基于激光掃描的輸電線路防外破預警監督系統開發研究

袁新龍，岳 濤

（蘭州石化公司機電儀運維中心， 甘肅 蘭州 730060）

近年來， 隨著我國電網事業的發展和完善， 電力線路的建設取得了長足的發展。 但是， 電力線路由于其所處地理位置和環境條件的特殊性， 兼具桿塔點多、 面廣、 線長等特點， 終年暴露在野外， 易受極端惡劣天氣的影響。 由于動物活動、 人為因素等對電網系統的干擾， 時常引起電路短路、 跳閘以及電網被迫停電等事故發生[1]。 電路故障不僅會嚴重影響電網安全運行， 也會對人民生命財產安全造成威脅， 加強對電網輸電線路安全管理與維護是電網發展的關鍵[2]。

目前， 很多電力企業往往采取人工不定時電網巡視或者無人機監控等手段， 來避免電網輸電線路受到破壞。 但這些手段受特殊環境以及成本因素的制約， 無法有效保障電網輸電線路的安全[3]。 近年來， 隨著物聯網技術的興起， 包括紅外技術、 激光掃描技術、 電廠監測、 視頻監視等新型防外破技術廣泛應用于電網維護領域， 推動了電路防外破技術的發展。

研究結合電網建設發展需求， 探討防止電力線路免遭外力破壞的對策方案， 為避免人為等因素對電網安全的影響， 提出了一種全天候激光掃描及視頻識別防外破監控告警的方式[4]。 該方式利用激光技術與實時監視技術實現對輸電線路的預警與監控。 在輸電電線預警區域范圍內， 該技術通過系統激光傳感器以及視頻監視設備能夠對工況環境進行實時監測[5]。 對電路環境內故障問題以及違規施工現象， 系統會及時進行反饋與抓拍， 并進行語音警告， 預警信息將通過無線網絡及時傳遞到系統終端， 反饋給相關負責人并及時進行問題處理。 該技術結合語音報警、 激光掃描以及視頻監控等最新技術， 為電網電路的有效運作提供重要思路。

1 輸電線路防外破系統預警策略

預警系統的主要原理是通過架設在電網區域內的預警裝置實現對環境工況的監控和預警反饋。 其中， 激光掃描儀會對環境內地理數據特征進行采集， 而視頻監測器會在激光掃描儀的基礎上對環境現場進行更全面的監控。 在電網電路線預警區域內， 當有運動物體闖入該區域內， 系統預警機制便會啟動， 通過人工智能（AI）算法提取視頻監控數據以及激光掃描數據， 解析出該物體是否超過電路預警設置的安全閾值， 包括物體是否超高、 速度是否過快等。 超過系統所設定的安全閾值時， 系統會在物體還未靠近時進行語音警告， 并通過系統網絡將抓拍的畫面以及相關信息反饋給管理者。

該技術與傳統的單一視頻監控電路防外破技術相比， 有兩點創新之處。 一是采用更智能的激光水平探測儀， 該激光掃描器能夠通過更智能的算法對運動物體特征軌跡進行探測， 精準度更高， 也更智能。 如預警范圍內車輛超高、 車體過大、 速度過快等， 通過激光掃描儀器對運動物體信息的監測， 若危及電網線路， 系統將及時聯動聲光報警， 對危險車輛進行預警， 從而避免輸電線路受到威脅。 同時， 系統連接物聯網平臺， 通過無線通信技術以及5G 技術及時將信息通過短信以及圖像等形式反饋給管理者。 管理人員收到信息后可以隨時調取現場畫面信息， 并通過手機終端喊話發出警告， 阻止危險行為的發生。 二是采用了AI 視頻攝像機， 有別于傳統的視頻監控設備， 該設備智能化更強， 提供更復雜工況環境支持。 在預警范圍內， 當車輛等運動物體進入預警范圍， 視頻監控設備將進行智能畫面監視與識別， 并通過云端AI 算法對運動車輛等物體進行分析， 與激光掃描儀器聯動。 若超過系統設置的安全閾值， 系統將進行語音預警， 并反饋信息給管理者， 從而阻止危險活動的發生。 圖1 為輸電線路防外破預警系統框架。

圖1 輸電線路防外破預警系統框架

由圖1 可知整個輸電線路防外破預警系統原理。 輸電線路防外破預警系統主要由前端系統、 后端系統以及通信網絡三部分構成。 其中， 前端系統包含高音喇叭、 綜合監視器、 報警聯動單元、 警示燈等； 后端管理系統包括了計算機運算平臺、 網絡服務器、 移動終端監視平臺等； 通信網絡包括4G/5G 無線傳輸模塊、 網絡路由器等。

2 輸電線路防外破預警系統優化

2.1 系統各部分功能

系統建設要滿足電網輸電線路的環境監測以及危害報警需求。 同時考慮到電網線路環境的復雜性與苛刻性， 系統能夠兼顧復雜的作業工況， 包括夜間復雜環境、 高溫、 冰凍以及自然災害等場景使用要求。 將輸電線路防外破預警系統安裝于鐵塔之上， 利用先進的4G/5G 無線通訊網絡技術解決防外破數據傳輸和報警信號傳輸問題。 通過系統內部的激光掃描器與視頻監控獲取輸電線路預警環境狀態數據， 將監測動態數據與系統預測安全閾值進行對比， 從而診斷出預警結果， 并由結果作出相應的預警操作。 整個輸電線路防外破激光預警系統建設由綜合監控主機、 激光水平探測儀、 高聲響喇叭、 太陽能板、 高速球形攝像頭、 4G/5G 全網通無線通信等部件組成， 后臺由管理人員控制手機或計算機、網絡視頻服務器和網絡視頻軟件組成。 其中綜合監控主機是整個系統的核心， 主要負責對監測數據的處理與判斷， 并根據分析結果得到監控指令， 并通過4G/5G 無線通信網技術實現遠程防外破系統的報警與監控。

綜合監控主機是系統的核心， 是獨立運行的嵌入式系統。 激光水平探測儀與高速云臺球機是系統的輸入設備， 主要負責對輸電線路預警環境的監控與數據信息的收集。 在預警系統設計中采用的是最新的雙窗口探測激光掃描器， 主要由主固體激光發射裝置和被動激光放大接收裝置電路及不易老化的超長壽命的檢測模塊與模糊邏輯數碼核心組成， 能夠滿足于電網嚴苛的使用要求。 圖2 為激光水平探測儀工作原理。

圖2 激光水平探測儀工作原理

激光水平探測儀安裝在桿塔上， 激光線在線路下方4～9 m 處（根據安全距離確定） 與線路平行，通過激光越線探測器在輸電線路走廊安全距離以下的區域對違章施工機械進行越線分析告警， 并聯動攝像機抓拍照片及錄像上傳到監控中心管理平臺，并發送短信到相關人員手機上。 選用的激光水平探測儀具有反應速度快、 靈敏度高、 操作便捷等特點。 其探測耗時為1 ms， 激光類型為紅外激光， 波長905 nm， 工作環境要求為-20 ℃～60 ℃， 相對濕度≤90%（無霜結）。 高速云臺球工作原理與激光水平探測儀類似， 桿塔傾斜探測器安裝在桿塔的橫擔上， 具有遠距離無線通信接口， 用來與綜合分析軟件系統進行數據通信。 探測器能自檢、 采集、 測量，并將測量結果傳輸到綜合分析軟件系統。 選用的高速云臺球支持IP68 防護等級， 工作寬溫為-40 ℃～70 ℃， 分辨率為200 萬 像素（1 920×1 080 分辨率） 。 高速云臺球具有靈敏度高， 支持水平360°連續旋轉， 功耗低等特點。

語音喊話喇叭是預警系統的關鍵部分， 主要起到對輸電線環境展開語音喊話作用。 系統在遭遇警告預警后， 控制中心會發出語音報警指令， 并由系統語音喊話喇叭發出喊話報警聲。 4G/5G 無線傳輸模塊負責前端系統戶外通信數據傳輸功能， 采用目前業界最先進的4G/5G 全網通信技術， 解決防外破系統在復雜嚴苛環境的數據傳輸與報警信號傳輸問題。 網絡支持移動、 聯通以及電信通信服務， 通過運營商可開通移動數據服務、 短信服務以及語音服務。 根據電網輸電線路所在場所環境， 選擇信號穩定、 數據傳輸快、 價格合理的通信套餐服務。 同時， 系統也提供GPRS/3G/4G/5G/Wi-Fi 等多通信方式， 根據環境具體需要選擇合理的網絡接入技術，能夠與無線語音視頻系統以及無線多方通話系統共同聯機使用， 方便后續系統升級實現遠程語音視頻喊話功能。

2.2 系統布設與調適

預警系統布設主要用于對電網輸電線路的實時監控與安全預警， 在系統布設中需要綜合性分析輸電線路環境情況， 分析桿塔的高差、 檔距、 桿塔中心點弧垂等參數。 系統的布設應盡可能地獲得高壓輸電線的全部表面特征信息， 同時充分考慮環境各類因素對預警系統數據采用的干擾。 如比較常見的激光掃描設備與視頻監控設備被遮擋、 相鄰電線交疊以及動物干擾等。 相關技術人員對布設場景充分分析并得到詳細的勘測數據， 選取多個測站進行分別掃描， 掃描過程中應該將距離控制在100 m 范圍， 保證激光掃描的精準性。 圖3 為系統布設關鍵信息。

圖3 系統布設關鍵信息

具體安裝時需要確定設備是否正常， 插上綜合監控主機、 4G 無線傳輸模塊、 激光水平探測儀、高速球形攝像頭等設備， 接通電源驗證設備通關、視頻、 云臺控制等是否正常。 分別取出太陽能板，接上主機， 通過白色接口板的LED 燈是否亮和電源板橫排3 個LED 燈的顏色， 查看太陽能板及電源板是否正常。

桿塔激光預警設備安裝包括主機、 太陽能板、球機箱以及激光水平探測儀的安裝等。 主機安裝中將其裝在桿塔橫擔上， 用幾字型支架卡住角鋼的安裝方式， 主機箱在角鋼上用2 個幾字型支架掛穩定， 用4 個螺桿固定住主機箱和幾字型支架， 并要把線纜牢固地固定在終端箱附近的塔材上， 位置一般在高壓桿塔上的絕緣子上方的位置， 這樣視頻能夠監測到線纜。 球機箱的安裝中， 固定方式和主機一樣， 安裝在主機箱附近的橫擔角鋼上且實現開闊場景， 設備應在角鋼的位置朝外， 其視頻口需要垂直朝下， 隨后擰緊螺絲。 激光水平探測儀應選擇線距離線路弧垂最低點靠下的6～9 m 位置安裝， 將激光探頭的固定支架2 個L 型的角鋼用螺絲固定桿塔的角鋼上， 聯系后端測試人員， 調整角度， 將激光探頭對準線路方向平行于線路走向， 擰緊探頭上面的固定螺絲。

3 預警系統性能測試及應用分析

研究提出了基于激光掃描的輸電線路防外破預警系統， 系統能夠利用激光實現快速檢測和預警，為了了解系統的預警性能， 需要對系統的預警反饋時間進行評價， 結果見圖4 預警系統反饋時間比較。

圖4 預警系統反饋時間比較

由圖4 可知， 研究對比分析了多個防外破預警系統之間的預警效果， 可以發現， 研究提出的基于激光掃描反饋的預警系統的反饋時間維持在0.8 s左右， 并且最低反饋時間降低至0.74 s。 而其余兩種預警系統的最低反饋時間均在0.8 s 以上， 并且平均反饋時間均大于基于激光掃描的預警系統。 以上結果表明， 采用激光掃描構建輸電線路防外破預警系統能夠有效降低預警反饋時間， 從而實現快速預警。

以某220 kV 的雙回路架空高壓輸電線路為實驗場地， 周圍正開展相工程項目施工， 來往超高車輛居多， 包括吊機、 挖掘機、 推土機等， 對電網輸電線路安全造成影響。 因此， 通過布設在高壓塔桿上的激光預警設備， 對穿過預警區域內的車輛進行預警測試。 當車輛的高度在系統所設置的安全警告閾值范圍時， 系統將進行語音警告、 聲光警告以及喊話等操作。

其中架空線路最大弧垂對地距離為8.5 m， 設置報警閾值共3 個級別， 分別是高4.9～5.4 m、 5.5～6.9 m、7 m 及以上， 危險系數不斷增大。 第84 頁表1 為激光預警實驗結果。

表1 激光預警實驗結果

實驗共進行5 組， 每組進行4 次實驗， 并選取不同高度閾值進行實驗。 由表1 可知， 在5 組不同閾值下的測試， 該系統均能實現預警準確率達到97%以上。 同時， 根據閾值等級， 危險等級的不斷升高， 系統預警反饋也更激烈。 顯然， 借助更先進的激光掃描技術與通信技術， 能夠對環境進行有效的監督與反饋， 滿足于電網輸電線防外破系統建設要求。

4 結束語

研究綜合性分析了電網輸電線路防外破系統建設需求與環境適應性需要， 結合目前先進的激光掃描技術、 通信技術以及智能化數據處理技術， 構建基于激光掃描的輸電線路防外破預警監督系統。 在系統性能驗證中顯示， 系統能夠快速做出預警反饋， 其預警反饋時間最低時間降低到了0.74 s， 能夠避免電網輸電線路受到破壞。 此外在激光預警系統的應用測試中顯示， 選取了不同閾值進行多組測試， 該系統反饋所表現出的準確率均在97%以上。

結果表明， 采用激光掃描能夠有效實現輸電線路防外破預警， 對電網智能化發展有重要參考價值。 研究中并未考慮復雜環境下的激光掃描應用效果， 在后續研究中應重點分析不同環境下的系統應用， 以完善系統預警性能。