基于邏輯復用功能的高壓線路智能巡檢系統設計

陳小龍

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司百色局，廣西 百色 533000）

0 引 言

隨著超高壓和特高壓電網的大規模建設，電力電網朝著智能化、大容量化以及大跨度輸送電能的方向發展，同時超高壓電網的運營和維修工作量隨之增加。由于高壓輸電線都集中分布在戶外地區，且覆蓋區域較大，極易受到惡劣自然條件和人類活動的影響。此外，隨著電壓級別的提高，輸電線被雷擊的概率隨之增加[1]。常規的手工檢修方式需要消耗大量的人力和物力，且不能實時檢修，工作效率低，檢修質量也很難得到保障。因此，設計高壓線路智能巡檢系統對高壓輸電線進行實時狀態監控非常必要。

1 輸電線路智能巡檢系統關鍵技術分析

1.1 物聯網技術

物聯網技術利用紅外感應、傳感器以及激光掃描等設備，通過對電、光、聲以及位置等信息的采集，實現物與物之間的信息交換和通信，達到定位跟蹤和智能識別等效果。基于物聯網技術的高壓線路智能巡檢系統，通過射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等信息技術，對輸電線路進行遠程監測和智能化管理。該系統將輸電線路中的智能終端、監控平臺以及安全防護設備等融為一體，在一定區域內建立一個由計算機網絡、傳感器網絡以及視頻監控系統組成的物聯網體系。利用現代傳感器、雙模電源以及多種無線通信技術，可對電力系統進行遠距離、實時監測[2]。

1.2 大數據分析技術

隨著網絡技術的日益成熟，大數據技術已經成為當前常用的數據分析技術。大數據技術能夠將不同來源的信息進行融合和分流，并按照不同的使用目的進行重新組合，對其下一步的發展趨勢進行預測，做出預先的判斷，并對工作過程進行優化[3]。大數據技術具有規模龐大、種類繁多、價值密度高以及計算速度快等突出優點。基于云計算的大數據技術能夠將待處理的大量程序自動分成若干個小型的子項，并由多臺服務器組成一個龐大的系統，實現信息的檢索、計算以及分析，最終將計算的成果提交給終端服務器。

基于大數據技術的智能巡檢系統，利用4G/5G網絡對輸電線路的監控視頻圖像和線路本體的運行狀況數據進行實時采集，并利用大數據技術實時監測線路溫度和故障燈數據，以便及時發現輸電線路存在的運營隱患，避免對超高壓輸電線路的安全穩定運行產生影響[4]。同時，該系統可以實現與手機終端的實時數據交流，確保用戶能夠及時收到故障報警，從而大大提高巡查工作的效率。

1.3 復用技術

1.3.1 頻分復用

頻分復用（Frequency Division Multiplexing，FDM）指將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（子信道），每個子信道傳輸一路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道的頻率之和，能夠使多路傳輸系統中各個通道間的傳輸互不干擾。該技術由于可以在不計延遲的情況下進行信號的發送，已經被廣泛應用[5]。

1.3.2 時分復用

時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）是將每條信息都分成不同的時間段，每條信息都有自己的通道。由于時隙按一定的方式指派并且向前移動，時分復用傳輸也被稱作同步時分復用，其優勢在于時間分布固定，容易調整和控制，更適用于數碼信號的傳送。但是，其缺陷也很明顯，如果一個信號源是空閑的，沒有任何數據要發送，則相應的信道也是空閑的[6]。

1.3.3 波分復用

波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術采用虛擬劃分法將一根光纖劃分為多條虛擬光纖，每條虛擬光纖的工作波長均不相同，可以在一定程度上提高光纖通信的效率和能力。波分復用是目前光纖通信網最常用的一種擴展方式，具有效率高和成本低等優點。

1.3.4 碼分復用

碼分復用（Code Division Multiplexing，CDM）是一種對不同編碼進行區分的方法。將CDM 技術與其他多址技術結合在一起可以形成多種復用模式，如碼分多址、頻分多址、同步碼分多址以及時分多址等[7]。

2 基于邏輯復用功能的智能檢測系統

2.1 智能巡檢系統工作原理

具有邏輯復用功能的智能檢測系統主要包括3 個模塊，即多功能監測基站、監測系統以及測試后臺等。監控基站利用5G/4G 虛擬專用網絡 (Virtual Private Network，VPN），將實時音像、數據以及報警等監控信息傳送到監控中心。巡檢人員可以利用手機等移動設備實時獲取高壓線路運行監測數據、音頻以及圖像等，同時可以利用5G/4G VPN 網絡將監測數據上傳到電力公司的集群服務供應商[8]。利用視頻監測系統，可以實現對省內超高壓輸電線的監測。根據實際情況，綜合整理采集到的有關信息資料，建立相應的數據庫，方便后期的核查與監管。

2.2 系統硬件部分

智能巡檢系統基于4G/5G 網絡實現通信功能，在硬件設計方面融合了大數據技術、復用技術以及物聯網技術等，在實現傳統高壓線路運行監測功能的基礎上對系統進行了優化升級。系統硬件設計框架如圖1 所示。

該系統在總體上實現了節能降耗，提高了芯片的集成性，并顯著減少了芯片的功耗損失。在睡眠狀態下，電力損失只有0.05 W。利用磷酸鐵鋰電池及太陽面板的周期性充放電方法，可有效延長蓄電池的使用壽命[9]。巡檢系統采用抱箍回形環安裝方式，可以靈活調整方向。

2.3 系統軟件部分

高壓線路智能巡檢系統的軟件架構如圖2 所示。

Android 系統層主要用于對下級硬件平臺的控制。圖像服務主要調用系統的相機，完成圖像的采集，并以JPEG 格式作為圖像編碼格式。視頻Service 調用本系統的攝像機，以H264 格式實現圖像的采集和編碼。Watchdog Receiver 主要利用通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）口與串口的2 個信道與控制器進行通信，實現相應操作。Upgrade-Service提供App 的后臺更新服務。應用層App 通過SMS Receiver 接收消息，通過Alarm receiver 實現定時鬧鐘，通過Push Receiver 收發信息，通過HTTP Receiver 來接收服務端的信息。

2.4 故障類型的判別與定位

超高壓輸電線路的安全、平穩、可靠運行對于高壓線路智能巡檢系統至關重要，而超高壓輸電線路是否能實現智能巡視檢測是檢驗超高壓輸電線路有無商業應用價值的一個重要指標。在超高壓輸電線路中，對出現的各種故障進行快速辨識與準確定位，不僅可以加快超高壓輸電線路恢復投運的速度，而且可以有效減少線路因短期停電而導致的經濟損失，極大提升了超高壓輸電線路運行的可靠性和安全性[10]。

2.4.1 單相接地故障

超高壓輸電線路中出現單相接地故障的可能性較大，正確識別單相接地故障對超高壓輸電線路至關重要。針對單相接地，經過故障點的短路電流很小，很難直接探測。對此，通過將特定頻率的信號從母線分別輸入到各個饋線，使其不僅能探測到電容電流和消弧線圈電感電流，還能探測到特定頻率的信號，從而實現對單相接地故障的識別。

2.4.2 相間短路故障

與單相接地故障相比，一條線路出現相間短路故障的概率相對較低。當線路出現相間短路時，線路故障點與變電站之間將產生較大的短路電流，并循環流動。根據短路電流的大小，就可以判斷線路是否已經出現相間短路故障[11]。

2.4.3 故障定位

在輸電線路和電纜線路各分段加裝一個測試儀，以確定各分段的故障情況。線路故障定位示意如圖3所示。

圖3 線路故障定位示意

當3號線上出現故障時，故障指示器1～3都動作，其他故障指示器不動作。根據高壓線路故障指示器故障動作情況，當線路故障位置在3 和4 之間時，故障指示器會將線路故障信息發送至系統主站進行綜合診斷，進一步判斷故障原因，并準確定位故障。最后將故障信息發送至管理人員，及時對高壓線路故障問題進行處理。

3 結 論

文章介紹了基于邏輯復用功能的智能檢測系統，重點分析了智能巡檢系統的原理、系統硬件部分、系統軟件部分以及故障類型判別與定位。智能巡檢系統可實現圖像、音頻以及數據的同步監控，利用5G/4G VPN 網絡上傳到集群服務器，通過特定頻率信號的輸入實現單相接地故障，通過安裝故障指示器來進行相間短路故障定位，從而增強超高壓輸電線路的投運恢復能力。