基于物聯網通信的變電站分布式自檢驅鳥系統設計

徐懿，馬振國，劉曉康，萬曦，許霖，王慶

(1.國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司運維檢修部，江蘇 常州 213000;2.國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司變電檢修室，江蘇 常州 213000)

0 引 言

受變電站的建設位置和生態環境不斷改善的影響，季節性鳥類活動對輸電線路正常運行造成的影響不可忽視。因此，亟需對變電站的進行驅鳥防護，保證輸電線路正常穩定運行[1-2]。

鳥類活動對變電站的危害受地形、季節、氣象、輸電線路高度和鳥類習性等多種因素的影響[3-4]，多發于春秋季的平原丘陵等地帶。已有的防治措施主要采用放鳥刺[5]、激光驅鳥器[6]和電子爆鳴等手段實現對變電站設備的保護[7]，但這些方法存在耗費大量人力財力、鳥類適應快、維護困難和受環境影響失效等缺點，不但效率低而且經濟性較差，不適用于大范圍推廣。已有研究使用的檢測驅趕一體化設備[8]，受限于某一項功能的使用范圍，需在變電站范圍內多點放置，且不能記錄存儲鳥類活動數據，存在諸多不便。針對上述問題，提出基于物聯網通信的變電站分布式自檢驅鳥系統設計方案，根據多普勒效應和超聲波技術實現驅鳥系統的硬件裝置設計，并通過LoRa遠距離通信和YOLO算法下的圖像信息檢測處理，實現數據的實時傳輸和處理。

1 分布式自檢驅鳥系統總架構

1.1 系統設計整體架構

驅鳥設備的有效性受距離以及角度的影響，僅對設備正向60°～120°、10～15 m范圍內的鳥類進行有效檢測。將整體變電站劃分為多個網絡，每個網絡內設置多臺驅鳥設備，建立完整的區域體系，如圖1所示。本文的分布式自檢驅鳥系統，主要分為硬件設計與軟件設計兩個部分。

圖1 檢測設備參數范圍

多個驅鳥裝置依據實際需求組成變電站的分布式驅鳥系統，建立完整的防護體系，總體防護結構如圖2所示。內含多類型傳感器的信息采集裝置，通過采集區域的環境變化、鳥類聲音和環境圖像等信息，將變壓器、輸電線路和桿塔等設備的鳥類停留狀況上傳至系統平臺服務器，由系統平臺進行數據分析后下達控制指令，實現多臺聲波驅趕裝置配合下的整體防護。

圖2 變電站驅鳥系統總體架構

1.2 基于物聯網通信的數據交互

提出的變電站驅鳥系統設計方案中，設備間交互由遠程無線傳感網絡實現。LoRa是基于擴頻技術的遠距離傳輸方案，雙向傳輸的應用數據良好地適應變電站的信息采集與控制指令的下發需求，實現廣域低功耗的傳感網絡擴展。

LoRa由終端、基站、Server和云組成，分別對應自檢驅鳥系統拓撲網絡中的檢測設備、節點感知通信、聲波驅趕裝置和系統服務器。

2 系統硬件設計

系統硬件主要由檢測設備、節點通信感知設備和聲波驅趕裝置共同構成，工作原理如圖3所示。

圖3 驅鳥系統工作原理

2.1 檢測設備

由多類型傳感器構成的檢測網絡，通過雷達探測器、濕度傳感器和溫度傳感器采集環境、圖像以及鳥類等信息。圖像監測裝置通過將采樣提取出來的單幀圖像與儲存的無異常圖像進行對比，判斷是否有長時間鳥類停留或筑巢現象。

2.2 節點通信感知設備

節點感知與通信模塊用以實現檢測、驅趕設備與云端系統服務器的數據傳輸功能。根據跳級通信的思路，設計節點通信感知分層傳輸結構如圖4所示，采用基于安全模板的機制，簇首節點選擇性上傳數據，以達到減少冗余數據，提高能量利用效率的目的。

圖4 節點通信感知分層傳輸結構

2.3 聲波驅趕裝置

超聲波驅鳥基于物理方法，通過超聲波脈沖干擾刺激鳥類神經系統，同時以高頻閃光和仿真天敵聲音為輔助，實現對鳥類的驅趕。部署多個面向不同角度的聲波驅趕裝置，根據變電站驅鳥總架構，建立完整防護體系，實現有效驅鳥。

為防止鳥類對聲波產生適應現象，利用雷達反饋數據，經聲波選擇模塊的處理發生變頻聲波。超聲波發射換能器兩端在輸入方波后，產生對應超聲波，通過反相器控制方波頻率以及占空比即可實現超聲波的變頻功能。

3 系統軟件設計

3.1 基于LoRa的數據通信

基于LoRa的數據通信過程，設定終端擁有與網關一致的網絡號。當終端被喚醒時接收到網關的前導碼，則進行下一步的網絡數據傳輸任務，網關接收到傳輸數據后，返回終端確認信號，結束一個上傳循環。具體的LoRa模塊數據接收與發送流程如圖5所示。

圖5 LoRa模塊數據通信流程圖

3.2 基于YOLO的圖像特征提取檢測

YOLO是一種根據圖像訓練實現的端到端目標監測算法，區別于傳統目標檢測算法。YOLO算法具有更簡單的結構設計方案，可以有效區分背景區域與監測目標。

圖像采集裝置采集的信息，通過LoRa通信模塊上傳至系統服務器后，采用YOLO-v3目標檢測方法實時判斷圖像中是否存在鳥類停留等異常現象。算法流程如圖6所示。

圖6 YOLO-v3檢測算法流程圖

當圖像傳感器采集到的單幀圖像信息以固定時間間隔上傳，輸入至檢測裝置的YOLO-v3目標檢測算法中，判斷存在鳥類活動跡象后，需要對鳥類數量進行計算，到達閾值及下發控制指令啟動驅鳥設備。若未到達閾值，則給系統下發禁止休眠信號。

4 試驗結果與分析

以某地變電站作為提出的基于物聯網通信的變電站分布式自檢驅鳥系統的試驗測試環境，具體布設結構圖及環境遙感示意圖如圖7所示。實測場地呈長190 m，寬120 m的梯形，其中布設系統平臺處理器一臺，檢測設備6臺，驅鳥設備8臺。

圖7 試驗測試環境示意圖

采用檢測設備在變電站范圍邊界放置的方案，使用無人機模擬鳥類飛行情況。通過調節無人機的飛入方向、停留時間、飛入速度以及尺寸大小，模擬不同鳥類的飛入，對比傳統驅鳥策略。試驗結果如表1所示。

表1 驅鳥方案對比結果

對分布式自檢驅鳥系統、傳統單一聲波驅鳥、激光驅鳥器及電力驅鳥藥的方案進行試驗，對比了在驅鳥半徑、聲波頻率、供電方式、定時檢測、智能分析、數據存儲、使用環境、主動檢測和工況檢測等指標的表現。結果表明，提出的分布式自檢驅鳥系統簡便易行，無需頻繁人工維護，對多種地理環境和氣候特征的變電站具有良好的適應能力和更好的鳥類驅趕效果，實現了經濟性和有效性的統一。

5 結束語

針對鳥類活動對輸電線路和變電站穩定運行造成的危害，提出了基于物聯網通信的變電站分布式自檢驅鳥系統。首先使用聲光圖像等多源傳感器，采集鳥類飛行和環境圖像等信息，采用LoRa通信技術將數據通過骨干網傳輸到系統平臺服務器。服務器經過數據分析處理后向下級設備下發控制指令，進行超聲波變頻驅鳥。對某地變電站進行試驗，詳細對比分布式自檢驅鳥系統與傳統驅鳥方法的實地運行能力，證明分布式自檢驅鳥系統具有良好的實時反饋能力、普遍使用性和易于安裝的特點。