基于高壓輸電線路的防外力破壞預(yù)警技術(shù)研究

李忠魁，程生安，趙 明，左魁生

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基于高壓輸電線路的防外力破壞預(yù)警技術(shù)研究

李忠魁，程生安，趙 明，左魁生

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司，河南省鄭州市，450000)

輸電線路分布區(qū)域廣、傳輸距離長(zhǎng)、地形條件復(fù)雜，超高車輛線下通行或超高機(jī)具線旁作業(yè)等外力破壞引發(fā)線路斷裂、短路事故時(shí)有發(fā)生，這不僅給用電企業(yè)造成了經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。這些事故的發(fā)生往往具有經(jīng)常性、隱蔽性、突發(fā)性，致使日常巡視難以達(dá)到預(yù)期效果。為保護(hù)輸電線路的安全，預(yù)防輸電線路外力破壞隱患，本文設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套輸電線路防外力破壞預(yù)警系統(tǒng)，旨在有效減少或消除外力破壞事故，提高輸電線路安全運(yùn)行和智能化管理水平。

輸電線路；外力破壞；智能預(yù)警；超聲測(cè)距；智能化管理

0 引言

近些年來，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市的基礎(chǔ)建設(shè)不斷加大投入，各行各業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，在用電量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，伴隨著線路設(shè)備運(yùn)行維護(hù)部門的是外力破壞導(dǎo)致線路跳閘的記錄被屢屢刷新。據(jù)統(tǒng)計(jì)，往年外力破壞造成的跳閘占輸電線路跳閘率的70%，而施工機(jī)械特別是吊車、吊臂等碰線造成的跳閘又占外力破壞的70%以上。

由于輸電線路點(diǎn)多面廣，加之隨著高壓輸電線路下的各類施工越來越多,特別是現(xiàn)在許多施工吊車在高壓輸電線下作業(yè)時(shí)，導(dǎo)線對(duì)地距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了日益增長(zhǎng)的大樓航吊和大型施工機(jī)械的高度，導(dǎo)致時(shí)常發(fā)生吊車碰觸高壓輸電線的事故。這是因?yàn)閮H依靠施工人員現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)來判斷吊臂與高壓輸電線的安全距離，不可靠且容易被忽視。各供電公司線路的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)部門雖然制定了相應(yīng)的規(guī)章制度，采取了諸如增加巡視周期、蹲守、盯防、培訓(xùn)操作人員、安裝視頻在線檢測(cè)設(shè)備等措施，但收效甚微，因上述原因造成的跳閘仍呈現(xiàn)高發(fā)態(tài)勢(shì)。

因此，在大型施工機(jī)械（車輛）施工地段，為防止因吊車吊臂與高壓線路距離太近造成的安全事故發(fā)生，研究出一種安裝架設(shè)在高壓輸電線路導(dǎo)線或桿塔上的防外力破壞智能預(yù)警裝置迫在眉睫。

在電力系統(tǒng)中，智能預(yù)警技術(shù)已被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]提出了針對(duì)架空線路覆冰時(shí)，其外絕緣狀態(tài)和機(jī)械荷載狀況的智能預(yù)警系統(tǒng)評(píng)估方案。但受信息傳輸手段的制約，目前智能預(yù)警技術(shù)仍主要用于站內(nèi)電氣設(shè)備的故障判斷，如變壓器故障與異常狀態(tài)識(shí)別等[2]，在輸電線路故障判斷方面運(yùn)用不足，且運(yùn)用于輸電線路的智能預(yù)警技術(shù)較少將可見光視頻圖像、紅外圖像作為判斷依據(jù)的主要數(shù)據(jù)單元。也有研究針對(duì)外力破壞系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但是硬件設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警設(shè)備局限于單電源供電，不能保證安全可靠運(yùn)行，有一定局限性[8]。文獻(xiàn)[9]與[10]采用了太陽(yáng)能加蓄電池兩種供電方式，但是在控制軟件設(shè)計(jì)上可以進(jìn)一步改進(jìn)。

因此，本文提出一種基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)，來實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地判斷輸電線路防外力破壞的智能預(yù)警系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)原理

輸電線路防外力破壞預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)部位、重點(diǎn)線路的架空輸電線路線下超高車輛通行，吊車、水泥泵車等線旁作業(yè)以及各種違章行為而引發(fā)的外力破壞事故實(shí)施預(yù)警，保護(hù)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)感測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)警告、遠(yuǎn)程預(yù)警、后臺(tái)管理、易使用維護(hù)等功能。

本文設(shè)計(jì)的輸電線路防外力破壞預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，主要包括超聲測(cè)距裝置、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置和遠(yuǎn)端監(jiān)控裝置三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。將距離檢測(cè)和自動(dòng)報(bào)警分開部署，利用無線傳輸將二者互聯(lián)，既降低安裝在輸電線路上的測(cè)距裝置的體積、重量、功耗，方便裝配，又達(dá)到保護(hù)輸電線路安全，預(yù)防外力破壞的目的。

本系統(tǒng)通過超聲波測(cè)距裝置在線監(jiān)測(cè)有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內(nèi)，當(dāng)人員或施工作業(yè)車輛處于危險(xiǎn)區(qū)域，系統(tǒng)立刻觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置及時(shí)響應(yīng)，遠(yuǎn)端監(jiān)控裝置通過GPS定位系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)警報(bào)所在地區(qū)，當(dāng)警報(bào)持續(xù)時(shí)間超過規(guī)定值，施工維修人員能及時(shí)到達(dá)故障點(diǎn)，防止輸電線路發(fā)生破壞，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

輸電線路預(yù)警系統(tǒng)硬件主要包括：超聲測(cè)距裝置、GPS模塊和現(xiàn)場(chǎng)聲波報(bào)警裝置。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可直接懸掛（安裝）于容易發(fā)生事故的施工地段的輸電線路導(dǎo)線上，同時(shí)也可以安裝在相鄰桿塔上對(duì)監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)、掃描探測(cè)，通過監(jiān)測(cè)移動(dòng)物體與輸電線路鐵塔絕緣安全距離，達(dá)到報(bào)警效果。

2.1 超聲測(cè)距裝置

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波。超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)方便、計(jì)算處理簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求[3]。

超聲波測(cè)距模塊中超聲波傳感器包括超聲波發(fā)送器和接收器。根據(jù)輸電線路規(guī)程規(guī)范，輸電線路鐵塔絕緣安全距離一般比較小，不超過10 m，因此該系統(tǒng)中超聲波傳感器選常用的壓電式超聲波換能器，即發(fā)射超聲波時(shí)將電能轉(zhuǎn)換成發(fā)射超聲波而在收到回波的時(shí)候則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用時(shí)間差測(cè)距法。測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間乘以超聲波的速度，得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間差Dt，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S。超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2 cm~ 7 m的非接觸測(cè)距功能,供電電壓為5 V，靜態(tài)功耗低于3 mA，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠[11-12]。

超聲波發(fā)射模塊電路如圖1所示，升壓變壓器可自制，線圈線徑為0.8 mm，初級(jí)線圈匝數(shù)為50，次級(jí)線圈匝數(shù)為350。從P35端輸入40 kHz的控制信號(hào)。

圖1 超聲傳感器發(fā)射模塊電路圖

2.2 聲光報(bào)警裝置

聲光報(bào)警模塊內(nèi)有電磁線圈和發(fā)光二極管、喇叭等，其工作原理簡(jiǎn)單且模塊化程度較高，可以非常方便從市場(chǎng)上獲得成品，將其通過細(xì)導(dǎo)線接入主機(jī)即可。聲光報(bào)警模塊接收主機(jī)的命令，啟動(dòng)并作出相應(yīng)報(bào)警動(dòng)作。

2.3 GPS模塊

GPS模塊主要是通過GPS接收機(jī)與衛(wèi)星之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)報(bào)警定位功能，減少巡線工作量。定位原理一般由公式（1）~（4）[4]確定。輸電線路工程中根據(jù)地形及電壓等級(jí)情況，各基桿塔之間檔距一般較大，而且現(xiàn)今GPS模塊定位精度較高一般在10 m以內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)由于檔距問題而出現(xiàn)定位偏差情況。本系統(tǒng)中GPS模塊選用MEB-1280GPS，MEB-1280模塊是全球體積最小的GPS模塊，定位精度高（3 m），不會(huì)受到城市綠化樹木的影響。當(dāng)超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)到移動(dòng)物體出現(xiàn)在鐵塔絕緣安全距離以內(nèi)時(shí)，聲波報(bào)警裝置立即響應(yīng)，同時(shí)GPS模塊通過衛(wèi)星和接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，確定報(bào)警具體位置，并通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將GPS數(shù)據(jù)傳送到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）

（3）

本部分從系統(tǒng)功能需求分析入手，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法。通過超聲波測(cè)距的方式來在線監(jiān)測(cè)有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內(nèi)。通過比較GSM、3G和GPRS等主流的遠(yuǎn)程無線通信傳輸方案，選用GPRS模塊作為遠(yuǎn)程通信信道；通過比較蓄電池、太陽(yáng)能、感應(yīng)取電等電源供電方案，確定線上測(cè)距裝置采用輸電線路電磁感應(yīng)取電供電方式，現(xiàn)場(chǎng)告警終端采用蓄電池供電方式傳輸方案。[5]

3 控制軟件方案

本系統(tǒng)由線上測(cè)距裝置、現(xiàn)場(chǎng)告警終端和遠(yuǎn)端預(yù)警平臺(tái)構(gòu)成，其中線上測(cè)距裝置和現(xiàn)場(chǎng)告警終端以單片機(jī)為主控芯片開發(fā)，軟件開發(fā)采用固件編寫。

3.1 超聲測(cè)距裝置

超聲波測(cè)距模塊軟件指令發(fā)送流程如圖2所示[7]。超聲波測(cè)距模塊KS103利用I2C接口與線上測(cè)距裝置MCU通信，自動(dòng)響應(yīng)單片機(jī)控制指令。本文使用0xb0指令，超聲波測(cè)距模塊的探測(cè)范圍為0- 5200 mm，返回單位為mm的距離測(cè)量數(shù)據(jù)，MCU直接讀取該數(shù)據(jù)。基于指令0xb0的最大探測(cè)時(shí)間約為33 ms，有足夠的時(shí)間使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)指標(biāo)的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成語(yǔ)音報(bào)警。

圖2 指令發(fā)送流程

3.2 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置

打開電源后，首先對(duì)單片機(jī)、無線模塊、Flash模塊等硬件初始化，然后調(diào)用無線接收模塊子程序，無線模塊在等待接收數(shù)據(jù)過程中，如果收到線上測(cè)距裝置發(fā)送來的預(yù)警距離信號(hào)，就觸發(fā)MP3播放子程序，播放語(yǔ)音告警數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過GPRS DTU通信模塊將預(yù)警信息傳送給遠(yuǎn)端預(yù)警平臺(tái)或短信通知線路維護(hù)管理人員。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端控制軟件流程如圖3所示。

3.3 遠(yuǎn)端監(jiān)控裝置

遠(yuǎn)端預(yù)警裝置軟件具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)配置、用戶管理、歷史查詢、應(yīng)急預(yù)案、電話調(diào)度、的功能。根據(jù)功能需求，預(yù)警平臺(tái)軟件包括四部分：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)顯示，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

數(shù)據(jù)獲取接收來自現(xiàn)場(chǎng)告警終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析用于保存和分析獲取的預(yù)警數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示用于將數(shù)據(jù)分析出的數(shù)據(jù)在預(yù)警平臺(tái)軟件界面上顯示出來；預(yù)警輸出用于監(jiān)控中心以交互形式向管理人員以短信形式下發(fā)預(yù)警信息。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB26859-2011《電力安全工作規(guī)程電力線路部分》規(guī)定，吊車臂、吊具、輔具、鋼絲繩及吊物等于架空輸電線及其他帶電體的最小安全距離為110 kV線路5 m，220 kV線路6 m，500 kV線路 8.5 m。測(cè)試需尋找到在上述距離時(shí)所對(duì)應(yīng)的邊界報(bào)警數(shù)值，并驗(yàn)證吊車臂尾部（信號(hào)檢測(cè)端）在安全距離之內(nèi)和之外是否準(zhǔn)確報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)吊車進(jìn)入上述安全距離之內(nèi)時(shí)，吊車任何部位與導(dǎo)線安全距離不得少于110 kV線路4 m，220 kV線路5 m，500 kV線路7.5 m。

表3 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警裝置軟件流程圖

圖4 遠(yuǎn)端監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)圖

本次試驗(yàn)如下操作：（1）將已安裝安全距離報(bào)警裝置信號(hào)檢測(cè)端的吊車臂緩慢升起，當(dāng)?shù)醣圩罡唿c(diǎn)達(dá)到線路最小安全距離時(shí)停住，安全距離報(bào)警裝置遠(yuǎn)程接收端檔位調(diào)到“邊界報(bào)警”檔，調(diào)試出該距離所對(duì)應(yīng)的邊界編碼值，并設(shè)定該邊界編碼值為邊界報(bào)警。（2）縮回吊臂再緩慢升起，記錄遠(yuǎn)程接收端發(fā)出報(bào)警時(shí)信號(hào)檢測(cè)端與導(dǎo)線的距離，判斷是否滿足“最小安全距離之內(nèi)報(bào)警，最小安全距離之外不報(bào)警”的要求。（3）將遠(yuǎn)程接收端檔位調(diào)到“≥35 kV”檔，分別測(cè)試靈敏度1、靈敏度2及靈敏度3時(shí)的預(yù)警距離。（4）當(dāng)遠(yuǎn)程接收端發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，逐步將其遠(yuǎn)離信號(hào)檢測(cè)端，直至其沒有發(fā)出報(bào)警信息，記錄能發(fā)出報(bào)警信息的最大距離值。

通過測(cè)試，該安全距離報(bào)警裝置利用“邊界預(yù)警”檔工作時(shí)，先將信號(hào)檢測(cè)端置于規(guī)程要求的最小安全距離處，調(diào)試出該距離所對(duì)應(yīng)的邊界編碼值，并設(shè)定該邊界編碼值為邊界報(bào)警。在之后的測(cè)試中，只要信號(hào)檢測(cè)端進(jìn)入最小安全距離之內(nèi)均能準(zhǔn)確報(bào)警，在最小安全距離之外時(shí)會(huì)存在一些誤差，還未到最小安全距離也報(bào)警，但誤差在可接受范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)各種施工吊車、塔吊等超高車輛在輸電線路線旁作業(yè)或線下通行以及各種違法、違章行為造成輸電線路斷裂、短路，導(dǎo)致停電等事故隱患，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距的輸電線路防外力破壞預(yù)警系統(tǒng)，可望杜絕輸電線路外力破壞的隱患，提高輸電線路運(yùn)行管理的智能化水平。

本文結(jié)論如下：

（1）本文提出了防外力破壞智能預(yù)警裝置的總體結(jié)構(gòu)：超聲測(cè)距裝置、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置、遠(yuǎn)端監(jiān)控裝置。

（2）本文通過超聲波測(cè)距的方式來在線監(jiān)測(cè)有無人員及施工作業(yè)車輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以內(nèi)，選用GPRS模塊作為遠(yuǎn)程通信信道，確定了線上測(cè)距裝置采用輸電線路電磁感應(yīng)取電供電方式，現(xiàn)場(chǎng)告警終端采用蓄電池供電方式傳輸方案。

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Research on Early Warning System of Preventing External Damage for High Voltage Transmission Lines

LI Zhong-kui, CHENG An-sheng, ZHAO ming, ZUO Kui-sheng

(Zhengzhou Power Supply Bureau of Henan Power Supply Company, Henan 450000, China)

Power transmission lines are usually deployed in wide, long-distance and varied topography. Superhigh vehicles driving under, or superhigh machines working nearby may break or short-circuit the power lines. Furthermore, serious economic loss and security threat will be caused by the power cut. Since the external damage happens often, covertly and unexpectedly, daily patrols by the power supply department are not sufficient and effective in management. To protect the power lines from being damaged externally, this thesis designed and developed a external damage precaution system for power lines to reduce external damage events even eliminate them so that safe operation and smart management of the power lines can be improved.

Transmission line; External damage; Intelligent early-warning; Ultrasonic distance detection; Intelligent management

TM8

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.027

李忠魁(1975-)，男，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，從事輸電運(yùn)維工作。

本文著錄格式：李忠魁，程生安，趙 明，等. 基于高壓輸電線路的防外力破壞預(yù)警技術(shù)研究[J]. 軟件，2017，38（4）：142-145