外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警系統

張朝暉 張益龍

摘 要：針對現有輸電線路需要人工巡查盯守且監測效率低的缺陷，提出新型的方案。采用MSP430F5438單片機芯片計算，通過桿塔監測子系統中的六種傳感器檢測出輸電線路受外力破壞情況，利用云存儲智能攝像頭采集輸電線路現場視頻，經由光纖通信網絡傳送至后臺主機管理子系統。后臺主機管理子系統通過高斯背景模型法，判斷外力破壞情況是否符合輸電線路桿塔安全距離。測試結果表明，該系統可穩定監測不同電壓等級輸電線路受外力破壞情況并及時預警。

關鍵詞：外力破壞;影響;輸電線路;綜合監測;預警系統

Abstract：Aiming at the shortcomings of the previous transmission lines that required manual patrol and guarding and low monitoring efficiency， a new scheme was proposed. The MSP430F5438 single-chip chip is used for calculation. The six types of sensors in the tower monitoring subsystem detect the damage of the transmission line by external forces. The cloud storage smart camera is used to collect the live video of the transmission line and transmit it to the background host management subsystem through the optical fiber communication network. The back-end host management subsystem uses the Gaussian background model method to determine whether the external force destruction is within the safety distance of the transmission line tower. The test results show that the system can stably monitor the damage of transmission lines of different voltage levels by external forces and provide timely warning.

Key words：external damage; impact; transmission line; comprehensive monitoring; early warning system

智能電網由大量輸電線路組成，輸電線路多布置于室外以及復雜環境下，輸電線路安全對于電網穩定運行極為重要[1]。電力系統輸電線路外力破壞影響因素主要包括施工大型車輛、天氣因素、自然災害等原因造成的輸電線路短路、斷裂以及桿塔倒塌等情況，輸電線路受到破壞直接威脅人類人身安全[2]，輸電線路跳閘造成停電事故帶來極大人力物力損失。

電力系統規模不斷擴大導致輸電線路過于密集，輸電線路運行環境復雜[3]，輸電線路存在大量外力破壞情況，輸電線路受外力破壞導致電力系統停止運行情況時有發生，影響電力系統安全運行[4]。電力系統輸電線路受外力破壞情況眾多，分析破壞輸電線路外力特征，研究外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警系統對于電力系統輸電線路安全穩定運行極為重要[5]，輸電線路綜合監測與預警系統提升電力系統管理與維護的智能化以及自動化，利用該系統實時監測外力破壞輸電線路因素并提前預警[6]，降低電力系統由于輸電線路故障導致跳閘情況保證電力系統維護效率。

1 基于外力破壞的輸電線路綜合監測與預警系統

1.1 系統總體結構

所研究外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警系統總體結構圖如圖1所示。

通過圖1可以看出，該系統主要包括桿塔監測子系統、后臺主機管理子系統、光纖通信網絡以及監測預警APP。

桿塔監測子系統裝置于輸電線路桿塔頂端，桿塔監測子系統具有重量輕、功耗低以及體積小的優勢。桿塔監測模塊主要包括傳感器模塊、電池模塊、電量檢測模塊、視頻監控模塊、單片機以及射頻模塊六部分，通過視頻監控模塊采集輸電線路監測數據[7];通過光纖通信網絡將桿塔監測子系統監測數據以及視頻圖像傳輸至后臺主機管理子系統;后臺主機管理子系統負責管理、控制以及調度該電力系統輸電線路全部數據，后臺主機管理子系統的中心數據庫為系統提供數據支持[8]，后臺主機管理子系統的單片機通過高斯背景模型法識別監測圖像數據中是否存在外力破壞情況，監測圖像數據中存在外力破壞情況時，通過聲光報警模塊依據外力破壞危險等級發出聲光預警，電力系統維護與檢修人員通過預警結果及時排除外力破壞[9]。桿塔監測子系統以及后臺主機管理子系統的單片機均選取深圳市佰昇電子有限公司提供的MSP430F5438芯片，選取TI公司的CC1101芯片作為RF433射頻模塊芯片。

1.2 桿塔監測子系統

桿塔監測子系統包括電量檢測模塊、電池模塊、視頻監控模塊、傳感器模塊、RF433射頻模塊以及MSP430F5438單片機模塊。傳感器模塊所采集信號利用單片機轉換至數字信號并計算外力破壞距離[10]，所獲取距離數據利用RF433射頻模塊發送至后臺主機管理子系統;利用電量檢測模塊檢測電池模塊電量情況[11]，電池模塊電量過低時需及時報警，系統維護人員及時替換電池。RF433射頻模塊負責檢測桿塔監測子系統以及后臺主機管理子系統連接情況，選取光纖通信網絡作為系統通信方式。

桿塔監測子系統選取低功耗的MSP430F5438單片機作為子系統處理芯片，該芯片可處理傳感器檢測數據并檢測子系統AD采樣情況。

傳感器模塊包括紅外煙霧傳感器、氣象傳感器、傾角傳感器、振動傳感器、紅外傳感器、導線弧垂傳感器，六種傳感器分別可以感知山火煙霧、線路覆冰、雷擊、機械碰線、導線弧垂等不同外力破壞情況[12]，當山火煙霧濃度、覆冰厚度、導線弧垂長度以及外力距離到達指定閾值時，監測端拍攝視頻并傳送至后臺主機管理子系統，主機管理子系統利用高斯背景模型法判斷外力破壞影響，判斷結果為危險時啟動聲光報警[13]。

視頻監控模塊由睿威仕智能云存儲高清攝像頭組成，高清攝像機實物圖如圖2所示。

該攝像頭采集圖像最大分辨率可高達1920×1080;選取達芬奇處理芯片;選取精密電機驅動可保證攝像頭平穩運行;精度偏差低于0.1度;可實現無抖動視頻圖像采集;具有三維智能定位功能以及數據斷電不丟失功能;支持雙碼流技術以及多種網絡協議[14];該攝像頭可與覆冰傳感器、導線弧垂傳感器等全部傳感器共同安裝。

1.3 高斯背景模型法

選取高斯背景模型法作為識別輸電線路是否受到外力破壞方法。高斯背景模型法是依據視頻監控模塊所采集某點像素值是否符合高斯分布確定運動目標識別外力破壞[15]。

所采集輸電線路受到外力破壞時，輸電線路圖像背景受到外界條件干擾導致圖像像素值出現波動，圖像像素值隨外力破壞干擾影響不同而產生不同大小變化[16]，形成變化符合高斯分布，所采集輸電線路圖像存在運動目標時，圖像像素值形成較大擾動不符合高斯分布。

1.4 輸電線路綜合監測與預警流程

外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警系統運行流程圖如圖3所示。

系統傳感器模塊各傳感器檢測存在外力破壞情況時，利用智能攝像頭采集輸電線路現場視頻，并通過光纖通信網絡傳送至后臺主機管理子系統。后臺主機管理子系統通過高斯背景模型法判斷外力破壞情況是否符合輸電線路桿塔安全距離，外力破壞作用物與輸電線路桿塔絕緣物小于設定要求時，系統發出報警指令，聲光報警裝置啟動，為電力系統維護以及管理人員發出解決指令提供依據，實現外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警。

2 仿真實驗與分析

選取CPU為英特爾雙核四線程主頻為4.0GHz、內存為8 GB的計算機。利用Matlab軟件模擬某市某電力公司電力網絡，在Matlab軟件中搭建本文系統，測試本文系統對于外力破壞下輸電線路綜合監測與預警情況。該電力公司包含110 kV，220 kV以及500 kV三種電壓等級電力網絡。

采用本文系統監測輸電線路界面圖如圖4所示。

圖4系統測試結果顯示，采用本文系統可有效實現電力公司電力網絡輸電線路監測，且監測圖像清晰明顯，便于本文系統在輸電線路受到外力破壞時及時預警。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔2米-7米，統計本文系統應用于電壓等級為110 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監測與預警情況，統計結果如表1所示。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔4米-9米，統計本文系統應用于電壓等級為220 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監測與預警情況，統計結果如表2所示。

通過仿真平臺模擬機械碰線外力破壞情況，令機械碰線外力距離輸電線路桿塔6米-11米，統計本文系統應用于電壓等級為500 kV輸電線路受機械碰線外力破壞監測與預警情況，統計結果如表3所示。

表1-表3系統測試結果可以看出，采用本系統可準確檢測不同電壓等級輸電線路受外力破壞情況，系統在外力與輸電線路小于設定距離時可及時預警，有效驗證本系統對輸電線路受到外力破壞時監測與預警有效性。本系統解決以往人員監測輸電線路安全問題以及成本高且檢測效率低的問題，具有高效、穩定性，較符合戶外安裝需求，實現輸電線路受外力破壞影響監測智能化，能夠準確預警不同電壓等級輸電線路受外力破壞危險情況，可應用于不同輸電線路桿塔應用環境以及不同電壓等級輸電線路中。

3 結 論

外力作用下易導致輸電線路破壞，由于以往輸電線路需要大量人員巡查盯守且監測效率較低，提出外力破壞影響下的輸電線路綜合監測與預警系統。所研究的預警系統適用于不同電壓等級輸電線路不同外力破壞影響環境下，且具有監測結果準確、預警響應速度靈敏的優勢。系統的桿塔監測子系統高空安裝方便，具有較高自動化以及智能化，避免采用人員監測輸電線路受外力破壞的危險性，且降低維修人員現場監測輸電線路成本。系統有效提升電力系統輸電線路輸配電穩定性以及安全性，可應用于不同環境下輸電線路。

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