輸電線路主動預警式防外力破壞監控系統研究

唐曉寧，潘生國，尚凌智，毛勁松，王新喜嵇大偉，趙偉剛

（1.國網吉林省電力公司白城供電公司，吉林 白城 137000；2.杭州捷尚智能電網技術有限公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

近年來，隨著電網需求的發展和完善,輸電線路的建設得到了快速的發展。但是由于輸電線路所處地理位置和環境條件具有點多、面廣、線長、暴露在野外的特點,因此除了要遭受惡劣自然天氣的侵襲外,還有很多外力破壞引起的線路跳閘、線路被迫停電等事故，而且事故發生的概率呈上升趨勢。據統計,全國近三分之一的停電事故都是因為外力破壞引起的。由于缺少有效的技術防范手段，此類問題難以得到有效遏制，呈現出越來越惡化的趨勢，各電壓等級線路都有發生，對電網安全運行造成了直接威脅[1]。

目前，國內線路防外力破壞工作分別從技術和管理兩方面著手。技術手段主要是通過視頻實時監控防范輸電通道內各種潛在的外力破壞風險隱患，但是，由于輸電線路分布地域十分廣闊，全部進行監控十分困難。同時由于缺乏有效的警示、警告功能，實際應用效果一般。在具體的防輸電線路受外力破壞工作中，投入大量人員盯守、巡查等仍是護電工作的主要手段，由此不僅帶來的人員需求量大、工作效率低、費用消耗高等一系列問題，也給護電工作的有效開展造成了被動局面[2]。因此研發出高效、穩定的輸電線路防外力破壞監視系統能夠有效減少輸電線路遭受外力破壞事故次數。

1 防外力破壞技術分析

近幾年，輸電線路的外力破壞現象不斷地引起國家電網部門的重視，為了減少類似情況的發生，國內也陸續研制出了多種類型的防外力破壞系統，如基于加速度傳感器的監測系統、基于微波感應的探測系統、基于激光的探測器系統、基于雷達的探測器系統等[3]；此外,還有視頻監測系統,它也是目前階段應用范圍最廣、最多的實時預警防外力破壞系統。

基于加速度傳感器的監測系統，是利用加速度傳感器收集桿塔被破壞時受到的撞擊和割據信號，再通過濾波器和信號處理技術去除雜音，來實現對輸電桿塔破壞現象的監控?；谖⒉ǜ袘奶綔y系統，利用微波感應原理,探測輸電線路周圍10 m以內的移動目標并獲取移動目標信息[4-5]，從而達到對輸電線路防外力破壞的在線監測效果?；诶走_的探測器系統，主要是根據多普勒原理而開發出的實時監測系統，它具有靈敏度高、探測范圍廣的特點?；诩す獾奶綔y器系統，主要利用激光檢測高壓線磁場強度的變化值和激光往返目標傳輸所需時間來確定目標物體與輸電線路的位置和距離，并通過預先設定的不同等級安全距離參數值來進行預測，超過相應等級的警戒值時自動通過現場高聲響喇叭警報提示、遠程警示喊話，這樣能在現場直接阻止危險目標對輸電線路的破壞，或由調度監控中心進行后臺操作處置[6-7]。

本文的主動預警式防外力破壞監控系統，是利用視頻圖像對輸電線路場景進行三維重建，利用前端智能識別技術對大型運動目標進行實時的匹配，來確定運動目標與輸電線路的位置和距離，同時設定3個級別安全等級，不同的等級會通過高音喇叭給予相應的警示；而且也可以將現場抓拍的報警圖片實時地傳到調度監控中心進行后臺處理，由監控人員通過文字和圖片的形式提醒施工人員。

2 主動預警式防外力破壞監控系統原理及系統結構

該系統是基于視頻幾何方法的三維重建和前端智能識別技術，實時監測輸電線路走廊情況，對危及輸電線路安全的外力破壞提前進行預警，防止重大事故發生。一旦遭遇外力破壞，現場裝置會啟動語音告警，通過高清相機現場抓拍取證，通過3G/WIFI/OPGW光纖網絡將取證的信息實時上報至后端監控系統、并通過微信的方式將告警信息和現場圖片發送到相關維護人員。

輸電線路主動預警式防外力破壞監控系統主要包括前端設備和后端設備，系統拓撲圖如圖1所示。前端設備主要包括防外破預警檢測單元、語音告警單元、太陽能電源供電單元。

圖1 系統拓撲圖Fig.1 System Topological Diagram

2.1 防外破預警檢測單元

防外破預警檢測單元采用一體化低功耗工業百萬像素高清相機，基于DSP的快速立體匹配智能防范算法模塊、Wifi、3G/4G無線等通信技術研發針對輸線電路外力破壞預警檢測單元，它通過對輸電線路走廊施工機械和超高車輛作業等運動信息進行視頻實時檢測收集，并且對收集數據信息進行快速立體匹配智能防范算法的分析處理，判斷，對有危險的行為發出危險作業預警信息，抓拍危險預警圖片通過3G/4G無線上傳信息。圖2給出了實際的檢測單元設備及簡要的功能說明。

圖2 防外破預警檢測單元及結構圖Fig.2 Detection Unit and Structure of Early Warning against outer Force damage

2.2 語音告警單元

語音告警單元是一款將防外破預警檢測單元處理危險預警告警信息，實時快速清晰洪亮的告知輸電線路走廊通過、施工作業的車輛及船只，語音告警單元具有低功耗、功率大、傳輸距離遠、安裝方便快捷等特點。

2.3 太陽能電源供電單元

太陽能供電單元在保護生態環境下充分利用新能源、新材料、新技術，主要由太陽能電池板與鎂基蓄電池組合成電源供電單元，具有重量輕、循環壽命長、比功率大、自放電率低、無污染、性價比高、安全性好、放電電壓平穩、溫度性能好、氣壓特性好、輕巧安裝方便等眾多特點，適用于鐵塔安裝使用。

2.4 后端中心管理單元

后端中心管理單元包括數據庫服務器、計算機工作站、網絡設備等。主要是對前端預警信息集中管理處、存儲、發布工作。該單元可通過客戶端軟件對端設備進行設備管理、任務管理、信息查詢、用戶管理、權限管理、設備狀態、系統設置、統計報表等功能管理。

3 應用實例分析

隨著經濟的快速發展，開發力度的加大，大型施工機械對高壓線路的威脅也越來越大。為了減少這類事故的發生，研制了一套主動預警式防外力破壞系統，并在實際應用中取得了很好的效果。圖3給出了產品的實際安裝結果圖。

圖3 現場安裝圖Fig.3 Field Installation

在實踐測試中，數據發送成功率大于99%，平均無故障時間35 000 h，異常物體虛報率小于20%，異常物體漏檢率小于20%。500萬像素高清智能相機能夠有效監視兩級桿塔之間的輸電線路走廊，視覺監視范圍最遠達到500 m，寬度達到50 m，高度達到40 m（立體監視區域如圖4所示），最小可以檢測500 m范圍內0.4 m×0.4 m大小的物體,而且相機可同時監控64個目標；桿塔上的主告警裝置語音聲強度不低于100 dB，即使施工人員在環境噪雜的施工車倉內也能聽到告警，并及時制止對輸電線路的破壞，同時也保證了自身的安全。根據實際檢測，裝置休眠功耗小于0.5 W，運行功耗小于10 W，語音喇叭功耗小于15 W，500萬像素相機功耗小于7 W，主控及通信功耗小于2.5 W，因此選擇了配套的蓄電池和太陽能板，在連續陰雨一周內，系統能夠正常運行；太陽能板必須面朝南方，以傾角45°安裝，保證太陽能板以最大功率充電。

圖4 輸電線路走廊立體監控區域Fig.4 Stereo Monitoring Area of the Transmission lines

4 結語

由于不同類型的防外力破壞系統的研發成功和應用,明顯減少了外力破壞導致輸電線路事故的發生,保證了輸電線路的安全性、提高了供電設施可靠性。從市場和實際應用中可以看出，視頻監控裝置仍然占主流地位，且在不斷地優化基礎算法和提出更好的預測、分析數學模型,提高處理數據的準確性，縮短處理時間，增強監測的實時性、智能性，從而滿足未來電網發展的要求。

主動預警式防外力破壞監控系統能有效、快速、智能判斷輸電線路是否有外力破壞行為，并實時控制聲光報警系統，也可以由后臺監控中心通過文字以短信或微信的方式及時告知施工人員，以便及時阻止破壞行為的繼續。而且如有破壞行為發生能夠及時抓拍證據上傳到監控中心，并通過信息的方式發送到維護人員的手機上，能夠對產生的故障進行及時的恢復。

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