輸電線路防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

周夢麟

（西安翔麟電力科技有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

電力系統(tǒng)輸電線路所起的作用主要是遠(yuǎn)距離、高容量傳輸電能，隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，現(xiàn)階段輸電線路縱橫交錯，電網(wǎng)已變得越來越復(fù)雜，輸電線路受到的外力破壞也逐年增多，輸配電線路運(yùn)行事故屢有發(fā)生。例如，地面超高施工機(jī)械和超高交通工具在行駛和操作過程中與帶電運(yùn)行的高壓輸配電線安全距離不足，造成放電或碰撞事故[1]。目前，雖然“高壓危險”的警示牌隨處可見，但警示牌存在夜間無法辨識，失去警示作用的問題。此外，少數(shù)單位采用LED發(fā)光管或發(fā)光警示帶，此類產(chǎn)品功耗過大、安裝復(fù)雜，閃光強(qiáng)度較小，無聲音輔助預(yù)警[2]，而且電力桿塔并無可用的市電交流電源。而發(fā)光牌或電子警示屏等裝置，往往是災(zāi)害事故發(fā)生之后才觸發(fā)，缺乏主動實(shí)時預(yù)警探測功能[3]。城鎮(zhèn)道路與公路多樣性突出，有些地區(qū)夜晚環(huán)境噪聲較大，發(fā)光牌或電子警示屏等產(chǎn)品安裝高度不一，對于過往司機(jī)的警示能力較弱，無法有效發(fā)揮作用。

本文對微波雷達(dá)與激光應(yīng)用多重技術(shù)手段進(jìn)行有效融合[4]，依據(jù)輸電線路實(shí)際工況，提出了一種新型預(yù)警系統(tǒng)，它既能替代傳統(tǒng)警示牌，又能在災(zāi)害發(fā)生之前發(fā)出有效預(yù)警，且具備聲、光、電多種警示方式，能夠?qū)崿F(xiàn)隱患防治的目的。

1 防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)研究

1.1 預(yù)警探測技術(shù)選用

目前，智能探測有幾種常用的技術(shù)：被動紅外探測技術(shù)、主動紅外探測技術(shù)、激光探測技術(shù)、多普勒微波感應(yīng)技術(shù)。

（1）被動紅外探測技術(shù)：人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線，被動紅外探測器就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。被動紅外探測器本身不發(fā)出信號，只是被動接收外界的紅外能量。當(dāng)人體移動時，人體溫度與周圍環(huán)境溫度存在差別，被動探測器對這種差別的變化進(jìn)行處理后就會輸出報(bào)警信號。被動紅外探測技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)出任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性較好，價格低廉。缺點(diǎn)：容易受各種熱源、陽光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探測器接收；易受射頻輻射干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測靈敏度明顯下降，有時會短時失靈。

（2）主動紅外探測技術(shù)：主動紅外入侵探測器由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成，其中發(fā)射機(jī)由電源、發(fā)光源和光學(xué)系統(tǒng)組成，接收機(jī)由光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、放大器、信號處理器等部分組成。主動紅外探測器是一種紅外線光束遮擋型報(bào)警器。正常情況下，接收機(jī)收到的是一個穩(wěn)定的光信號，當(dāng)有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機(jī)收到的紅外信號發(fā)生變化，提取這一變化，經(jīng)放大和適當(dāng)處理，控制器就會發(fā)出報(bào)警信號。圖1為某高速入口處安裝的紅外限高裝置[5]。

圖1 主動紅外探測限高報(bào)警器

（3）激光探測技術(shù)：激光探測與紅外探測類似，激光對射探測器由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)組成，以四束獨(dú)立的激光束為警戒線。激光束發(fā)射的角度小，光束集中且單位光束能量強(qiáng)，目標(biāo)接收激光束的功率密度是紅外發(fā)光二極管光束的數(shù)倍，因而穿透雨、雪、霧、風(fēng)沙能力強(qiáng)，極大地降低了誤報(bào)率。

（4）多普勒微波感應(yīng)技術(shù)：也稱微波雷達(dá)（多普勒）感應(yīng)探測，基于電磁波的多普勒原理來實(shí)現(xiàn)。微波雷達(dá)對物體的移動有快速反應(yīng)，因此特別適用于快速行動物體的偵測。這種探測方式與其他探測方式相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：非接觸探測；不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適應(yīng)惡劣環(huán)境；抗射頻干擾能力強(qiáng)；輸出功率僅有2～5mW，對人體不構(gòu)成危害；探測距離遠(yuǎn)[6]。

綜上，本系統(tǒng)主要采用前置808nm激光對射及5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng)雙鑒探測方式，基于多普勒原理，以平板天線發(fā)射和接收微波高頻信號，感知覆蓋范圍內(nèi)物體（人員、車輛、機(jī)具、飛鳥等）的相對移動信號，經(jīng)單片機(jī)嵌入式程序分析運(yùn)算安全距離后，對于具有危險因素的超高車輛，立即發(fā)出聲、光、電警示信號，防止誤碰、誤傷高壓線，保障輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括前置裝置（一對）及裝置本體兩部分，如圖2所示。

圖2 防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，前置裝置主要包括：10—光伏供電管理單元、11—前置雙鑒檢測單元（808nm激光對射/5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng)）、12—RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元。裝置本體主要包括：20—光伏供電管理單元、21—定時計(jì)數(shù)裝置、22—RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻接收單元、23—多路開關(guān)處理控制單元、231—圖像抓拍取證單元、232—4GModem、233—LED頻閃控制器、234—LED發(fā)光警示牌、235—發(fā)聲控制單元、236—大功率揚(yáng)聲器、237—532nm激光警示線陣列。

2 防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

輸電線路防外破雙鑒預(yù)警系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

（1）前置裝置安裝在距離電力線桿前15m的立桿上，其中光伏供電管理單元10內(nèi)置光伏電池組及太陽能板，將光能轉(zhuǎn)換為電能持續(xù)向前置雙鑒檢測單元11及RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元12提供工作電源。

（2）前置雙鑒檢測單元11安裝在車輛限高的距離下（立桿頂部距離光纜弧垂最低點(diǎn)1～2m處），并持續(xù)向公路另一側(cè)發(fā)射不可見的多束紅外激光及5.8GHz微波雷達(dá)信號，當(dāng)超高車輛超過此距離，將遮斷一束或多束激光，根據(jù)5.8GHz微波雷達(dá)發(fā)射脈沖和接收的時間差測算出超限距離，此時前置雙鑒檢測單元11向RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元12發(fā)出有效報(bào)警信號。RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻發(fā)射單元12接收到報(bào)警信號后，將此信號通過RF433M微波發(fā)送至RF433M遠(yuǎn)距離無線射頻接收單元22。

（3）如圖4所示，裝置本體中，懸掛在光纜的光伏供電管理單元20向多路開關(guān)處理控制單元23提供工作電源，多路開關(guān)處理控制單元23通過總線向裝置本體其他組件供電。

圖4 裝置本體結(jié)構(gòu)圖

（4）裝置本體中，多路開關(guān)處理控制單元23向定時計(jì)數(shù)裝置21發(fā)出工作指令，定時計(jì)數(shù)裝置21開始計(jì)時計(jì)數(shù)，同時多路開關(guān)處理控制單元23通過并行接口分別向532nm激光線陣列237輸出控制信號，控制持續(xù)發(fā)出激光陣列警示線；向發(fā)聲控制單元235輸出控制信號，驅(qū)動大功率揚(yáng)聲器236發(fā)出警示音；向LED頻閃控制器233輸出控制信號，驅(qū)動LED發(fā)光警示牌234閃爍發(fā)光；向圖像抓拍取證單元231輸出控制信號，驅(qū)動抓拍現(xiàn)場圖像，并通過4GModem232向遠(yuǎn)程管理員發(fā)送現(xiàn)場圖像，便于后續(xù)追溯取證。

（5）裝置本體中，定時計(jì)數(shù)裝置21達(dá)到一個預(yù)設(shè)的定時周期后，通過多路開關(guān)處理控制單元23并行接口發(fā)出停止指令，重新進(jìn)入待機(jī)循環(huán)狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文依據(jù)當(dāng)前輸電線路防外力破壞的實(shí)際情況及常見的外破技防措施，研制了一套采用前置808nm激光對射以及5.8GHz微波雷達(dá)感應(yīng)的雙重探測預(yù)警系統(tǒng)，并采用裝置本體與前置裝置分離的設(shè)計(jì)，傳輸采用RF433M微波，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)害前預(yù)警、過程中報(bào)警以及事后全程影像取證。多種技術(shù)手段促使司機(jī)能在遠(yuǎn)距離及早發(fā)現(xiàn)光纜，及時采取避讓措施，有效避免事故的發(fā)生。

下一步研究重點(diǎn)將放在該系統(tǒng)的研發(fā)成本降低與現(xiàn)場安裝實(shí)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡化方面，并將該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用納入輸電線路防外破綜合治理的重要一環(huán)。