輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統的分析與設計

趙長春，趙雪松

（1.國網吉林省電力有限公司檢修公司，吉林 長春 130022；2.國網吉林省電力有限公司，吉林 長春 130022）

1 輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統設計的必要性

1.1 滿足我國電力發展需要，減少經濟損失

當前，輸電線路塌方監測主要依靠人工巡視，巡檢過程中浪費大量的人力和物力，且效果不佳。人員在發現基礎塌方后，不能實現對地質災害的連續性觀測，缺乏提前發現或監測塌方的技術手段。設計出一套健全的輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統，不僅能降低地質災害監測中對人員的依賴，節約人力、物力以及財力，還可以憑借先進的科技手段，監測人工無法觸及的領域，確保地質災害監測數據的時效性和準確性，既提高災后監測的效率，也有助于建立科學的監測預警機制，以滿足我國電力發展和抗災救災的需要，減少不必要的經濟損失。

1.2 現有地質災害監測預警技術存在較大缺陷

當前，國內的桿塔基礎塌方監測技術主要有視頻監控、桿塔傾斜、覆冰在線監測技術。然而，這幾種監測手段均有一定缺陷性，影響塌方監測效果。

1.2.1 視頻監測系統

電線路視頻在線監測技術被廣泛使用于多種環境，例如人口眾多且分布密集、交通事故頻發地帶和動物分布密集的林木區域。這些區域的線路監測僅依靠人工是無法完成的，唯有通過視頻在線監測技術，實時搜集和記錄輸電路周圍的環境變化數據，識別有害行為和影響因素，為防治對策的擬制提供依據。當前，我國在輸電線路采用的在線監測技術主要包括視頻采集和壓縮、數據傳輸等技術[1]。運用視頻監測系統，可對線路周圍的環境變化情況進行實時監測和記錄，有助于及時找出導致線路受阻的真實原因，降低安全事故發生幾率，減少經濟損失，保障線路的安全運行。然而，視頻監控很難判斷出前期細微的地質變化，僅通過視頻監控判斷桿塔基礎塌方的效果不是很好。

1.2.2 桿塔傾斜在線監測系統

桿塔是支撐輸電線路的基礎，其穩定性會對輸電線路的平穩運行產生重要影響。我國幅員遼闊，各地環境差異較大，如在西北地區，高壓電線桿塔受地質、地表以及外部自然環境的影響較為明顯，一旦高壓電線桿塔不穩，出現傾斜，必然會對輸電線路的安全運行造成不利影響。針對此問題，相關部門利用全球移動通信系統（GSM）實現對桿塔的實時監測，當出現桿塔傾斜或其他異常情況時，系統及時發出預警信號，引起運行負責人對線路運行狀況的關注，使其及時采取相應處理措施，減少因桿塔傾斜引發的事故，同時可以協助運行部門查找桿塔故障點，指導檢修和維護。美中不足的是，桿塔傾斜預警只針對桿塔傾斜，很難做到基礎塌方預警。

1.2.3 覆冰在線監測技術

覆冰在線監測技術是指在極端惡劣的天氣條件下，對輸電線路覆冰情況進行實時監測。應用覆冰在線監測技術，可有效降低斷線、冰閃、倒塔以及舞動等災害事故的發生概率。覆冰在線監測技術的工作原理是監測高壓電線的傾斜角度和弧垂，計算覆冰的厚度和重量，并判斷覆冰等級，確定是否需要發出除冰預警信號[2]。

綜上所述，當前建筑工程上雖然具備成熟的地質災害監測預警技術，但由于設備過于繁雜，并不能完全適用于輸電線路桿塔基礎塌方監測，且在數據傳輸量、信號強度和現場視頻自由控制方面存在較大問題。因此，應借鑒已有的地質災害預警數據監測技術，自主研發出一套符合輸電線路特色的輸電桿塔基礎塌方在線監測裝置。

2 輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統的理論與實踐基礎

2.1 理論基礎

傳感器又稱一次儀表,是將一種物理量轉換為另一種物理量的設備。傳感器的輸入信號為待測物理量，如溫度、密度、壓力、電阻率和距離等，輸出信號則為可以被二次儀表或計算機接收的物理量，如電流、電壓和電阻等。憑借在桿塔基礎附近埋設能監測出地質現象變化的傳感器（要能監測桿塔基礎土壤應力和地表絕對唯一參數），在桿塔橫擔附近安裝能監測雨量和風速變化的傳感器，當雨量和風速的變化超過一定的閥值，即可認定該基桿塔存在塌方風險，結合地質傳感器采集參數對桿塔基礎塌方做出預警。

2.2 實踐基礎

當前，我國電力系統廣泛應用視頻監控或桿塔傾斜等間接手段判斷桿塔基礎塌方。然而，視頻監控很難判斷出前期細微的地質變化，桿塔傾斜預警也只是在桿塔發生傾斜時預警，不能做到基礎塌方預警。鑒于上述問題的存在與桿塔基礎塌方監測嚴格的技術要求，相關人員提出以地質現象變化傳感器結合傳統判斷防外破方法的在線監測應用技術。視頻監控和桿塔傾斜等間接技術手段也為新型在線監測應用技術的研發奠定技術基礎。

3 輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統的設計構想

3.1 設計原理

在桿塔基礎附近埋設能監測出地質現象變化的傳感器（要能監測桿塔基礎土壤應力、地表絕對唯一等參數），在桿塔橫擔附近安裝能監測雨量、風速變化的傳感器，當雨量和風速的變化超過一定的閥值，即認為該基桿塔存在塌方的風險，自動將報警數據以短信形式發送至相關人員。同時，在桿塔的塔材上安裝能監測出桿塔傾斜的傳感器，結合桿塔基礎附近地質現象變化的參數、桿塔傾斜的參數和雨量風速的變化量，為塌方后的持續性監測提供依據.

3.2 系統結構

3.2.1 遠方視頻數據采集終端結構

終端主要包括檢測裝置、主控裝置和供電裝置。其中，檢測裝置又包括地址現象變化傳感器、高清球機、傾角傳感器和微氣象傳感器；主控裝置包括綜合數據處理單元和智能電源控制器；供電裝置則包括蓄電池、太陽能板以及微型風力發電機。

3.2.2 通信系統結構

人員在建設輸電線路視頻監測系統時，應綜合考慮現場環境情況、現有設施情況、預算成本以及工程周期，采用靈活多樣的通信接入和中繼方式，實現終端裝置與系統主站之間的數據通信。

3.2.3 主結構系統

輸電線路防外力破壞智能預警系統應建立完全獨立的主站系統，同時保證電氣提供相應的SDK開發包（ 目前僅支持Windows Server 2008），實現與第三方主站系統的集成。遠方終端系統可選擇通過OPGW直接接入企業內部局域網，也可通過4G移動蜂窩網借助安全信息平臺接入局域網。局域網內用戶可憑借相應的預設賬號，采用IE瀏覽方式訪問主站系統的Web服務器，也可借助安全信息接入平臺認證智能手機或其他移動終端，登錄預設帳號，采用IE瀏覽方式訪問主站系統的Web服務器。

3.3 技術參數

3.3.1 遠方視頻數據采集終端結構

首先，就工作環境而言，環境溫度要求保持在-40～+75 ℃范圍，相對濕度保持在5%～100% RH范圍，大氣壓力則要滿足550～1 060 hPa的基本條件。其次，設備的使用壽命至少要有8年。此外，遠方視頻數據采集終端結構中重要的技術參數包括主控裝置和攝像機傳感器的技術參數，其性能的好壞直接決定視頻的清晰度和運轉的長久性，是真實數據采集的基礎條件。主控裝置包括綜合數據采集單元和智能電源控制器兩部分，其中，綜合數據采集單元用于圖像信息采集、儲存和識別。整個裝置外箱采用400×360×220（單位mm），機箱整體重量（含電池和內部模塊）需要控制在15 kg以內，過重不利于保證機體長時間懸掛狀態下的穩定性。整體材料最好選用304不銹鋼，在風吹日曬的環境中也能夠防腐防氧化，得以長時間保存，且出于安全角度考慮，需要抓扣掛裝，加裝安全防護。整機在線功耗控制在280 mW以內，最大工作功耗控制在450 mW以內。圖像和視頻儲存格式需要支持jpg格式和H.264格式。為確保數據搜集工作的完整性，視頻記錄存儲時間應設置在30 min以上，保障數據搜集的完整和后續傳輸過程的正常運行。存儲容量設置為2～64 GB可選，可根據后續監測工作的需要進行實時調整和設置。負載供電電壓需要達到DC 12±0.2 V的標準，供電電壓達到DC 12 V，才能滿足基本工作需要。最大輸出功率應達到100 W，可設置浮充電流或電壓保護門限、蓄電池低電壓保護門限、負載電流或電壓保護門限以及電源與負載關斷定時時間。符合上述技術水準的遠方視頻數據采集終端結構不僅具有較好的圖片和視頻信息搜集、存儲與識別功能，也為后續的數據傳輸工作留足時間，是整個線路桿塔基礎塌方在線監測穩定運行的基礎和前提。

3.3.2 通信系統結構的技術參數

通常，該監測系統所使用的通信系統應保證使用壽命在10年以上，平均無故障工作時間達到25 000 h以上，平均數據缺失率控制在1%以內，對數據的完整性要求極高，確保監測數據的完整性、準確性和及時性。此外，通信系統使用的環境需要固定在溫度-40～+45 ℃、濕度5%～95%，且在無冷凝的自然環境中，防護等級需要達到IP65，才能確保設備的正常運用和長期使用。

3.3.3 主站系統設備技術參數

用戶終端系統接入主要涉及數據通信和服務器。就數據通信設備而言，應使用電信VPN專網，固定IP，構建20 M以上的雙向數據寬帶，保證網絡運行的通暢性和穩定性，防火墻可直接采用中國電信企業防火墻。就服務器而言，型號建議使用IBM System x3850 X5，4U機架式，CPU采用X86，Intel Xeon E7-4807數量要達到4個，容量達到1 TB，硬盤容量至少需要4.8 TB，網絡控制器采用雙千兆以太網。主站系統設備是整個監測系統中最主要的硬件，決定數據儲存的容量和時間，只有建立最優配置，才能確保監測數據得到長期保存，為監測預警機制的建立和完善提供參考，奠定必要的數據基礎。

4 結 論

開展輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統設計不僅符合我國電力發展要求，也可有效彌補地質災害監測預警技術存在的缺陷。筆者從設計原理、系統結構和技術參數三個方面論述輸電線路桿塔基礎塌方視頻監測系統的設計構想，旨在為監測預警機制的建立與完善提供參考。