智能識別和主動驅趕的防鳥害裝置研究

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((國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

近年來鳥害故障已成為電力線路的頻發性故障之一，是影響電網安全的較大隱患之一。如何降低鳥類活動對架空輸電線路等電力設備的危害，促進人與自然、人與鳥類的和諧共處，已成為電網企業開展架空輸電線路運行維護工作所面臨的一個新的社會課題。

四川電網地形以山地為主，架空輸電線路桿塔多數處于高山之中，近年來，隨著經濟開發規模的擴大，林區越來越少，造成鳥類在繁衍季節越來越依賴架空輸電線路桿塔作為棲息地，導致鳥害越來越嚴重。據統計，2002年以來四川電網架空輸電線路因鳥害跳閘事故發生了近100次。早期，在電網規模較小，鳥害尚不嚴重的階段，采用人員現場喊叫、敲鑼、放鞭炮及發現鳥巢立即拆除等措施驅趕鳥類。隨著電網規模的逐步擴大，鳥害程度不斷加重，這種人工驅趕鳥類的方法既費人力又費物力，而且需要長時間的堅持，難以有效防治鳥害。

隨著科學技術的發展，電網逐步安裝了一些風動式驅鳥器、磁動式驅鳥器、 超聲波語音驅鳥器和防鳥刺驅鳥器等，取得了一定的效果。但是，經過一段時間的現場應用，發現這種措施存在以下缺點：

1)雖然在安裝點處沒有再次發生鳥害故障，但在安裝點下的絕緣子上仍發現有新鳥糞；

2)風動式驅鳥器、防鳥刺驅鳥器等使用一段時間后驚鳥效果不大，原因是鳥對該類驅鳥裝置產生了適應性，若不加以改進，防鳥害效果將難以為繼；

3)超聲波語音驅鳥器使用中會產生音源效應，不適宜在居民密集區的桿塔上安裝使用 。

為了彌補此前各種防鳥害設備的運行弊端，研制了一種基于智能識別和主動驅趕的超聲波智能驅鳥器，用于防止輸電線路遭受鳥害影響。該系統采用微波雷達探測，誤報率低，探測立體角度大，防鳥害效果顯著。

1 智能超聲波驅鳥裝置的設計與實現

超聲波驅鳥是通過放超聲波刺激鳥類的神經系統，使其生理紊亂逃離，故沒有地域性限制，適合大范圍的推廣應用。在實際應用中還可通過不斷變換超聲波頻率降低鳥類的適應性。此外，由于超聲波頻率高于人耳所能聽到的范圍，所以能盡量減少其對人類生活造成的影響。采用定時工作方式的驅鳥裝置會加快鳥類對驅鳥裝置的適應速度，采用探測方式可減緩這方面影響。設計的智能超聲驅鳥裝置包含探測模塊、電源模塊、控制模塊和執行模塊，以下將分別介紹每個模塊的工作原理。

1.1 探測模塊

研制的智能超聲驅鳥裝置采用微波多普勒雷達對飛鳥進行探測，原理如圖1所示。雷達發射固定頻率f0的微波對空掃描，如遇到活動的飛鳥，回波頻率與發射波頻率出現頻率差fd，稱為多普勒頻率。根據fd的大小，可測出飛鳥對雷達的徑向相對運動速度。采用頻率過濾方法檢測目標fd譜線，可濾除干擾雜波的譜線，從強雜波中分辨出飛鳥目標。所以多普勒雷達具有很強抗雜波干擾能力，能探測出復雜環境背景中活動的飛鳥。fd的計算式為

式中，v為目標速度；c為光速，c=3×108m/s；θ為飛鳥移動方向與微波輻射方向間的夾角。

設飛鳥朝微波輻射方向移動速度為1～3 m/s,則fd在70～210 Hz之間。通過對多普勒信號進行選頻放大和門限判決后就能獲得能夠反應飛鳥活動情況的數字脈沖輸出，為下一步的單片機驅鳥動作提供依據 。

圖1 微波多普勒雷達飛鳥探測原理

微波多普勒雷達模塊由微波移動傳感器和多普勒信號處理電路組成。微波移動傳感器采用的是X波段移動傳感多普勒模塊HB100，它集成了振蕩器、混頻器、發射和接收天線，僅需提供5 V電源便可直接輸出毫伏級的多普勒信號 。

多普勒信號處理電路如圖 2 所示。主要負責提取、放大、數字化能反應塔桿附近飛鳥活動情況的多普勒信號，再提交給單片機處理。圖中，R為微波移動傳感器的額定負載。C2、C5實現了電路各部分的直流隔離，抑制低頻波動，C1濾除微波移動傳感器高頻雜波，從而提取出能反應塔桿附近飛鳥活動情況的多普勒信號 。

圖2 多普勒信號處理電路

由 LM324A及相關元件組成第1級放大電路，其增益A≈R5/R4=1 000；第2級放大器由LM324B及相關電路組成，增益B≈R9/R6=62；兩級放大增益C=A×B=62 000，約48 dB。由LM324C及R12，R11組成的電壓比較器，把前級放大的信號變換成數字脈沖信號，調整R11可改變探測距離大小 。

1.2 控制模塊

智能超聲驅鳥裝置的控制模塊由單片機 PIC16C54和基本的外圍電路組成，主要負責白天/夜間模式選擇，接收雷達信號，驅動執行模塊工作驅趕飛鳥等。根據白天晚上驅鳥目的的不同，系統設置了兩種工作模式。圖3為系統工作流程。

圖3 系統工作流程圖

白天主要防止鳥類碰撞輸電線路及在絕緣子上端停留排泄糞便污染絕緣子等。系統采用主動探測模式工作。微波多普勒雷達主動探測靠近塔桿的飛鳥等活動小目標，單片機在收到活動信號后，產生變頻超聲波信號。該信號經放大換能電路處理后向塔桿四周播放，驅趕飛鳥。晚上主要是阻止鳥類在塔桿棲息，由于夜間鳥類在塔桿上基本不活動，此時雷達探測關閉，系統切入定時工作狀態，以降低功耗。每隔一段時間，單片機驅動超聲波換能電路向塔桿四周播放高分貝超聲波，驅動強閃光模塊閃爍刺眼白光， 打斷鳥類休息，直至鳥類無法忍受，離開塔桿。

1.3 執行模塊

智能超聲驅鳥裝置的執行模塊中超聲波放大電路采用由TIP127和TIP122組成的推挽式功率放大電路，配合專用的超聲波換能器，可將單片機發出的具有超聲波頻率的信號，轉換成120 dB以上的超聲波播放出來，刺激鳥類神經系統，使其生理紊亂而逃離。強閃光模塊由大功率白光LED(3 W)和驅動電路組成。采用大功率場效應管BUZ91A驅動，可通過單片機的高低電平直接控制LED的亮滅，亮度大于300 lm，產生的強光可照亮塔桿附近，惡化鳥類棲息環境，防止鳥類在桿塔上棲息和筑巢。

1.4 電源模塊

智能超聲驅鳥裝置采用太陽能供電。太陽能供電系統由太陽能電池板、控制電路和蓄電池組成。太陽能電池板是供電系統的核心部分，其作用是將太陽輻射能轉換為電能，推動電路工作或送往蓄電池中存儲起來；控制電路的作用是控制整個供電系統的工作狀態，包括太陽能電池板輸出電壓與蓄電池充電電壓(電路工作電壓)之間的轉換，對蓄電池的過充電和過放電保護等；蓄電池采用免維護鉛酸電池作為太陽能電池板的補充，在光照充足時將多余的電量存儲起來，在陰雨天等需要的時候再釋放出來，保證驅鳥裝置系統能持續且穩定地工作 。

2 智能超聲波驅鳥裝置的實際運用

2012年10月，某電業局發生一起典型鳥害引發輸電線路跳閘的案例。220 kV某線跳閘，雙縱聯保護動作，重合成功，選相C相。線路專業技術人員分析了本次跳閘事件，經過對雷電活動、外力破壞、線路通道以及登塔巡查情況的分析，發現本次跳閘是一起鳥害事故，現場如圖4所示。

圖4 鳥害導致事故的現場圖片

經建議該局在該線路桿塔上安裝了所研制的智能超聲驅鳥裝置，裝置如圖5所示。智能超聲驅鳥裝置現場安裝如圖6所示。經過近1年的運行時間，該線路在未發生因鳥害引起的跳閘事故。

圖5 智能超聲驅鳥裝置

圖6 智能超聲驅鳥裝置現場安裝照片

3 結 語

成功研制了一種基于微波多普勒雷達的智能超聲波驅鳥裝置。通過改進傳統驅鳥裝置的探測和驅鳥方式，使得該系統具有驅鳥效果持續時間長、成本低、可靠性高、免維護等優點，有較好的應用前景。在此基礎上，可根據需要為系統加裝無線遠傳控制模塊，使其具備提供系統開關、電池電壓檢測、驅鳥記錄查詢等遠程服務，方便系統的維護和測試 。

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