基于激光雷達的變電站空域異物入侵檢測策略與 系統設計

曾金　劉清鴻　丁梓楠　許彬

摘 要

變電站周邊漂浮異物一直是影響電網安全穩定的棘手問題之一。塑料薄膜、氣球、風箏、廣告牌等漂浮物由于大風或人為等各種因素，可能入侵變電站周界。這些高空入侵物可能會引起線路故障，甚至造成局部甚至是區域停電。為排除漂浮入侵物的隱患，本文設計并研制了基于激光雷達的變電站高空異物入侵監控系統。變電站現場測試顯示，本系統能夠快速準確的發現高空漂浮物的入侵并進行入侵位置定位，提醒工作人員及時處理入侵異物，保障變電站的正常運行。

關鍵詞

高空異物入侵;激光雷達;變電站周界防御

中圖分類號： TP242;TN958.98文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.009

0 引言

變電站作為電能輸送的重要中轉站，是電力系統中至關重要的一環。變電站的運行是否安全穩定關系著整個電力系統的安全性、可靠性[1]。

變電站周邊漂浮異物一直是影響電網安全穩定運行的棘手問題之一。變電站大多數處于露天環境之中，諸如塑料薄膜、塑料袋、氣球、風箏、鐵皮等各類漂浮物由于大風或人為等各種原因，可能入侵變電站周界。在天氣變化時，這些入侵物就有可能引起線路故障，輕微的可能引起站內單間隔設備跳閘，導致設備非計劃停運，嚴重的還可能造成電網的負荷損失，社會經濟影響巨大。

2014年10月19日甘肅永登變電站因異物入侵發生A相接地短路，隨著故障擴大，永登變電站全停。2010年春節，一盞孔明燈導致了荊州一35kV變電站跳閘，造成大區域停電，百余名群眾被困電梯。

目前，變電站周界漂浮物入侵監控手段非常有限。常規方法是人工巡檢。人工巡檢主要靠作業人員的主觀感官判定，對工作人員的工作經驗及業務水平要求較高。但即使是經驗豐富的巡檢員，定期人工巡查的解決方法對于漂浮物的入侵檢測具有不確定性，效率也相對較低，容易造成遺漏，不能及時處理及清理入侵異物，為變電站的正常運行埋下安全隱患。近年來，隨著視頻圖像識別技術和機器人技術的快速發展，智能機器人自動巡檢，圖像跟蹤識別等方法也開始被逐漸用于變電站的異物入侵防治研究。巡檢機器人穩定工作依賴于傳感器的數量和精度，在復雜環境下的工作面臨著巡航軌跡偏差、采集表計誤差大、工作效率低、開發設計難度高成本高等問題[2]，且依舊無法克服巡檢時間不連續及數字視頻檢測易受環境光線及天氣影響等不足，目前并不能夠廣泛高效應用。而使用圖像識別技術來進行變電站空域入侵物監測需要在變電站及周圍安設大量的攝像機，通過圖像處理獲取異物入侵信息。該系統成本相對較低，且易實現。但圖像識別技術要受到拍攝圖片的質量[3]，異物大小和異物距離所限制。天氣、光照強度，晝夜等復雜的外界因素又會對識別結果的精準性，檢測算法的魯棒性造成影響，尚不適用于變電站的大范圍異物入侵檢測。

在此背景下，為及時發現變電站周界空域異物入侵，有效減少漂浮入侵物帶來的運行故障和事故，維護變電站的安全穩定運行，提升電網運行的穩定性與安全性，本文提出了一種基于激光雷達的變電站漂浮異物入侵檢測策略，并研制出一款變電站異物入侵智能監測系統。該系統能夠全天候實時監測變電站周界空域環境，合理濾除無效信號及微小干擾，對周界異物入侵的危險情況進行預警。此變電站周界異物入侵智能識別及預警系統，對當前無人值守變電站、甚至是輸電線路等電網設備的安全運行具有一定意義。

1 激光雷達的原理與優勢

1.1 激光雷達檢測原理

激光雷達通過檢測發射光束與反射光束之間的光學路徑、時間差或相位差來檢測自身與被測物體之間的距離、方位、形狀，從而對被測物體進行識別與跟蹤。

根據工程所需的測距距離，激光雷達的測距方法主要分為3種，分別為三角法，PTOF法（飛行時間法）和調幅連續波法。本系統所使用的為PTOF法。其核心原理為：激光雷達的激光發射器向障礙物發射光束，遇到障礙物后折返，由激光接收器接收。通過計時器記錄激光光束從發射到折返的時間差，與激光速度香橙，得出被測物體與雷達之間的距離方位信息[4-5]。

1.2 激光雷達檢測優勢

激光雷達具有探測范圍廣，采樣頻率高，輸出信號易處理，抗干擾能力強的特點[6]。它可以在各種復雜的環境下長時間工作，大范圍地檢測入侵異物的位置信息，完成實時監控異物入侵的任務。

激光雷達實時以一定頻率向周圍一水平面內發射激光束。激光雷達的信息處理量少且處理速度快，可以在異物進入或穿過探測平面的一瞬間探測出異物的存在，并迅速做出報警。

綜上所述，激光雷達具有探測距離遠、抗干擾能力強、精度高等特點，廣泛應用于交通避障，障礙物檢測等。

1.3 激光雷達在變電站異物入侵上的應用

傳統雷達裝置探測原理是電磁波的反射，主要用來探測金屬等高反射率物體。變電站入侵漂浮物多為塑料、橡膠、布匹等反射率較低的物體，幾乎不反射電磁波，傳統雷達裝置難以完成探測。

為克服這一問題，本研究綜合考慮檢測距離性能及成本等要素，選用激光雷達探頭作為監測傳感器，采用飛行時間法來完成變電站周界異物入侵監控預警系統的搭建。

2 檢測策略與系統搭建

2.1 檢測策略

考慮到漂浮物的飛行高度，系統將對變電站圍墻上空30m內的入侵變電站周界的漂浮物進行定位預警。此時，探測平面可以認為是與地面垂直的豎直平面。研究選用北京神州太訊科技有限公司生產的CVC-LR60型激光雷達，其雷達探測半徑可達60m。此激光雷達掃描頻率為36kHz，每隔0.25°發射一束激光束，異物存在分辨率為0.25°。可以快速地檢測到障礙物的位置信息。

本研究將激光雷達探頭橫向放置與變電站圍墻或圍欄中部，調整激光發射平面與地面垂直，掃描角度設置為180°。此時，雷達探頭的掃描平面為雷達裝置上方的半徑為60m的半圓形豎直平面。激光雷達可以檢測到穿過此平面的高空漂浮物并做出報警，提醒變電站工作人員進行處理。若要實現高度30m以內的監控，單臺激光雷達裝置可完成約104m的變電站周界監控。

圖1 雷達檢測策略示意圖

2.2 系統搭建

圖2 系統的總體框架

本系統主要由激光雷達，控制器，上位機界面等三個部分組成，此外還具有外設報警裝置及視頻監控系統等可擴展功能。系統的總體框架如下圖2所示。

系統工作時，控制器首先接收激光雷達的輸出信號，將進行轉化為入侵物位置信息，通過TCP網絡協議與上位機進行通信，將異物的方位信息傳輸給上位機，并在監控界面中顯示。此外，控制器能夠將上位機指定的區域設置成指定報警區域，在有異物入侵指定報警區域時通過I/O口控制外接報警裝置進行報警。上位機程序也具有可擴展性，能夠將入侵漂浮物信息傳送至變電站視頻系統，通過調節攝像裝置的拍攝距離及角度，完成異物信息的進一步提取。

系統采用華為海思3516型控制器，通過雷達探頭激光發射時間與反射接收時間之差，來獲取探測平面內的異物位置等信息。

系統通過TCP網絡協議實現控制器與服務器件的無線通訊。上位機界面采用Visual Vtudio 2012集成開發環境，使用C#高級語言對系統進行Windows窗體界面應用程序進行編寫和設計，上位機監控界面如圖3所示。程序可監控變電站周界空域，并可將漂浮入侵異物位置實時顯示在模擬監控平面上。此外，系統還將異物信息存儲至數據庫及傳輸至變電站視屏監控系統，以備工作人員進行進一步查驗與及時處理。

圖3 上位機監控界面

3 實驗測試結果

為了驗證系統的可行性，項目組在泉州500kV紫嶺變搭建測試系統，對不同的外界環境下，不同種類的漂浮物入侵進行了模擬測試與研究。

3.1 不同漂浮異物的影響

選用塑料袋、垃圾袋、風箏、雨衣等變電站常見漂浮入侵物，使其由外至內穿過雷達監控平面。測試結果顯示，無論何種漂浮入侵物，在其穿過雷達監控平面時，監控界面將會進行入侵告警，并實時顯示入侵物在探測平面的位置信息。

3.2 光線對監測系統的影響

為保證系統全天時運行，研究還對不同時間段監控系統的探測性能進行了測試。結果顯示，激光雷達在探測區域內，對不同光照條件的入侵異物均具有靈敏的探測能力。

3.3 異物大小對監測系統的影響

針對不同大小的異物入侵測試結果顯示對于非黑色異物，尺寸小至30cm仍能被系統及時發現，尺寸低于30cm的漂浮異物對變電站影響較小，可暫不做考慮。對于黑色異物，尺寸在50cm及以上時，雷達系統具有良好的監測性能，但尺寸為30cm時，探測距離有所衰減，對于雷達探頭45m以外的入侵物不能夠及時告警。

3.4 風速對監測系統的影響

在變電站實際運行中，漂浮物本身具有一定的入侵速度。本研究采用鼓風機，模擬不同風速下，監控系統對50cm非透明入侵物的監測性能。研究結果顯示，在不同風速下，系統均可正常檢測入侵物位置信息。

4 結語

本文根據變電站及其漂浮入侵物的特點，基于激光雷達設計并研制了一套變電站周界空域異物入侵監測系統。測試結果顯示，該系統可對既定變電站周界空域進行全天時全天候的監測，及時發現并告警對變電站具有潛在威脅的入侵異物，保障變電站的安全穩定運行。

參考文獻

[1]陳彬.變電站巡檢機器人關鍵技術及其適用性研究[J].科技創新導報，2019，16（05）：135+137.

[2]丘榮中.變電站無人機巡檢技術的發展探討[J].機電信息，2019（30）：93-94.

[3]郝雅潔，李富忠.計算機智能化圖像識別技術的探討[J].物聯網技術，2019，9（08）：55-57.

[4]練剛.激光雷達在電力線路工程勘測設計中的應用[J].中國新技術新產品，2019（20）：18-19.

[5]方海洋.基于GPS和激光雷達的無人駕駛策略研究[D].長安大學，2019.

[6]王熙楠.基于激光雷達的地鐵接觸網幾何參數實時檢測系統改進設計[D].北京交通大學，2019.