基于微波傳輸技術的監(jiān)控裝置在超高壓輸電線路上的應用

劉海峰 耿三平 楊陽 姚陶

（1.國網(wǎng)河北檢修公司運維檢修部 河北省石家莊市 050000 2.國網(wǎng)河北信通公司 河北省石家莊市 050000）

隨著當今社會電氣化程度的提高，對可靠的電力供應的需求以及對電力質(zhì)量的需求都在增加。由于其輸電線路高度有限，往往是由于一些外部車輛、建筑等原因，通過城市和郊區(qū)的交通線造成線路短路、線路中斷和其他安全事件[1]。在高度緊張的壓力下工作是非常危險的，一點意外因素就會造成嚴重的人員和設備事故。

為了減少這類事件，需要開發(fā)一種高性能的監(jiān)控裝置，以探測和警告接近該線的物體，監(jiān)測傳輸線，覆蓋保護區(qū)，在外部力量侵入時發(fā)出警報，并啟動視頻測試系統(tǒng)，以確保輸電線路的安全

1 輸電線路監(jiān)測裝置研究的意義

目前，考慮到當?shù)貧夂蚝椭T如山火、風沙冰雹等自然條件的影響、對工作人員進行在線監(jiān)測的輸電線路的影響等環(huán)境因素，開發(fā)了在線電氣監(jiān)測技術。針對線路狀態(tài)（溫度、振動），為了進行環(huán)境監(jiān)測、在線視頻監(jiān)測或其他監(jiān)測技術，電力公司各部門也設立了一個評估中心，監(jiān)測環(huán)境和業(yè)務參數(shù)線的初步狀況，評估傳輸線的運行狀況，并指導災害預警工作[2]。

目前使用的大多數(shù)傳輸線路在線監(jiān)測技術都是為了監(jiān)測輸電線路設備的主體或氣候和環(huán)境參數(shù)，電力專業(yè)的專家和學者沒有把對傳輸線沿線外力因素的早期監(jiān)測作為一個優(yōu)先研究領域，因此，他們無法直接監(jiān)測在傳輸線附近發(fā)生的外力因素災害[3]。林區(qū)的林業(yè)和氣象專業(yè)人員進行的森林火災監(jiān)測研究取得了重要成果，各級氣象部門都使用氣象雷達對其管轄范圍內(nèi)的森林火災進行預測。林業(yè)部門利用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測衛(wèi)星掃描范圍內(nèi)的森林火災。

研究傳輸線意外情況的專門監(jiān)測系統(tǒng)和設施，有助于及早發(fā)現(xiàn)意外點，并幫助應急人員在災害影響到設備和電網(wǎng)之前消除潛在的危險[4]。如果不能及時解決隱藏的問題，就可以幫助電力分配人員及時調(diào)整網(wǎng)絡的運作結(jié)構，并將損失減少到最低限度，確保線路安全運行，使人民安全用電力。

2 輸電線路破壞故障類型

2.1 異物造成的故障

有些導電物體可能會導致輸電線路的短路。懸浮氣球，風箏懸浮在傳動線上，高空拋出的物體會造成輸電線路的短路。一個更為特殊的現(xiàn)象是在塔上筑巢的鳥類，這促使蛇沿著塔上的界線攀登，從而使輸電線路短路。

2.2 吊車碰線造成的故障

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，施工作業(yè)比較頻繁。當起重機在輸電線附近搬運重物時，其手臂離輸電線太近。很可能會造成從線路到地面的短路連接[5]。外部力量造成的這種破壞的后果更為嚴重，而且往往伴隨著更大的生命損失或能源損失。這也是近年來經(jīng)常發(fā)生的輸電線路破壞故障的主要類型。

2.3 違章施工造成的故障

圖1：輸電線路監(jiān)測裝置部分組件

輸電線路以下的非法建筑造成線與建筑物之間的距離不足，并導致輸電線路的跳閘。非法施工的形式多種多樣，近年來也呈現(xiàn)出一種常見的趨勢。

2.4 山火造成的故障

山區(qū)森林中的人為或自然因素引起的火災會使線路周圍的空氣離子化，或使大量的絕緣物質(zhì)溢出，從而減少空氣的絕緣性。這會在穿過森林的傳輸線上造成短路或爆炸，從而使輸電線路出現(xiàn)故障。

2.5 盜竊造成的故障

大多數(shù)輸電設備都是布置在野外，缺乏專人看管。在許多地方，塔材、接地線等都被盜竊。這種現(xiàn)象嚴重威脅著輸電線路的安全，給電力傳輸造成了嚴重的損失。

3 防外力破壞技術的優(yōu)缺點

微波技術的監(jiān)控裝置系統(tǒng)以防止微波誘發(fā)線盜竊的在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，使用微波誘導原理在傳輸線周圍10 米范圍內(nèi)探測移動物體，并獲得信號以達到現(xiàn)場監(jiān)測效果。人們認為，破壞或盜竊電力設施往往會產(chǎn)生強烈的振動和噪音，因此使用了加速傳感器來收集在輸電線路相關設備被盜和使用過濾器和信號處理技術處理噪音時收到的撞擊信號[6]。這樣也可以很好地跟蹤信號塔失竊的現(xiàn)象，雷達探測器是根據(jù)多普勒理論開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是高度敏感和廣泛的探測范圍，是一個高電壓線激光探測和警報系統(tǒng)，以防外力引起的輸電線路故障。物體和高壓線之間的定位距離，由高電壓線磁場強度變化值的激光探測和激光向目標和向目標發(fā)射所需的時間來確定。根據(jù)安全距離參數(shù)各個級別的預設值進行預防和警告；當基本警告值或其他預設值超過時，高電壓線將自動避免由高電壓物體在現(xiàn)場直接破壞，其遙控警報系統(tǒng)和警示警報系統(tǒng)，或通過從控制中心進行的二級操作予以消除；根據(jù)相對位置距離進行計算和分析，長期監(jiān)測高壓線以下樹木生長的狀況，進行高空報警，鐵塔傾斜報警，根據(jù)傳感器探測結(jié)果發(fā)出撞擊警報。

4 總體方案設計

防衛(wèi)外部力量監(jiān)測系統(tǒng)分為兩個部分，即主現(xiàn)場控制和二級數(shù)據(jù)處理中心。主現(xiàn)場控制股由一個主機系統(tǒng)和一個安裝在鄰近鐵塔上的從屬系統(tǒng)組成。主系統(tǒng)包括主發(fā)射機控制單元、接收器雷達、指揮塔防盜雷達、無線通信單元、無線視頻單元，聲學和光學報警單元和電源單元：奴役系統(tǒng)由發(fā)射機主控制單元、傳輸雷達、塔臺防盜雷達和無線通信單元以及電源單元組成，其中包括：發(fā)射雷達和接收雷達是使用24.125 千兆赫載波頻率的微波探測器。

當外部力量侵入該地區(qū)時，警報就會觸發(fā)；該塔的防爆雷達由安裝在塔周圍的四個雙探測微波紅外線傳感器組成，能夠有效地阻遏陌生人攀登塔和偷竊塔上的材料。無線視頻模塊包括一個高速球和無視頻率服務器，使用戶能夠通過4G 高速網(wǎng)絡視頻技術實時觀看現(xiàn)場視頻；現(xiàn)場警報將是聲學和光學警報，以便有效地提醒人員和車輛。該中心由一個數(shù)據(jù)庫平臺、一個網(wǎng)絡服務平臺和一個通信服務器組成。它的作用是與網(wǎng)站的主要控制單位進行信息交流，最后，用戶可以通過友好的操作界面進行操作，如發(fā)布命令、終端管理、數(shù)據(jù)查詢等。

整個工作流程系統(tǒng)：雷達系統(tǒng)測試單位在警報或報警后通過頻道識別警報位置，然后在現(xiàn)場啟動無線視頻模塊，從而通過攔路搶劫來探測。通過RS-485 高速定位器的接口，它指向了現(xiàn)場視頻報警位置，通過一個4G 網(wǎng)絡從最后一個視頻信號上傳到后端數(shù)據(jù)處理中心。主現(xiàn)場控制裝置可以同時激活聲波和光學報警電源，并將警報終端號碼、警報時間和警報位置的信息從GPRS 無線傳送到二級監(jiān)測中心，如圖1所示。

5 現(xiàn)場主控單元

5.1 微波雷達

雷達的工作頻率是K 波段，采用這一波段的好處是，它是在遠離環(huán)境噪音的高頻率上，因此，探測器在防止假警報方面具有良好的性能。

它由一個發(fā)射機和一個接收器組成。發(fā)射機將K 波段的振幅調(diào)制微波發(fā)射機發(fā)送給接收者，并由接收者接收。接收到的電波被放大和處理，以確保報警信號的繼電器保持電。當有干擾時，接收器收到的能量會發(fā)生變化，導致繼電器斷電，從而引發(fā)警報。

一組獨立的K 波雷達可以監(jiān)測1500 英尺的距離。接收器配有自動收益控制裝置（AGC），使接收器能夠根據(jù)控制距離自動調(diào)整接收器。其典型的最大保護范圍是1500 英尺、直徑40 英尺的微波空間。當發(fā)射機和接收器之間的距離最大，而接收器的“敏感度”最大時，即達到最大限度。

5.2 桿塔防盜

該系統(tǒng)使用一個紅外微波鏡像傳感器探測防御塔外部力量的情況。這一傳感器中使用的MRD 全息成像雷達位移識別技術可以有效地防止假警報。傳感器安裝在臺塔8 至10 米的高度（可根據(jù)實際探測區(qū)域靈活選擇這一高度）。當移動物體接近或爬上塔臺時，傳感器會發(fā)出警報。

5.3 無線視頻

無線視頻單元由高速球和無線視頻服務器組成。

（1）高速球機。這是無線3G 遠程監(jiān)視系統(tǒng)前端的探測部分，它發(fā)揮著重要的作用。高速球機可以達到360 度的水平。垂直90 度，它的工作電壓為DC12V，其通信介質(zhì)為RS-485；它的工作電壓為DC12V；它的工作負荷為0.5 至0.5 毫米；它的工作負荷為0.5 至0.5毫米。

（2）無線視頻服務器。對高速球捕捉到的視頻信號進行分析和處理，并最終通過4G 網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，該網(wǎng)絡使用各種低扭曲和快速的視頻壓縮算法，加密效率高，圖像質(zhì)量高，它的電源是應主控制單元的能源管理單元的要求提供的，電壓為DC2V，因此，它的電源是由一個獨立的中央控制單元提供的。

5.4 視頻聯(lián)動

在安裝該系統(tǒng)時，高速球機的前置時間與K 波長雷達和反轉(zhuǎn)傳感器的位置相吻合，其通信通過背景監(jiān)測中心在主控制單元內(nèi)進行保密。當主控制單元探測到警報時，它會向高速球機發(fā)出預定的跳躍命令，以便對入侵現(xiàn)場進行錄像，并為獲取司法證據(jù)提供依據(jù)[7]。

5.5 無線通訊

該系統(tǒng)利用各種無線通信手段來適應不同的應用程序。通過4G 網(wǎng)絡進行視頻通信；基本命令和信息通過GPRS 網(wǎng)絡實施：從機與主機之間的通信通過一個小型的自主無線網(wǎng)絡進行，覆蓋433兆赫。

5.6 供電系統(tǒng)

光伏電源系統(tǒng)使設備能夠在連續(xù)20 天的降雨和冰層中運行正常工作，在一些最富于風能的地區(qū)，可以安裝風光互補的能源供應系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

輸電線路是電力運輸?shù)闹鞲桑瑢θ嗣袢粘Ｉ畹闹卮笥绊懯秋@而易見的。通過監(jiān)測裝置的安裝，可以對輸電線路進行24 小時的全天監(jiān)測，對事故進行早期預警，降低了事故發(fā)生率，提高了電網(wǎng)的可靠性，直接減少事故造成的經(jīng)濟損失。