塊安裝在高壓輸電線路的導(dǎo)線上，直接實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)線與樹木之間的直線距離。激光測距模塊是采用相位信息檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理，在現(xiàn)有工業(yè)級激光傳感器基礎(chǔ)上進(jìn)行研制，其具有精度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能滿足導(dǎo)線與樹障之間的距離測量精度需求，并可在高壓導(dǎo)線上穩(wěn)定運(yùn)行。導(dǎo)線測距模塊包含調(diào)制激光的發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)3個(gè)部分，發(fā)射系統(tǒng)由一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管（LD）和它的驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路、軟啟動(dòng)電路組成；接收系統(tǒng)由一個(gè)雪崩光電二極管（APD）、溫度補(bǔ)償電路、放大濾波電路組成；信號處理部分用混頻電路把發(fā)射信號和接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成低頻率信號，再利用自動(dòng)數(shù)字測距技術(shù)得到相位差，然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。導(dǎo)線激光測距模塊原理如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線激光測距模塊原理圖

在激光測距模塊研制過程中，還采用了調(diào)制信號穩(wěn)定度、光電探測信號信噪比、混頻電路噪聲、測相精度處理等多種電子技術(shù)，確保激光傳感器在高壓強(qiáng)磁場環(huán)境下數(shù)據(jù)采集的精度。

2 H.264視頻解壓縮技術(shù)

采用H.264視頻編解碼技術(shù)，對輸電線路走廊及其周圍環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)控。H.264作為新一代開放的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，與其他H.26X、MPEG－X視頻編碼技術(shù)相比，具有碼率低、圖像質(zhì)量高、對信道時(shí)延適應(yīng)性強(qiáng)、容錯(cuò)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)友好性良好等優(yōu)點(diǎn)。但是其編碼過程的計(jì)算復(fù)雜性很高，如何降低編碼過程的計(jì)算復(fù)雜性，提高編碼速度，是H.264視頻處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

研究還對H.264視頻編解碼算法進(jìn)行了優(yōu)化，采用啟發(fā)式預(yù)測模式確定算法，對幀間預(yù)測、幀內(nèi)預(yù)測和最佳預(yù)測模式的確定過程進(jìn)行綜合優(yōu)化。該算法利用視頻序列在空間和時(shí)間上的相關(guān)性，以及相鄰的圖像單位在預(yù)測失真上的相似性，推測當(dāng)前宏塊中接近最佳性能的預(yù)測塊劃分方法和預(yù)測模式。算法提供了推測錯(cuò)誤處理機(jī)制，能保證預(yù)測塊與原始圖像之間實(shí)現(xiàn)最佳匹配。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過優(yōu)化之后，以微小的編碼圖像失真為代價(jià)，較大幅度地提高了編碼速度，編碼器的性能得到顯著改善。

采用多層次優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在程序、算法和指令3個(gè)不同層次上，通過優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、改善存儲管理、合理分配資源、優(yōu)化指令調(diào)度、減少Cache失效，以及利用多種DMA傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)視頻處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹丿B作業(yè)等優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，提高DSP系統(tǒng)中功能部件、存儲資源和外部設(shè)備的工作效率，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的實(shí)時(shí)編碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化的DSP視頻編碼器性能有大幅度提高。

3 ZigBee＋WiFi＋3G／4G混合通信組網(wǎng)技術(shù)

研究采用ZigBee、WiFi和3G／4G混合無線通信技術(shù)，將導(dǎo)線激光測距數(shù)據(jù)、線路走廊內(nèi)視頻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_主站，這種組網(wǎng)方式具有通信自愈性好及安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。采用ZigBee無線通信方式，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線測距傳感器與監(jiān)測主機(jī)之間的通信。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，具有功耗超低、自組織、成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測主機(jī)可接入1～16個(gè)導(dǎo)線測距傳感器，每個(gè)監(jiān)測主機(jī)可同時(shí)對1～16個(gè)導(dǎo)線樹障隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

對于有3G信號區(qū)域，現(xiàn)場的導(dǎo)線激光監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻直接通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_；對于沒有3G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控點(diǎn)，先采用WiFi＋無線接力方式將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，然后再通過3G網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心后臺。這種混合組網(wǎng)的通信方式能夠?qū)湔想[患重點(diǎn)區(qū)域、無信號覆蓋人煙稀少區(qū)域、巡線難度大的高海拔山區(qū)等特殊區(qū)域線路走廊內(nèi)的樹障隱患點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。無線WiFi接入方式如圖2所示。

圖2 無線WiFi接入方式示意圖

4 架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)工作原理

在上述研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)，它由前端監(jiān)控裝置和后臺主站兩部分組成。前端監(jiān)控裝置由監(jiān)控裝置主機(jī)、1～6個(gè)導(dǎo)線激光測距模塊、1臺全方位監(jiān)控?cái)z像機(jī)和太陽能供電模塊組成，其中導(dǎo)線激光測距模塊安裝在具有樹障隱患點(diǎn)的各段導(dǎo)線上，它由太陽能＋鋰電池方式供電，采集數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控裝置主機(jī)；監(jiān)控裝置主機(jī)和監(jiān)控?cái)z像機(jī)安裝在桿塔上，監(jiān)控裝置主機(jī)采用太陽能＋蓄電池方式供電，監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻全部由監(jiān)控裝置主機(jī)集中處理，然后通過3G、WiFi＋3G混合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_主站。后臺主站由服務(wù)器軟件和客戶端應(yīng)用軟件組成，線路維護(hù)人員利用客戶端應(yīng)用軟件可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)瀏覽現(xiàn)場線路走廊視頻和隱患點(diǎn)導(dǎo)線與樹木之間的最短距離。當(dāng)導(dǎo)線與樹木之間的距離超過預(yù)警值時(shí)，后臺會(huì)自動(dòng)向線路維護(hù)人員發(fā)送預(yù)警信息。

4.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以下4個(gè)功能：

（1）在具有樹障隱患點(diǎn)的導(dǎo)線上分別安裝激光測距模塊，實(shí)時(shí)采集導(dǎo)線各段中樹障隱患點(diǎn)導(dǎo)線與樹木之間的最短直線距離，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺。

（2）在具有樹障隱患的桿塔上安裝攝像機(jī)，它能夠水平360°、垂直180°控制旋轉(zhuǎn)，對線路走廊及周圍環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)控，線路維護(hù)人員在后臺能夠?qū)崟r(shí)瀏覽現(xiàn)場線路周圍運(yùn)行環(huán)境視頻及導(dǎo)線與樹木之間的最短距離。

（3）當(dāng)采集的導(dǎo)線與樹木的最短距離超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)以軟件顯示、音響、手機(jī)短信等多種方式向線路維護(hù)人員發(fā)送預(yù)警信息。

（4）在后臺利用趨勢分析方法，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場視頻的綜合分析，對線路走廊內(nèi)樹障隱患發(fā)展趨勢進(jìn)行判斷，為及時(shí)消除線路走廊內(nèi)的事故隱患點(diǎn)提供判據(jù)。

5 結(jié)語

架空輸電線路走廊樹障在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制，能夠讓線路管理人員實(shí)時(shí)掌握樹障隱患重點(diǎn)區(qū)域、無信號覆蓋人煙稀少區(qū)域、巡線難度大的高海拔山區(qū)等特殊區(qū)域架空線路走廊內(nèi)的樹障情況。當(dāng)導(dǎo)線與樹木距離超過預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向線路管理人員手機(jī)發(fā)送預(yù)警信息，提醒線路管理人員對所管轄走廊內(nèi)的樹障隱患及時(shí)進(jìn)行消除，從而維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，降低線路管理人員巡線工作強(qiáng)度，逐步實(shí)施電網(wǎng)狀態(tài)檢修和智能化管理。

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