高壓線路防外力破壞激光監測預警系統的研究

岳靈平，朱弘釗，俞 強，章旭泳，戴建華，俞 輝

（1.國網湖州供電公司，湖州 313000；2.國網電力科學研究院，武漢 430074）

0 引言

近年來，隨著輸電線路通道環境的日趨復雜，山火、異物、樹竹等周邊環境嚴重影響輸電線路通道安全。由于高速鐵路、高速公路、城市基礎設施建設的快速發展，違章施工等外力破壞已成為影響高壓線路安全穩定運行的主要矛盾，嚴重影響電網安全。

隨著高壓線路防外力破壞在線監測裝置的普及化，在一定程度上發揮了有效的監測作用，但傳統的監測模式缺陷日趨顯現。首先，監測裝置無法對高壓線路通道內外力破壞隱患進行識別，需要監控人員對大量圖像視頻數據進行人工查詢來判斷現場是否出現異常，工作量非常大；其次，監控人員長時間面對枯燥的監控畫面，無法長時間的集中注意力，造成人為監控的質量難以保證，而傳統的高壓線路防外力破壞監測裝置往往只能起到事后追蹤的作用。因此，需要研究一種具備監測、識別和預警功能的監測系統，對外力破壞隱患進行實時監測。

本文設計出了一種基于激光監測技術的輸電線路防外力破壞監測預警系統，可提前實現預報警和現場對講警示阻止外力破壞的發生。

1 激光監測預警系統基本原理

10～500 k V高壓線路通過空氣與地面之間形成微小電場，通常情況下電場處于恒定狀態，一旦有大型物體（特別是塔吊、吊車等機械物體）進入會引起電場的場強變化，外力破壞物體離導線越近引起的電場場強變化幅度越大。可利用激光的物理特性來檢測外物體進入引起的高壓線磁場強度的變化值，從而折算出外物體與高壓線路的位置距離。

激光監測預警系統的基本原理是通過激光的貓眼效應等物理特性來感應電場的場強變化，從而通過關聯算法折算出外物離導線的距離信息，按照預先設定的幾級安全距離參數值進行預報警，超越基本警戒值或其他預設值時自動通過現場高聲響喇叭警報提示、遠程報警、遠程警示喊話，直接在現場阻止超高物體對高壓線的破壞，或由調度監控中心進行后臺操作處置；還可根據相對位置距離計算分析，對高壓線下的樹木生長狀態進行長期監控，實現超高報警；根據傳感器探測實現鐵塔傾斜報警、撞擊報警。

2 激光監測預警系統的構成與工作流程

激光監測預警系統由激光探頭、GSM激光報警控制主機（激光測距模塊、分析模塊、GSM通信模塊）、高聲響喇叭、警示燈、太陽能板、攝像頭（選裝）等部件構成，后臺由管理人員控制手機或計算機組成。

高壓線路防外力破壞激光監測預警系統示意圖如圖1所示。

圖1 高壓線路防外力破壞激光監測預警系統示意圖

高壓線路防外力破壞激光監測預警系統在需要監控的高壓線路一端鐵塔上安裝固定好激光探頭、激光報警控制主機和其他輔助設備，激光探頭的激光射線基本水平對準兩塔之間輸電線弧垂下方位置。

當運行人員或監控室通過手機或計算機向激光報警控制主機發布“布防”指令后，系統進入工作狀態，一旦發生物體接近輸電線路警戒距離值時觸發報警（用戶可以根據現場實際情況自行設定初始值或其他檔位值），現場高音喇叭發出聲響警報“高壓危險，注意安全”的語音提示。

不同等級輸電線路報警距離設置參考值如表1所示。

表1 不同等級輸電線路報警距離設置參考值 m

高壓線路防外力破壞激光監測預警系統的主機同時將報警信息（包括塔名、位置、危險距離值）通過GSM無線網絡發送給相關管理人員，運行人員可以直接進行遠程喊話提示。對與視頻監控聯動的，自動觸發圖像、視頻采集，通過無線3G／GPRS／WCDMA無線網絡向監控中心在線傳輸現場實時圖像、視頻。

激光監測預警系統同時設定物體越過初始警戒值后進一步靠近高壓線時的多檔報警值，便于運行人員評估外物體高危動作風險，采取緊急操作措施。

3 激光監測預警系統監控終端的主要功能

在高壓輸電線路運行現場安裝防外力破壞激光監測預警系統，其主要功能為：自動識別線路通道內各類機械施工作業對上空高壓線路的安全距離，及時將監測到的實際距離以短信告知線路運行人員，系統繼續監測。

當激光監測預警系統監控終端自動監測到外力破壞危急到上空高壓線路安全運行時，自動打開監控視頻系統來全天候監測對高空高壓線路可能造成的危害。

3.1 電力生產維護

在高壓線路下施工的設備中超高，提前預警生產過程中，當現場出現外力破壞險情時，通過便攜式防外力破壞激光監測預警系統，將現場情況實時傳送給監控指揮中心。實時監控現場周邊情況，監控指揮中心根據現場情況進行遠程監控管理和指揮。

3.2 視頻在線監測和3G傳輸

采用視頻技術，通過半球水平360°旋轉獲取垂直向下任一點的圖像信息，景深范圍可在0～400 m內選擇，圖像信息通過3G技術傳至接收系統；具有設置警報器輸出功能，即：設置報警區域，有外來物闖入禁區報警功能，通過短信發送至值班人員手機上。

3.3 無線傳輸模塊（DTU）

DTU在通信層面上采用UDP（用戶數據包協議）透明方式傳輸，中間不可增加自己的定義內容，通信鏈路完全透明。

DTU同時支持短信功能，可以實現對終端設備的短信發送、終端告警等信息的短信發送和短信息喚醒終端等功能，具有手機修改域名或IP地址等功能。

3.4 圖像采集和存儲

圖像壓縮和處理模塊可在電力緊缺或3G信號擁塞的情況下發揮作用，可設置定時或人工拍攝圖片傳回后臺電腦，傳送之前，可存儲在主板存儲器內。

4 激光監測預警系統監控終端的監控方式

4.1 臨時點位的移動監控

對高壓線路下進行短時工程的施工吊車、貨車、建筑物超高監控，一般可采取臨時點位形式安裝，通過聲光方式進行現場警報阻止，同時可結合視頻聯動進行遠程圖像監控。當激光監測到物體超高輸出報警信號時自動打開攝像頭，后臺通過視頻能夠監控到現場實時情況，實際應用案例如圖2所示。

圖2 對某線路下挖沙船作業的監控

與視頻聯動的作用是發生警情時才啟動視頻監控系統，防止長時間視頻開啟造成供電不濟的現象，提高使用效能，延長設備使用壽命。

4.2 固定點位的長期監控

對高壓線路下樹木生長的長期性監控，可僅安裝激光探頭、激光報警主機。如果樹木生長超過了基本警戒值時進行初次報警，然后根據自行設定值可按每0.5 m或1 m的間隔值設置多檔報警。

5 結語

高壓線路防外力破壞激光監測預警系統集成了當今最先進的激光監測技術、人工智能與無線通信技術，設計合理，結構緊湊，性能穩定，系統具有現場聲光警示、現場語音警示、遠程喊話警示、電力110聯網報警等多種形式，直接在現場阻止危險動作進一步發生。

高壓線路防外力破壞激光監測預警系統能探測800 m距離內物體和精度±0.5 m的上下位置移動變化，在物體越過初始警戒值報警后，能繼續探測出物體再向高壓線移動的危險距離，以便采取預防措施。該系統既可用于在建工地房屋、施工吊車超高的臨時性移動監控，也可用于野外有樹木生長的線路長期性監控，還可以對鐵塔斜度、盜損破壞進行監控。同時預留了與視頻監控聯動接口，可選擇與已裝或新裝視頻監控連接，解決了僅單獨安裝視頻系統無法長時間實現圖像監控的難題。

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