輸電線路虛擬智能隔離屏障的研究與應用

朱曉華

摘 要：文章著重探尋了輸電線路智能隔離技術。通過綜合運用信息、通信、控制、管理等領域的先進技術，確保輸電網網架堅強。大力推進輸電自動化建設，實現輸電網能量流、信息流、業務流的雙向運作與高度整合，構建具備集成、互動、自愈、兼容、優化等特征的智能輸電系統，實現輸電網網絡智能。

關鍵詞：智能電網；智能圖像；視頻分析

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0059-02

隨著我國經濟社會持續健康發展和人民生活水平不斷提高，對加強電網建設、電網安全穩定運行、電能質量和優質服務水平提出了更高要求。由于輸電線路分布范圍廣，常常穿越城市和鄉村，且隨著經濟的快速發展，城鄉基礎建設越來越頻繁，其運行常受到人們生產和建筑單位施工的干擾。這些外力破壞具有經常性、隱蔽性和突發性的特點，使供電部門的日常巡視難以達到理想的管理效果。

目前，電力系統中防外破的防范上主要是以人為主，但是由于人的不可控，所以不能很好的危險源點管控。為此，基于圖像分析技術平臺，利用圖像處理、模式識別、無線通訊傳輸等先進技術，實現在輸電線路四周形成虛擬智能隔離屏障，將被動監控轉化為主動防范，將危險扼殺在萌芽狀態，提高輸電管理水平，成為今后的發展方向。

1 現狀分析

根據國家電網加強智能電網總體發展目標，力爭要將輸電網打造成清潔、高效的智能輸電網系統。通過技術創新與管理創新，綜合運用信息、通信、控制、管理等領域的先進技術成果，持續實施加強輸電網架的建設，確保輸電網網架堅強；大力推進輸電自動化全面建設，實現輸電網能量流、信息流、業務流的雙向運作與高度整合，構建具備集成、互動、自愈、兼容、優化等特征的智能輸電系統，實現輸電網網絡智能。經過查閱大量的資料，咨詢公司相關專家，對現有保護輸電線路安全穩定運行的措施做了詳細統計，將現有的方式分為四大類，并列舉其相關問題。

1.1 GPRS定位技術及其問題

利用GPRS定位技術供電公司巡查人員每月巡查，以此監督每個巡查人員必須將每個危險源點線路都檢查過去。

存在的問題：出現監督真空，可能存在巡查人員檢查的時候高壓線下是正常的，沒有危險物，巡查過后出現對高壓線有威脅的大型器械，而且在國網公司“五大體系”建設中，人員結構性緊缺，這樣巡查額外給運維人員增加工作量。

1.2 人海戰術及其存在的問題

發動人民群眾，利用人海戰術。每當有群眾發現高壓線下有危險物體存在，拍攝照片，并立刻電話通知供電公司相關人員。

存在的問題：在夜間高壓線下出現危險問題的時候，很難有人去通知供電公司相關人員，還有人煙稀少的地方，也同樣會出現此類問題。

1.3 人為防護和干預及其問題

在輸電線路危險源點駐扎相關人員，進行人為防護和干預。

存在的問題：由于人的不可控因素較多，會出現看護真空，更不能準確地把握安全距離，當塔吊、水泥泵車等大型器械對輸電線路有安全威脅行為發生前不能準確及時預警。

1.4 視頻監控及其問題

在輸電線路危險源點相關高壓塔上安裝普通視頻監控，施現場查看現場視頻。

存在的問題：主要是由運維人員為主導，對施工現場監控進行實時監視，經過大量數據研究，運維人員緊盯屏幕在8 min左右就會覺得異常疲勞；并且不管現場危險源點作業是否存在隱患或是否工作時，都要求將攝像機采集的視頻信號流傳輸到監視中心；這種傳輸方式不僅要消耗大量的通信帶寬，而且會造成巨額的通信費用，更重要的是并不能起到實際有效的監視效果。

為了解決以上四個問題，輸電線路虛擬智能隔離屏障的研究與應用提上了議事日程，本研究不僅可以完全覆蓋原有功能，更對輸電線路有安全隱患的物體進行自動識別并主動報警，在降低人力物力成本的同時將危險源轉變為安全源，將一切危險源消滅在萌芽狀態，將防范的被動性轉變為主動性。

2 實踐依據

智能圖像分析技術就是使用計算機圖像視覺分析技術，通過將場景中背景和目標分離進而分析并追蹤在攝像機場景內出現的目標。

用戶可以根據視頻內容分析功能，通過在不同攝像機的場景中預設不同的報警規則，一旦目標在場景中出現了違反預定義規則的行為，系統會自動發出報警，監控工作站自動彈出報警信息并發出警示音，用戶可以通過點擊報警信息，實現報警的場景重組并采取相關措施。

本技術主要功能是在監控畫面中找出物件，并檢測物件的運動特征屬性，例如：物件相對的像素點位置，物件的移動方向及相對像素點移動速度，物件本身在畫面中的形狀及其改變。采用上述原理，根據實際危險源點管控需求，按照系統結構分為幾個子模塊：算法分析模塊、智能圖像分析系統平臺模塊（包括數據存儲及查詢、檢索和報警視頻點播、智能分析規則設置和任務調度、報警聯動模塊等子模塊）。

經過對輸電線路危險源點的實地考察，對要實現的功能，達到的最終目的研究，本研究采用圖像分析類中的周界入侵檢測、物件移動方向檢測和物件運動、停止狀態改變檢測功能模塊，將危險源點危險物提前識別，并主動報警。

同時該系統平臺將采用“即插即用（plug in）”的設計原則，模塊接口采用xml方式，服務器、客戶端之間的交互將采用xml-rpc架構，這些都保證了平臺各個子模塊間的松耦合，模塊間的接口界面強擴展性。而文件傳輸和流媒體點播都采用了標準的ftp協議和rtp/ rtmp協議，確保系統的穩定性。

3 項目研究關鍵點和實施內容

3.1 項目研究的關鍵點

①智能圖像識別。需要通過圖像處理、模式識別和計算機視覺技術，對監控場景中的異常行為進行預警和報警。該系統能對監控畫面的背景進行自動學習，有效避免天氣和環境帶來的影響。可以根據遠程監控圖像進行實時的智能分析，通過在不同的場景中預設不同的報警規則，一旦目標在場景中出現并違反預定的規則，系統就會自動發出報警，第一時間發現可疑情況，精確定位事發機位和地點，聯動報警設備進行主動報警。

②全天候圖像識別。需要達到白天能識別出移動物體，對移動物體進行分類，將即將接近輸電線路安全距離的大型危險物體主動報警。夜間通過特制攝像頭和夜間補光儀器，采用亮點檢測算法，自動識別出即將接近輸電線安全距離的大型危險物體，并對其進行主動報警。白天和夜間的兩種算法適應不同地區、不同季節、不同氣候自動切換白天和夜間的算法，做到無需人為參與，7x24 h全系統自動調節。

3.2 實施內容

①及時有效查看危險源點現場情況。通過對危險源點實地考察，選定附近高壓塔，在其上安裝攝像頭，通過云臺控制，可以全方位查看危險源點現場情況。當運維人員需要查看現場情況時，通過指定服務器（該服務器和內網沒有任何連接，僅僅作為接收危險源點遠程現場圖像），利用3G無線網絡，可以遠程查看到危險源點現場情況。

②自動識別輸電路線路存在的安全隱患。白天天氣晴好的條件下，通過前端攝像機采集的危險源點現場圖像，將輸電線路安全距離設置好，利用智能圖像識別算法中的入侵檢測算法，自動識別輸電線路存在的安全隱患。

在夜間，危險源點現場亮度不夠，而且攝像機是架設在高壓塔上，采集過來的現場圖像畫面基本是空曠的天空（由于比較黑暗，輸電線在攝像機圖像中基本看不清），由于天空沒有反射面，所以無法在攝像機鏡頭前成像，從而攝像機采集的現場圖像基本是漆黑的一片。該項目通過在前端攝像機鏡頭前安裝紅外濾鏡，將所有可見光都過濾掉，并在其攝像頭旁邊架設特制夜間激光補光儀，安裝過紅外濾鏡的攝像機可以識別特制夜間補光儀波段的光，當有大型危險物體進入安全距離時，會在該攝像機畫面中產生特定的亮點，同時采用亮點檢測算法自動識別出進入輸電線安全距離的危險物體。

③實現識別安全隱患后的現場無線通信聲光報警。考慮到輸電線路危險源點現場存在的電磁干擾、浪涌等情況，并且需要實時性、可控性，不能滯后，所以該項目采用zigbee模式（2.4 GHz），通過主機發送指定信號給從機（該從機為現場報警裝置），實現現場無線通信，從而達到現場聲光報警。

④手持設備調看現場安全隱患的視頻剪輯和圖像。由于3G通信費用比較高，直接將現場報警視頻剪輯和圖像通過3G傳輸給運維人員手持設備將會產生大量的流量費，該項目首先將現場安全隱患的視頻剪輯和圖像壓縮處理，系統不會主動傳輸，只有當運維人員需要調看時，系統才會將處理過的視頻剪輯和圖像發送到運維人員手持設備上，從而節約流量。

4 實際應用

4.1 現場應用情況

南通供電公司于2014年將智能隔離裝置安裝于220 kV通2666線、220 kV秀沿2H15線，用以監控城建施工現場的危險源。通過這兩套智能隔離裝置，實現了施工現場的實時監控與預警預報，為做好現場管控、保障電網安全提供了有效手段。

4.2 監控中心客戶端配置界面

基于攝像機實時視頻畫面，利用鼠標拖線等簡單操作進行智能分析參數配置，方便快捷且保障設定參數的準確性，進一步提高分析的精確度。監控中心客戶端展示界面，如圖1所示；監控中心客戶端配置界面，如圖2所示。

圖1 監控中心客戶端展示界面 圖2 監控中心客戶端配置界面

4.3 遠程及時報警展示

基于智能侵入識別系統，一旦監控發現威脅，后臺進行入侵報警，現場聲光電同時感應動作。侵入識別系統報警記錄，如圖3所示；侵入識別系統報警，如圖4所示。

圖3 侵入識別系統報警記錄 圖4 侵入識別系統報警

5 結 語

①任意設置輸電線路安全距離，如220 kV（下轉62頁）（上接60頁）線路的實際安全距離是6 m，該項目可以將該報警區域擴大到7 m，在大型器械，比如塔吊、水泥泵車、大型汽車吊車等危險物進入該報警區域，但是還沒有完全達到6 m實際安全距離前，自動識別，并主動報警。

②將被動處理輸電線路危險源點的現狀轉變為主動防范。本論文倡導的是防范為主，在危險源點線路將要達到安全距離前，并且有異常物體入侵的時候，現場及時給出聲光報警，同時并將該時刻圖片發送到運維人員手持設備上。

③解決惡劣天氣和夜間輸電線路的安全防護。傳統防范輸電線路安全的手段，很難在惡劣環境和夜間起到實際的防護作用，該項目通過亮點檢測等算法實現惡劣天氣和夜間的主動防護。

④算法模型的自學習技術。能在7X24環境下，不受天氣、陽光等外界自然界變化而影響。

⑤實現“由外向內、由遠到近”自動形成輸電線路多層保護層（隔離層、警告層、報警層）。當危險物體進入隔離層時，現場給予“您已入侵保電區域，請離開”聲光報警信號，同時向線路運維人員發送信息。當危險物體進入警告層時，現場給予“您已入侵保電區域，有觸電危險，請立即離開”聲光報警信號，同時向線路運維人員、業主方發送信息。當危險物體進入報警層時，現場給予“您已入侵保電區域最后警戒線，有觸電危險，請立即離開聲光報警信號”，現場并拉響現場警報，同時向線路運維人員、業主方、施工駕駛員發送警報信息。

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