基于雷達技術的輸電智能監控預警系統

鐘宏宇，吳 剛，尹婷婷，喬 羽

(1.國網通化供電公司，吉林 通化 134001；2.國網吉林省電力有限公司人力資源部，吉林 長春 130022； 3.沈陽嘉越電力科技有限公司，遼寧 沈陽 110136)

隨著電網技術的快速發展，架空輸電線路防外力破壞監控技術已經成為國內外學者們共同探討的話題。根據實地了解，架空輸電線路長期暴露在室外，其桿塔多、距離長、范圍廣的特點，惡劣天氣變化(暴雨、雷電、冰雹等)和諸多人為因素(盜竊、非安全距離內的建筑施工等)對架空輸電線路造成的異常，會給電力企業和電力大用戶造成非常嚴重的后果。因此，加強設備、線路的遠程監控應該提上日程。采用常規的調度安排人員對輸電線路特巡周期長、效率低、可控性差，無法提前預判[1-3]，已經不能滿足現代電網的需求。

基于此，為了及時發現并制止因各種外力破壞對架空輸電線路造成的影響，本文在常規的架空輸電線路防外力破壞監控技術基礎上進行上科學化、模塊化，將雷達技術融入其中，研制了一套基于雷達技術的輸電智能監控預警系統，可以對現場狀況實時監測，積極快速告警。該系統的研制可以更科學合理地指導后續的架空線路防外力破壞的監測工作，系統采用模塊化方式，結構清晰，具有先進性、開放性、可擴展性，對進一步研究預測架空輸電線路內部存在的潛伏性故障具有科學指導意義。

1 發展現狀

目前，同行業學者們針對輸電線路的監控系統開展了大量研究，較為成熟的視頻監測裝置能夠及時觀察到輸電線路附近的桿塔、緊急事故發生地周圍的環境動態因素，在諸多輸電線路防外力破壞的實踐中得到了廣泛應用，但從使用者的反饋上來看，這種常規輸電線路的防外力破壞系統仍舊存在如下不足[4-7]。

a.防外力破壞預防預判效果差；

b.抗干擾能力差，可信度低；

c.識別偵測物體能力差；

d.跟蹤能力差，監測盲區范圍多；

e.監測裝置功耗大，供電系統困難；

f.智能化水平低，信息統計能力弱，例如何種物體、大小、形狀、速度、行為模式等。

2 系統架構及原理

2.1 系統架構

基于雷達技術[8-15]的輸電線路監測系統在傳統的監控系統基礎上進行了科學設計，將雷達原理和視頻智能分析功能應用其中，并將圖像處理技術、低功耗控制技術、無線通信技術、系統自檢與恢復技術、數據采集等集成于一體，為輸電線路智能監控服務。系統整體架構如圖1所示。

2.2 主站系統工作原理

主站系統通過完成自身數據采集展示，存儲以往的歷史數據，并作定期統計，給出變化趨勢，以便于運行專工了解現場的變化規律，也考慮與其他系統之間數據互動，起到承上啟下的作用，做好過渡中間件的功能，可通過PC客戶機訪問模式迅速了解。軟件研發考慮擴展性、實用性、準確性，自身可以獨立工作同時，最大限度降低了與其他系統之間的耦合，以便于安裝、維護和升級。主站系統工作原理思維導圖如圖2所示。

3 系統設計及功能概述

3.1 系統設計

本監控系統設計主要包括圖像視頻采集、智能監測和監測中心預警系統3個部分。

3.1.1 圖像視頻采集

工作原理是攝像機采集監控現場實時視頻、音頻、告警等信息數據，攝像機采用可見光，實現定時可控布防監控；對視頻處理單元接收的攝像機視頻信號進行編碼以及智能算法分析，并將視頻信息和報警診斷信息通過4G網絡方式傳送至監控中心或智能監控服務器，監測中心或智能監控服務器將診斷信息和異常圖像以發送到信號觸發端，以激活語音報警模塊發出報警信號。圖像視頻采集主要由高精度雷達接口、高精度加速度傳感器和高清紅外攝像機3個模塊組成。

a.高精度雷達接口

高精度雷達接口主要用以探測目標(包括靜態目標和動態目標)的距離，以及被監控目標的速度矢量，監測范圍在0.05～50 m。雷達接口面與天線面如圖3所示，其性能參數如表1所示。

表1 性能參數

b.三軸高精度加速度測量

基于雷達技術的輸電智能監控預警系統采用的三軸加速度傳感器，如圖4所示。其最大優勢在于，當無法獲取目標的速度矢量時，三維加速度傳感器可用來測量和彌補。由于體積小、質量輕的優點被廣泛用來測量空間加速度，能夠更精確反映入侵外物的運動性質。性能參數如表2所示。

表2 性能參數

c.高清紅外攝像機

高清紅外攝像機如圖5所示，主要用于遠程受控視頻信號采集、處理和傳輸，對攝像機及云臺的可控加熱，對攝像機外殼具有自動控制和遠程控制功能，可以實現遠方常態化操作的自控控制，包括電源、圖片采集、IP編輯、斷線連接、數據儲存以及紅外探測等。性能參數如表3所示。

表3 性能參數

3.1.2 智能監測

智能監測與智能監測服務器進行交互溝通，用于控制圖像視頻采集單元電源的開啟與關閉；智能監測分機主要用來接收圖像視頻采集單元傳遞的數據，經過分析、處理將數據發送到監測中心服務器。大量的數據采集、存儲、管理和遠程通信等功能都是通過智能監測分機來實現的。智能監測主要由智能監測裝置主板來實現，智能監測裝置主板如圖6所示。

3.1.3 監測中心預警系統

監測中心預警系統是所有模塊中最重要的部分，用以實時監控視頻、圖像的狀態信息以及對敏感信號發出告警。整體模塊采用集成架構，內部存儲容量大，讀寫速度快，功能可拓展。監測中心預警系統主要用于對探測的信號發出警告，聲控由高功率喊話喇叭來是實現。

a.報警方式

報警方式主要包括現場報警和監控中心報警2種。現場報警可連接智能視頻分析單元和聲光報警聲，警報一旦被觸發，智能視頻分析單元中的I/O開關將被關閉，以致觸發前端聲光報警器。監控中心報警的視頻分析管理軟件安裝在某臺PC機中，當有人為或客觀因素觸發報警，PC就會發出報警，并在管理軟件上顯示報警時間、地點和報警事件及現場圖片及錄像信息。

b.報警器連接

報警器連接如圖7所示。智能視頻分析單元提供報警輸出口，綠色端口可連接報警器或視頻服務器的報警I/O口。報警輸出端用開關對信號進行開斷，當AB接通時，表示產生報警信號，當AB斷開時，表示無報警信號。

3.2 系統功能

基于雷達技術的輸電智能監控預警系統通過攝像機采集到周圍的圖片元素和視頻元素，經過通信技術傳輸到主控監控室，例如：當畫面中1臺車輛出現在監視范圍中，圖像就會將車輛的矩形區域實時繪制，車輛移動中，矩形也會跟蹤在車輛周圍，并在監視畫面中告警為外力入侵對象，引起監控值班員注意，關注事態發展過程。

基于雷達技術的輸電智能監控預警系統可以防止輸電線路人為因素和客觀因素的破壞發生，可在監控區域內辨識出輸電線路不安全距離范圍內是否有大型的建筑施工、人為盜竊塔材行為，或有無風箏等異物飄掛到架空線路上，對于入侵檢測、異物檢測，可以歸結為對輸電線路周圍的外界事物進行識別、報警，以便工作人員采取有效的措施避免輸電線路危害行為的發生。

對于外力破壞的監測，首先從現場圖像序列中將感興趣的區域(高大建筑機械、人體目標)從背景圖像序列中抽取出來，結合顏色特征以及運動目標區域面積大小，實現大型機械與人體目標的分類、檢測。當大型機械駛入并停留在監控保護區域時，監控現場會予以發出警告，以警示該物體不得停留在監控保護區域，當大型機械繼續停留在監控保護區域，進行電工作業，如吊車臂伸展，則對吊車臂進行檢測與運動跟蹤，估算吊車臂的伸展角度，并提高預警級別，警報信息將逐級上傳。當有人體目標進入保護區內并停留，現場語音警示，提醒人體目標盜竊國家電力設備屬于違法行為，并將警報信息逐級上傳。

4 系統應用

基于雷達技術的輸電智能監控預警系統已在國內某供電公司推廣應用，有效解決了傳統輸電線路監控系統信息量小、功耗大、抗干擾能力差的問題，在提高輸電線路的可靠運行中具有舉足輕重的位置。

a.人體目標檢測

圖8—圖11為檢測塔下人體目標檢測的分析圖。

b.大型機械檢測

塔下大型機械的檢測算法原理與人體目標檢測一致，由于桿塔下如挖掘機、塔吊等大型機械顏色與面積與人體大不相同，所以要對算法中的一些特定參數進行修改，例如閾值分割時的閾值設定不同，面積閾值分割時的面積閾值也不同，不同機械檢測結果見圖12—圖14。

c.異物檢測

對飄掛到輸電線路導線上的風箏等異物進行檢測，利用背景建模的方法，具體算法和前面的理論一致，也要根據異物特征對一些參數進行修正，不同異物檢測結果如圖15—圖16所示。

5 結語

架空輸電線路防外力破壞系統在供電公司及電力用戶發揮著重要的作用，常規的架空輸電線路防外力破壞系統存在著諸多不足，如預警不及時、現場誤報率高、物體種類識別不明顯等。因此，本文根據雷達檢測高精度的智能監測預警技術，基于雷達技術的輸電智能監控預警系統模塊化設計精良，構架邏輯清晰，對檢測人體目標、大型機械、異物均起到了良好的預警效果。