基于紅外探測器的輸電線路山火監測方案

張　臻，張　琛

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2.武警上海消防總隊，上海，200051）

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基于紅外探測器的輸電線路山火監測方案

張臻1，張琛2

（1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京，211102；2.武警上海消防總隊，上海，200051）

摘要：越來越多的特高壓輸電線路經過山林地區，為減少山火對特高壓輸電安全穩定運行的影響，提出了一種基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監測方案。利用紅外探測器檢測出山火信號，基于數字信號處理器（DSP）的下位機山火監測系統實現一定區域內的山火信號采集，后臺預警程序實現山火位置的顯示。對模擬山火進行了測試，裝置能對小范圍內山火進行監測，并能夠判斷模擬山火的位置，是一種可行的特高壓輸電線路山火監測方案。

關鍵詞：紅外探測器；特高壓輸電線路；山火監測；遠程測控終端

我國的能源資源和負荷分布決定了發電中心遠離負荷中心，需要采用特高壓遠距離輸電。與超高壓輸電線路相比，特高壓輸電線路走廊更寬。由于輸電線路走廊受限，越來越多的輸電線路經過山林區域。發生山林火災，山火蔓延至輸電線路下方時，造成空氣熱游離、局部空氣密度下降、空氣電導率增大、電場畸變，從而可能導致線路相地或相間擊穿而引發跳閘事故。紅外測溫診斷技術可以及時發現電力設備缺陷，避免故障擴大事故［ 1 ］，文中提出了一種基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監測方案，通過對掃描區域內紅外光譜的分析，實現了對小范圍內輸電線路山火的監測和預警。該方案與衛星遙感探火技術相比，不受云層、大氣影響，測量精度更高，裝置成本更低。

1　系統原理

地面物體由于具有不同的溫度，而向外輻射不同波長的電磁波。物體溫度T和輻射波長的關系遵循維恩位移定律［ 2，3 ］：

T為熱力學溫度，λ為輻射波長。由式（1）可見，物體溫度越高，輻射波長越小，文中設計的山火監測系統采用碲鎘汞紅外探測器［ 4 ］檢測波長3～5 μm的中紅外光實現山火預警。碲鎘汞紅外探測器對3～5 μm波長的光線響應最強［ 5 ］，可見光中的近紅外光也會產生響應，但可以通過濾鏡濾除。

該山火監測系統由風光互補電源對12 V蓄電池充電，蓄電池為整個裝置提供電源。裝置掃描半徑5 km的區域，通過紅外探測器，將光物理量轉換成電壓量，通過信號調理電路調理后，由控制芯片模數轉換模塊（Analog-to-Digital Converter， ADC）對電壓模擬量進行采集，將采集到的數據通過串口傳給無線遠程測控終端 （Remote Terminal Unit， RTU），RTU通過無線通信將數據傳給上位機，在后臺客戶端生成一幅黑白的電子信息地圖。山火探測系統每5 min對監測范圍內進行一次掃描，如果探測到山火，控制芯片將起火點的位置數據傳輸給后臺客戶端，并在客戶端的電子地圖上顯示起火點的位置，并發出報警信息通知值班人員［ 6 ］。

2　下位機控制部分設計

2.1系統結構

下位機控制系統選用低成本浮點TMS320F28062芯片，時鐘頻率為90 MHz，具有很高的性價比和出色的數字信號處理器（Digital Signal Processor， DSP）控制功能。芯片采用單電源供電，使得印刷電路板（Printed Circuit Board， PCB）的設計更加簡單方便。

紅外探測器將光物理量轉換為電壓量，通過信號調理電路后由DSP芯片的ADC模塊進行采樣，完成數據采集的過程［ 7 ］。控制系統在掃描狀態時將監測范圍內的物體溫度數據轉換為8位的灰度值后，將灰度值數據傳輸到后臺程序繪制電子地圖。當監測到火災點時，控制系統開始進入預警狀態，將出現山火的坐標發送給后臺程序。

DSP IO引腳通過電平轉換芯片將電壓轉換為5 V后，通過雙H橋電機驅動芯片L298N驅動直流電機［ 8 ］。DSP控制濾鏡電機在預警狀態下濾除可見光中近紅外光的干擾，控制步進電機和轉鏡電機采集X軸和Y軸上的物體溫度數據。雨刷電機用于定期為鏡面清灰。光電開關通過高低電平的變化將電機的位置信息反饋給DSP芯片。DSP控制芯片通過485通信將灰度值數據、火災點坐標傳輸給RTU，同時接收RTU發送的控制命令。RTU通過無線和上位機連接，從而和后臺程序進行通信。

2.2濾鏡電機的控制

如圖1所示，濾鏡電機的轉子帶動固定在轉子上的支桿轉動，默認位置為掃描狀態，濾鏡轉至光電開關3的位置。當監測到火災點時，進入預警狀態，將濾鏡沿路徑1轉至中間位置，通過濾鏡濾除可見光線中近紅外光的干擾，使得預警時只識別火焰中波長為3～5 μm的光信號。此時光電開關4被擋住，由DSP的IO引腳檢測到電平變化后，控制濾鏡電機停止轉動。當預警狀態結束后，濾鏡電機反方向沿路徑2回到掃描狀態的位置。

圖1　濾鏡電機帶動濾鏡轉動示意圖

2.3步進電機的控制

DSP通過控制步進電機轉動采集X坐標軸方向的物體溫度數據，步進電機選用兩相四線減速步進電機，工作在八拍工作方式［ 9 ］，驅動波形如圖2所示。

圖2　步進電機八拍工作方式驅動波形

步進電機步距角θ為1.8°，內置減速機構減速比M為 19.2 ： 1，外接減速齒輪減速比 N為 100 ： 27= 3.703 7。步進電機轉動一個步距角θ，對應主軸轉動角度θ主軸為：

經計算，主軸轉動角度為0.025°。所以，主軸旋轉180°，對應步進電機旋轉步數為180/0.025 =7200步。步進電機每旋轉2步，進行一次光信號的采集。掃描狀態下，在X坐標軸方向上，采集7200/2 =3600個點的灰度值。

2.4轉鏡電機的控制

轉鏡連接的無刷直流電機以恒定的轉速旋轉，如圖3所示，轉鏡旋轉一周中，采集光信號的有效區域對應角度為90°，無效區域對應角度為270°。轉鏡的位置信號通過光柵采集到DSP中，光電開關1用于判斷轉鏡電機的零位點，光電開關2和碼盤、光柵用于判斷轉鏡電機的位置。所選光柵為100線，光柵每轉過1線，即轉鏡轉過3.6°，光電開關產生一個脈沖輸出。當轉鏡轉到θ時，進入有效區域，在θ： θ+45°和θ+ 135°： θ+180°角度范圍內，進行Y坐標軸方向的溫度數據采集。

圖3　轉鏡電機測量有效區域

在轉鏡電機無效角度范圍內，步進電機需要完成步進2步，所以步進電機驅動脈沖時間和轉鏡電機轉動周期T2之間需要滿足關系：

在有效區域內，設計DSP對光信號進行采樣3200個像素點，完成Y坐標軸方向上灰度值的采集。

3　后臺處理程序設計

如圖4所示，控制板和RTU采用458通信，RTU和上位機采用通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service， GPRS）無線通信。GPRS通信速度快、通信費用低、組網靈活［ 10 ］，通過GPRS無線網絡使得監測中心可以對監測范圍內山火情況進行集中監控，實現了無人值守。

圖4　下位機控制部分、RTU和后臺程序的通信方式

由于單個山火監測裝置監測范圍較小，實際使用可以采用分布式結構，根據每個山火監測裝置的探測范圍，將多個山火探測裝置探測到的數據通過上位機集中顯示。基于Visual C#的后臺程序通過調用RTU設備的GPRS動態鏈接庫函數實現對設備的識別、偵聽以及指令發送，通過多線程實現對多個設備的訪問，將接收到的灰度值數據繪制成灰度圖，繪制出掃描范圍內的電子信息地圖。發生火災時，由DSP將山火位置的X軸和Y軸位置信息發送給后臺程序，后臺程序在灰度圖對應位置顯示火災點，并發出報警信息通知值班人員。

4　實驗結果

山火監測系統樣機如圖5所示，電源板為控制板、電機、光電開關提供隔離電源，控制板實現了電機的控制、光電信號、模擬信號的采集以及數據的傳輸。步進電機帶動轉臺沿X軸方向旋轉，轉鏡電機帶動轉鏡采集Y軸方向的光信號。

圖5山火監測系統樣機

圖6為碲鎘汞紅外探測器對火焰和可見光的響應，通過濾鏡可以濾除對可見光的響應。轉鏡電機轉速為12.5 r/s，對應紅外探測器的響應波形周期為80 ms。圖中碲鎘汞紅外探測器對可見光響應的寬度為10 ms，即轉鏡電機掃描一側的有效區域對應角度為45°。

圖6　碲鎘汞紅外探測器響應波形

在1 km外采用實驗火焰對山火監測裝置進行了測試，上位機保存的灰度如圖7、圖8所示。圖7對應圖3中有效區域1，圖8對應圖3中有效區域2。上位機程序根據DSP采樣到光模擬量信號對應的灰度信號，能夠準確判斷出火災點。如圖8所示，DSP根據步進電機和轉鏡電機的轉角值對應火災點在平面區域內的坐標，在后臺程序中顯示模擬火災點的位置。

圖7　山火監測裝置監測有效區域1灰度

圖8　山火監測裝置監測有效區域2灰度

5　結束語

在提出基于紅外探測器的特高壓輸電線路山火監測方案的基礎上，對山火監測系統的各部分硬件進行了設計。通過模擬山火的試驗驗證了山火監測方案的正確性和可行性。該裝置精度較高、成本較低，能夠判斷出山火位置，可以在有微小火災的時候及時發現、處理，防止山火擴大，有助于減少因山火造成的跳閘事故，提高電網運行的穩定性，具有很大的發展空間和應用前景。

參考文獻：

［1］ 張 揚. 一例紅外測溫技術診斷220 kV隔離開關過熱缺陷［J］.江蘇電機工程，2012，31（5）：21-22，24.

［2］ 葉立平，陳錫陽，何子蘭，等. 山火預警技術在輸電線路的應用現狀［J］. 電力系統保護與控制，2014，42（6）：145-153.

［3］ 李廣凱，王慶紅，高松川. 山火條件下架空輸電線路閃絡及監測技術的研究現狀分析［J］. 電測與儀表，2014，51（20）：122-128.

［4］ 王成剛，孫 浩，李敬國，等. 雙色碲鎘汞紅外焦平面探測器發展現狀［J］. 激光與紅外，2009，39（4）：367-371.

［5］ 王 俊. 碲鎘汞紅外探測器光電響應特性的機理研究［D］. 合肥：中國科學技術大學，2012.

［6］ 田 濤，陳昊，徐晶冉，等. 變電站智能現場報警裝置的研究設計［J］. 電工電氣，2015（5）：29-32.

［7］ 田 濤，陳 昊，張建忠，等. 基于智能理論的高壓斷路器機械故障診斷［J］. 江蘇電機工程，2014，33（6）：12-15.

［8］ 程章格，谷若雨，王海波，等. TMS320F28027與L298N的懸掛運動控制系統設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2014（5）：49-51，55.

［9］ 陳志聰. 步進電機驅動控制技術及其應用設計研究［D］. 廈門：廈門大學，2008.

［10］ 成春旺. 監控系統中基于GPRS的無線數據傳輸系統的研究與實現［D］. 北京：北京郵電大學，2006.

張臻（1989），男，江蘇南京人，碩士，從事特高壓電網運維工作；

張琛（1989），男，江蘇南京人，碩士在讀，主要研究方向為嵌入式、云計算和人工智能。

Method to Forest Fire Monitoring Based on Infrared Detector

ZHANG Zhen1， ZHANG Chen2
（1. Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch ， Nanjing 211102， China；2. Shanghai Armed Police Corps， Shanghai 200051， China）

Abstract：More and more UHV transmission line pass through forests. A method of forest fire monitoring based on infrared detector is proposed to reduce the influence of forest fire to the stabilization of UHV transmission. The signal of forest fire is detected by infrared detector and sampled by DSP based equipment. The location of forest fire is displayed by a background program. A virtual forest fire is detected. It is proved that the equipment can monitor forest fire in a certain area and the method is practicable.

Key words：infrared detector； UHV transmission line； forest fire monitoring； remote terminal unit

中圖分類號：TM755

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0057-03

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-24；修回日期：2016-02-01