輸電線路防外力破壞激光預警系統的研制

楊力++朱海波++黃靜

摘 要 本文針對目前輸電線路受外力破壞日益嚴重的現狀，研制出一套輸電線路防外力破壞激光預警系統。該系統采用了激光智能檢測技術和無線視頻監控技術，實現了電網后臺監測維護中心對輸電線路的實時監測。本文詳細介紹了該系統的核心組成部分和激光預警的工作原理以及該系統的創新功能和特點。

【關鍵詞】激光智能檢測技術 無線視頻監控技術 防外力破壞 電場強度變化 紫外脈沖法

1 緒論

電路系統輸電線路密集，運行環境復雜，外力破壞造成輸電線路跳閘的案列逐年增加，對電網安全穩定運行造成了嚴重威脅。目前常見的電力設施外力破壞主要有違章施工、違章建筑物、高桿植物、山火及鳥害等形式。分析總結各種外力破壞的成因及現狀，提出研發一套輸電線路防外力破壞的預警系統尤為重要。為了提高電力行業高壓輸電線路的現代化管理水平，及時預警、發現外力破壞隱患并消除，降低輸電線路故障跳閘率，方便輸電線路全天候實時在線監測，保障輸電線路安全穩定運行，需要研制出適用于電力系統輸電線路防外力破壞的預警系統。

目前現狀分析：

（1）隨著城市建設的日益加速，輸電線路附近的施工現場越來越多，在輸電線路走廊下方進行施工以及塔吊、泵車等超高設備超越架空線路時，極其容易引起導線切斷、車毀人亡的重大安全事故，嚴重影響輸電線路的安全穩定運行。

（2）輸電線路長期暴露在野外，存在著分布區域廣、傳輸距離遠、地形條件復雜多變、受環境影響大等特點，給防外力破壞工作帶來極大的難度。

（3）輸電線路反外力破壞工作是一項長期的、艱苦的、復雜的工作。在當前線路走廊附近施工項目越來越多的情況下，人工現場監護施工行為的方式效率低下，特別是巡視人員的巡線工作量巨大，傳統的無線視頻監控裝置對施工現場缺乏智能預警的功能。

隨著“智能電網”戰略的實施，各級領導對電網建設的安全、效率和可靠性提出了更高的要求，大力提倡科技興安。為了實現對高壓輸電線路全天候，實時監控，滿足當前高壓輸電線路、塔基安全監控實際需求，將高壓輸電線路、塔基的安全防護系統建設成為“安全防范無漏洞、安全管理現代化、安全信息智能化”的綜合型、高科技的安全防護系統，經各方領導、專家構思論證，本文提出并研制開發了輸電線路防外力破壞激光預警系統。通過在電力系統高壓輸電線路安全運行過程中加入本監測預警系統，可以實現：

（1）利用激光檢測和無線視頻傳輸裝置對輸電線路外部施工頻繁的區域進行全天候待警，實時監測，及時預警外力破壞隱患，有效杜絕電力事故的發生。

（2）后臺監測維護中心的運行管理人員可以及時、實時地了解現場信息，將事故消滅在萌芽狀態，從而大大減少了巡視人員的巡線工作量，防止超高吊車、大型施工機械的闖入、鐵塔碰撞以及其他外物入侵對鐵塔和線路造成的破壞。

（3）一旦外物超越安全距離，該預警裝置就會自動通過現場高音喇叭報警提示、遠程喊話，以阻止物體對高壓線的破壞，并通過實時抓拍圖片，實時上傳視頻，第一時間將報警信息和視頻資料傳送到電網后臺統一監控中心，監控端可以通過視頻畫面、數據分析以及報警提示等信息準確的判斷出輸電線路當前的安全狀況，及時組織人員采取相應的應急措施。

（4）可以為事故分析、責任認定提供重要的原始資料，通過對存儲圖片、視頻資料的進行回放，為事故原因分析提供客觀的證據。

（5）獨立網絡服務器在線監測，多級權限設置，統一管理，保密性強，對高壓輸電線路的現代化管理提供了有力保障。

本文首先介紹了所研制的輸電線路防外力破壞激光預警系統的結構和總體設計，其次介紹了該系統各組成部分的設計原理和具體實現，重點介紹了系統中應用的智能激光檢測技術的工作原理，最后介紹了該系統可以實現的功能、特點及應用場合。

2 系統結構及總體設計

本文提出的輸電線路防外力破壞激光預警系統的整體結構如圖1所示。

該系統主要由3G無線視頻服務器、GSM報警主機、激光探測器、聲光報警器，紅外高速云臺攝像機、CPU數據處理器和監控中心管理平臺組成。現場信息采集主要紅外高速云臺攝像機來完成，3G 無線視頻服務器完成現場圖片、視頻資料的上傳工作，激光探測器檢測由于外物入侵而引起的電場強度的變化值，還原為強度信號來確定外物體與高壓線的位置距離，按照預先設定的幾級安全距離參數值進行預報警。

該預警裝置和其他輔助設備在鐵塔固定好后，激光探頭的激光射線基本水平對準兩塔之間輸電線弧下垂位置。管理人員或監控室通過手機或計算機向激光報警裝置控制主機發布指令后系統進入工作狀態，一旦發現物體超過警戒距離和警戒高度觸發警報（用戶可根據現場實際情況進行自行設備初始值和其他檔位），現場高音喇叭發愁聲響警報語音提示，主機同時將報警信息（塔名、位置、報警距離）通過GSM無線網絡發送給相關管理工作人員，管理人員可直接進行遠程喊話提示，或與電力110實現聯網處理。自動觸發圖像、視頻采集，通過3G、4G無線網絡向監控中心在線實時傳輸現場圖片、視頻。系統同時設定物體超過初始警戒線值后進一步靠近高壓線是的多檔位報警值便于管理人員評估外來物體高危動作風險，采取緊急操作措施。

監控中心管理平臺可實現現場音視頻的遠方監控，對現場圖像資料進行收集整理，留待今后研究分析。本系統的無線視頻服務器和GSM報警主機可以通過中國電信CDMA 2000、中國移動TD-SCDMA或中國聯通WCDMA任意一家無線通信網絡，實現向監控中心管理平臺的現場圖像、數據上傳。

本系統總體設計遵循的原則如下：

（1）防外力破預警系統各單元功能部件要優化組合，結構合理、安全可靠、抗干擾性能好、符合戶外安裝要求，能夠解決安裝環境通用工序的復雜性、安全性等實際問題。

（2）系統電源部分的供電要智能化，增加電池的續航能力，以便保障系統的正常運行。

（3）準確判定高壓電場環境的外來物進入狀況，及時通過無線網絡上傳信息數據到后臺管理中心服務器，并可以保留存儲。

（4）便于安裝，適應性好，操作簡便，能夠適用于多種電壓等級線路、桿塔環境、應用環境的監測環境。

3 系統主要設備的設計和選型

3.1 現場信息采集部分

該部分的核心設備是紅外高速云臺攝像機和無線視頻服務器。通過控制球機的云臺來調整裝置監測的方位，將輸電線路的現場環境實時轉化為圖像、視頻信號。

本系統選用了無線網絡攝像系統，它具有使用方便、無需布線、安裝簡單、圖像質量清晰、穩定可靠和使用靈活等特點，完全滿足視頻信號實時清晰傳送的要求。其核心技術是基于MPEG-4的數字視頻編碼標準，帶寬占用較低，并可實現圖像的優質傳輸和存儲，而且傳輸距離較遠，可以滿足實時傳輸的要求。另外還支持多種錄像模式，包括定時錄像、手動錄像、移動偵測錄像、報警錄像以及它們的組合，目前支持的組合是移動偵測錄像和報警錄像。3G無線視頻攝像機通過3G信號將遠程監控端視頻傳輸到服務器，用戶通過客戶端在線瀏覽遠程實時視頻，無需任何鋪線成本，方便快捷。

3.2 激光探測技術及設備選型

激光探測器是采用紫外脈沖法的高壓輸電系統放電非接觸式檢測方法，該方法能實現對高壓電場環境放電的遠距離精確定位的定量檢測，可準確判定高壓電場環境的外來物進入狀況，分析高壓電場環境中外來進入物對地放電的基本特征.以及還原成強度信號（外來物距離導線的遠近），高壓電暈放電外來進入物對地放電的光譜特征，采用一定頻率的波段紫外雙光譜的方法來實現放電檢測與定位。

利用激光傳輸檢測高壓線周圍電場的變化。【進入的物理介質如汽車吊車；環境，濕度，回路，能引起對周圍空氣進行微小放電，這樣就可以把激光束所含的調制信號與原有的變化信號的強度信息比對分揀出來，還原為強度信號】通過接收諧頻，選頻，穩頻，把所需的變化信號比對分揀出來，還原為強度信號來確定外物體與高壓線的位置距離，按照預先設定的幾級安全距離參數值進行預報警，超越基本警戒值或其它預設值時自動通過現場高聲響喇叭警報提示、遠程報警、遠程警示喊話，直接在現場阻止超高物體對高壓線的破壞，或由調度監控中心進行后臺操作處置；根據相對位置距離計算分析，對高壓線下的入侵物進行長期監控，實現超高報警；根據傳感器探測實現鐵塔傾斜報警、撞擊報警，每天自動檢測周圍環境便進行預警提示。簡單原理示意圖如圖2。

由于它利用的是脈沖激光束，為了提高精度，要求激光脈沖寬度窄，光接收器響應速度快。所以，遠距離測量常用輸出功率較大的固體激光器與二氧化碳激光器作為激光源；近距離測量則用砷化鎵半導體激光器作為激光源。

3.3 GSM報警主機單元

GSM報警主機是一個具有PLC和RTU功能短信遠程測控終端。它使用GSM短信（控制器需插入手機SIM卡）作為通訊手段，采用工業級設計標準，可以作為報警主機單獨使用，根據本機自帶的開關量和模擬量輸入產生報警，并可實現聯動輸出。模塊可以設置報警延遲，短信報警次數，支持不同短信發給不同用戶或用戶組。

激光探測主機在預警到異常信號后，通過 DSP處理器進行高速識別運算，精確探測危險距離點并聯動GSM無線模塊將報警信息（包括塔名、位置、危險距離值）通過 GSM 無線網絡發送給相關管理人員，管理人員可以直接進行遠程喊話提示或與電力 110 實現聯網處置。對與視頻監控聯動的自動觸發的圖像、視頻采集，可通過3G/GPRS/WCDMA 無線網絡向監控中心在線傳輸現場實時圖像、視頻數據。系統同時設定物體超過初始警戒值后進一步靠近高壓線時的多檔報警值，便于管理人員評估風險，采取緊急措施。

3.4 后臺監控管理系統

運行管理人員可以通過主站服務器或者遠程登錄，查看線路監控圖像，從而實現對輸電線路全天候監控。可以隨時通過智能手機、便攜式終端和客戶端網絡實時查看現場，遠程遙控攝像機云臺，通過下發指令來實現前端裝置的相應操作。多路防護區間能夠同時一屏多顯，進行統一管理。

4 系統功能及特點

本系統可實現對輸電線路全天候實時監控，具有如下功能與特點：

（1）利用先進的探測技術，檢測高壓線電場強度的變化，實現立體防御保護，更有效地防止外來物體的入侵，探測距離遠，精度高，抗電磁干擾性好。

（2）操作簡便，可通過手機、PC端等多方式綜合管理。只需用手機或計算機發送“布防”、“撤防”或“查詢”等指令，即可控制設備。

（3）具有視頻錄像功能，支持內置SD卡（支持大容量SD卡）實現長時間錄像。采用MP4視頻存儲格式，可以實現遠程錄像回放。

（4）報警聯動視頻開啟，視頻自動上傳至后臺服務器，支持隨時瀏覽和下載。報警方式多樣（支持現場聲光報警、現場語言提示、遠程喊話警示、電力110聯網報警），報警信息可以直接顯示線路名稱、塔桿號、距離導線弧垂高度，按照預警等級分級報警，并且可以遠程修改報警參數、遠程開關機。

（5）產品優化了電路設計，并采用先進的微耗檢測芯片，整機設備功耗較低，大大延長了設備使用壽命。激光發射連續工作壽命為10萬小時，足以保證設備的有效使用周期，適應性好，運行時間長，同時還適用于-40℃至75℃的極端氣溫環境。

本系統能應用于輸電線路的在線監測，系統具有適應多線路不同電壓等級的電力走廊應用，線路區域附近外破信息及時捕獲。不但能減少了人工巡檢的頻率和次數，實現了線路的運維智能化遠程管理。而且填補了線路運維外破防治的電子信息化原始檔案資料的空白。

5 結論

該研發的防外破預警系統可使用輸電線路外破預測環境，可適應于各種電壓等級，檢測響應速度敏捷，檢測結果準確率高。該設備采用集成設計，便于移動、搬運，便于高空安裝、挪遷方便。提高線路防外破的自動化水平，降低人員防護外破的勞動強度，提高工作效率和人身安全性，減少現場檢查的工作成本。

本項目的研究能對輸電線路外破的防治措施、外破風險評估，最終形成應急預案及體系。針對輸電線路受到外破威脅時，采取人工及時救助、轉移負荷、停運即將受影響的線路等改變運行方式的方案。能對輸電線路外破精準探測和人工布防，形成優缺點互補。通過本項目研究完成了輸電線路附近區域外破捕獲并及時預警，提高線路的安全性和可靠性，提高輸電能力。

本系統的推廣應用可進一步提高電力系統輸電線路運行的安全與穩定性，具有重要的社會效益和推廣應用價值。

參考文獻

[1]杜新光.電力安全生產管理中存在的問題及其解決措施[J].中國電力教育CEPE，2009（06）：249-250.

[2]尹娟，王立新.高壓線路防外力破壞激光檢測預警系統[J].農村電氣化，2013.

[3]J.A Stratton 電磁場理論基礎[M].北京航空出版社，1986（08）：58-64.

[4]宋超，駱志剛.一種輸電線路防外破視頻監控系統設計與實現[J].科技傳播，2013.

[5]張健.電力線路無線遠程監控系統的研究[J].湖南電力，2006（26）：24-28.

[6]李洪兵，王燦，陳世勇.輸電線路防外力破壞預警系統的設計與實現[J].測控技術，2015.

[7]羅濱，王文彬. 3G技術在電力視頻監控中的應用[J].電力信息化，2010（03）：85-87.

[8]趙貴中，王克英.電力系統遠程無線視頻監控系統設計[J].工礦自動化，2007（04）：56-58.

[9]李濤.基于MPEG_4的嵌入式網絡視頻監控系統研究[D].武漢理工大學，2007（05）.

[10]何為，陳濤，劉曉明.基于紫外脈沖法的非接觸式檢測[J].電力系統自動化，2006，30（10）：69，74.

[11]輸電線路防外力破壞綜合監測與預警系統的研究董光哲[J].華北電力大學，2013.

[12]余藝翀，葉富彬.高壓輸電線視頻智能處理防外力破壞方法楊帆[J].四川電力技術，2015.

作者簡介

楊力（1984-），男，湖北省武漢市人。湖北經濟學院本科工商管理專業。現就職業于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

朱海波（1985-），男，湖北省武漢市人。湖北工業大本科電氣自動化專業。現就職于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

黃靜（1983-），男，湖北省武漢市人。現就職于湖北省送變電工程公司。研究方向為輸電線路安全運維管理。

作者單位

湖北省送變電工程公司 湖北省武漢市 430063