輸電線路山火雷達實時監測技術及應用研究

2021-03-05 03:48:28曹永興羅東輝

四川電力技術 2021年1期

李江，曹永興, 朱軍,羅東輝

(1.四川省資陽市公安局,四川資陽 641300；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川成都 610041)

0 引言

輸電線路因其運行的長期性和跨越區域的廣泛性，而容易遭到外力破壞，山火就是其中的重要因素之一[1-3]。輸電線路山火災害的特點主要包括其發生隨機性、突然性以及可以快速造成極大的損失。及時監測到山火并進行實時預警，是輸電線路預防山火災害的迫切需求。

針對輸電線路山火災害監測，近年來出現了無人機巡航、衛星遙感、火災探測器探測以及圖像類在線監測等新型山火監測技術的研究和應用[4-6]，然而受限于技術形式和沿線環境的影響，傳統監測方法在山火趨勢預判、火災判定準確度以及小范圍、初期火情的預警問題上仍存在一定的問題。

相較而言，基于熱能多譜監測雷達的輸電線路山火監測技術，無需人工實時監測，減少了人力成本[7-10]；和紅外技術相比，探測范圍更廣，并且降低了誤報率，而且探測精度和探測實時性更強，更利于對火災初起的發現以及火勢發展趨勢的預判。

因此，根據山火特征情況，結合國家電網GIS信息平臺查詢獲取輸電走廊周邊地形地貌數據，設計研發基于Ka波段小型雷達的輸電線路山火監測系統，探究其工程應用技術，并在實際工程中進行試點安裝與實測。

1 山火雷達回波識別

雷達對物體的探測主要依托物體反射的雷達回波變化情況。火焰的組成含有極多電子、離子以及中性粒子，與周圍常規物體的雷達回波存在顯著差異。而且火災煙塵的物理特性也與周圍物質不同，會對雷達回波造成一定影響。因此，基于雷達探測可以實現對山火情況的探測。

基于山火回波以及輸電線路周邊物體特性，選擇毫米波雷達用于山火探測系統研發，為了驗證毫米波雷達對山火煙塵監測的有效性，開展了山火雷達回波識別試驗。

首先，架設16G和24G毫米波雷達采集地物雜波；接著，分兩次點燃柴火堆并采集數據；最后，滅火后繼續采集數據。圖1所示為點火前試驗場地及采集到的背景雷達回波；圖2所示為點火后采集的雷達回波數據波動情況。

圖1 試驗現場照片及點火前雷達回波

圖2 火焰煙塵照片及點火后雷達回波

分析雷達回波數據發現，雷達回波相對于地物雜波擾動范圍有20%～30%的增幅。同時，在柴火堆鄰近距離單元的雷達回波和地物雜波相比，也有一定的擾動范圍增幅現象，說明火焰燃燒過程中產生的煙塵隨風有小范圍移動，可以作為山火識別的一個判別依據。

1.1 預測評估的核心思路

針對現有技術對山火趨勢預測評估能力不足以及誤報率較高等問題，提出一種結合國網GIS信息平臺、小型雷達與線路傳感器的山火發展趨勢預測方法。該方法在復雜的環境中，利用由廣域到近區的火情數據較準確地進行山火發展趨勢預測，保證電網的安全運行，包括以下幾個步驟：

1)結合輸電線路走廊情況，進行小型雷達及微氣象傳感器的布置及安裝；

2)從國網GIS信息平臺查詢山火周邊輸電走廊地形地貌數據；

3)設置一個時間間隔Δt，以時間間隔為單位實時提取氣象數據，傳回后緩存入數據庫；

4)分析小型雷達掃描數據，利用小型雷達進行實時火情監測；

5)結合山火發展趨勢模擬算法進行走廊周邊山火趨勢預測；

6)將小型雷達廣域氣象監測數據對山火下階段的發展趨勢進行輔助決策。

所設計的輸電線路山火發展趨勢預測流程如圖3所示。

圖3 輸電線路山火發展趨勢預測流程

1.2 主要參數指標

基于山火回波尺度較小、回波較弱、回波整體一般不會移動(以擴散形式發展)、接地、垂直高度一般小于4.5 km等特性，選定了如表1所示的系統參數指標。

表1 主要參數指標

1.3 監測系統組成

整機固定式雷達由天線裝置和終端工控機等組成。其中天線裝置主要由反射體、攝像機、俯仰箱以及支臂和基座等。圖4為天線裝置結構示意圖。圖5為雷達監測系統采用的攝像裝置示意圖。

圖4 雷達監測系統采用的天線裝置

圖5 雷達監測系統采用的攝像裝置

2 山火雷達監測系統的工程應用

2.1 工程選址及準備

山火雷達監測系統選址可優先考慮以下3個方面：1)重要輸電通道熱能多譜山火監測預警雷達(Ka波段)應考慮山火頻發區域，雷達所選站點與重點關注線路的直線距離不超過10 km。2)選址應避開洪水、泥石流、山體滑坡以及地質斷裂結構等不利因素較多的地區。3)選擇遮蔽角以及凈空條件適宜地區，避免遮擋監測視角。在工程安裝地址初步確定后，需對該地進行實地測量并繪制環境平面圖。

2.2 試點工程試驗案例

基于上述研究及結果，設計建造了熱能多譜毫米波雷達裝置并進行了試點工程實測試驗，圖6為雷達監測裝置。

圖6 雷達監測裝置現場安裝運行

設備建設安裝完成后，于晚間20:37—21:30進行了人工放火毫米波雷達監測試驗。試驗前期，對山火雷達整機進行組裝，20:20山火雷達開機后，實時顯示軟件正常運行，并能捕捉周邊地物情況，說明山火雷達整機系統工作正常，滿足預期效果，圖7為系統實時監測界面。

火點試驗預設地點距離山火雷達1～1.5 km，方位為315°左右(雷達正北方向為0°)，點火前雷達監測結果如圖7(b)所示。其中，20:23為雷達剛開啟階段，還沒有進行點火。因此，圖7(b)中方位315°、1 km左右的回波強度較小，此為雷達噪聲，其余回波均為地物回波，探測無預警發出。

圖7 雷達監測系統監測界面

1)2°仰角火點監測試驗

圖8(a)和(b)所示分別為20:42:16和20:44:30雷達監測人工點火試驗階段結果，雷達天線仰角為2°。因此，圖8中方位315°、1 km左右出現了回波，面積為2.0 m2左右(共有6個有效監測點)且強度值大于20 dBZ回波區域，其他回波面積和大小保持不變。因此，新增的回波疑似為火點回波。

圖8 2°仰角火點監測結果

2)5°仰角火點監測試驗

圖9(a)和(b)所示分別為20:45:18和20:51:28雷達監測人工點火試驗階段結果，雷達天線仰角為5°。因此，圖9中方位315°、1 km左右出現了較強的回波區域，回波面積約為2.7 m2(共有9個有效監測點)，其他回波面積和大小保持不變，為疑似火點。回波較強主要是由于天線仰角變高，探測到的煙塵顆粒造成。