外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

張朝暉 張益龍

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有輸電線路需要人工巡查盯守且監(jiān)測(cè)效率低的缺陷，提出新型的方案。采用MSP430F5438單片機(jī)芯片計(jì)算，通過(guò)桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中的六種傳感器檢測(cè)出輸電線路受外力破壞情況，利用云存儲(chǔ)智能攝像頭采集輸電線路現(xiàn)場(chǎng)視頻，經(jīng)由光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)。后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)通過(guò)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(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定監(jiān)測(cè)不同電壓等級(jí)輸電線路受外力破壞情況并及時(shí)預(yù)警。

關(guān)鍵詞：外力破壞;影響;輸電線路;綜合監(jiān)測(cè);預(yù)警系統(tǒng)

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(wǎng)由大量輸電線路組成，輸電線路多布置于室外以及復(fù)雜環(huán)境下，輸電線路安全對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行極為重要[1]。電力系統(tǒng)輸電線路外力破壞影響因素主要包括施工大型車(chē)輛、天氣因素、自然災(zāi)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(lèi)人身安全[2]，輸電線路跳閘造成停電事故帶來(lái)極大人力物力損失。

電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大導(dǎo)致輸電線路過(guò)于密集，輸電線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)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(dǎo)致電力系統(tǒng)停止運(yùn)行情況時(shí)有發(fā)生，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行[4]。電力系統(tǒng)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(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要[5]，輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)提升電力系統(tǒng)管理與維護(hù)的智能化以及自動(dòng)化，利用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外力破壞輸電線路因素并提前預(yù)警[6]，降低電力系統(tǒng)由于輸電線路故障導(dǎo)致跳閘情況保證電力系統(tǒng)維護(hù)效率。

1 基于外力破壞的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所研究外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過(guò)圖1可以看出，該系統(tǒng)主要包括桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)測(cè)預(yù)警APP。

桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)裝置于輸電線路桿塔頂端，桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)具有重量輕、功耗低以及體積小的優(yōu)勢(shì)。桿塔監(jiān)測(cè)模塊主要包括傳感器模塊、電池模塊、電量檢測(cè)模塊、視頻監(jiān)控模塊、單片機(jī)以及射頻模塊六部分，通過(guò)視頻監(jiān)控模塊采集輸電線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7];通過(guò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)將桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及視頻圖像傳輸至后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng);后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理、控制以及調(diào)度該電力系統(tǒng)輸電線路全部數(shù)據(jù)，后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持[8]，后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)的單片機(jī)通過(guò)高斯背景模型法識(shí)別監(jiān)測(cè)圖像數(shù)據(jù)中是否存在外力破壞情況，監(jiān)測(cè)圖像數(shù)據(jù)中存在外力破壞情況時(shí)，通過(guò)聲光報(bào)警模塊依據(jù)外力破壞危險(xiǎn)等級(jí)發(fā)出聲光預(yù)警，電力系統(tǒng)維護(hù)與檢修人員通過(guò)預(yù)警結(jié)果及時(shí)排除外力破壞[9]。桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以及后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)的單片機(jī)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(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括電量檢測(cè)模塊、電池模塊、視頻監(jiān)控模塊、傳感器模塊、RF433射頻模塊以及MSP430F5438單片機(jī)模塊。傳感器模塊所采集信號(hào)利用單片機(jī)轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)并計(jì)算外力破壞距離[10]，所獲取距離數(shù)據(jù)利用RF433射頻模塊發(fā)送至后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng);利用電量檢測(cè)模塊檢測(cè)電池模塊電量情況[11]，電池模塊電量過(guò)低時(shí)需及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)維護(hù)人員及時(shí)替換電池。RF433射頻模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以及后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)連接情況，選取光纖通信網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)通信方式。

桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)選取低功耗的MSP430F5438單片機(jī)作為子系統(tǒng)處理芯片，該芯片可處理傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)并檢測(cè)子系統(tǒng)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(dòng)傳感器、紅外傳感器、導(dǎo)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(jī)械碰線、導(dǎo)線弧垂等不同外力破壞情況[12]，當(dāng)山火煙霧濃度、覆冰厚度、導(dǎo)線弧垂長(zhǎng)度以及外力距離到達(dá)指定閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)端拍攝視頻并傳送至后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)，主機(jī)管理子系統(tǒng)利用高斯背景模型法判斷外力破壞影響，判斷結(jié)果為危險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警[13]。

視頻監(jiān)控模塊由睿威仕智能云存儲(chǔ)高清攝像頭組成，高清攝像機(jī)實(shí)物圖如圖2所示。

該攝像頭采集圖像最大分辨率可高達(dá)1920×1080;選取達(dá)芬奇處理芯片;選取精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)可保證攝像頭平穩(wěn)運(yùn)行;精度偏差低于0.1度;可實(shí)現(xiàn)無(wú)抖動(dòng)視頻圖像采集;具有三維智能定位功能以及數(shù)據(jù)斷電不丟失功能;支持雙碼流技術(shù)以及多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[14];該攝像頭可與覆冰傳感器、導(dǎo)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(shí)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(jù)視頻監(jiān)控模塊所采集某點(diǎn)像素值是否符合高斯分布確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別外力破壞[15]。

所采集輸電線路受到外力破壞時(shí)，輸電線路圖像背景受到外界條件干擾導(dǎo)致圖像像素值出現(xiàn)波動(dòng)，圖像像素值隨外力破壞干擾影響不同而產(chǎn)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(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，圖像像素值形成較大擾動(dòng)不符合高斯分布。

1.4 輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警流程

外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)傳感器模塊各傳感器檢測(cè)存在外力破壞情況時(shí)，利用智能攝像頭采集輸電線路現(xiàn)場(chǎng)視頻，并通過(guò)光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)。后臺(tái)主機(jī)管理子系統(tǒng)通過(guò)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(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警指令，聲光報(bào)警裝置啟動(dòng)，為電力系統(tǒng)維護(hù)以及管理人員發(fā)出解決指令提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

選取CPU為英特爾雙核四線程主頻為4.0GHz、內(nèi)存為8 GB的計(jì)算機(jī)。利用Matlab軟件模擬某市某電力公司電力網(wǎng)絡(luò)，在Matlab軟件中搭建本文系統(tǒng)，測(cè)試本文系統(tǒng)對(duì)于外力破壞下輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警情況。該電力公司包含110 kV，220 kV以及500 kV三種電壓等級(jí)電力網(wǎng)絡(luò)。

采用本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)輸電線路界面圖如圖4所示。

圖4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示，采用本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)電力公司電力網(wǎng)絡(luò)輸電線路監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)圖像清晰明顯，便于本文系統(tǒng)在輸電線路受到外力破壞時(shí)及時(shí)預(yù)警。

通過(guò)仿真平臺(tái)模擬機(jī)械碰線外力破壞情況，令機(jī)械碰線外力距離輸電線路桿塔2米-7米，統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級(jí)為110 kV輸電線路受機(jī)械碰線外力破壞監(jiān)測(cè)與預(yù)警情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)仿真平臺(tái)模擬機(jī)械碰線外力破壞情況，令機(jī)械碰線外力距離輸電線路桿塔4米-9米，統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級(jí)為220 kV輸電線路受機(jī)械碰線外力破壞監(jiān)測(cè)與預(yù)警情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)仿真平臺(tái)模擬機(jī)械碰線外力破壞情況，令機(jī)械碰線外力距離輸電線路桿塔6米-11米，統(tǒng)計(jì)本文系統(tǒng)應(yīng)用于電壓等級(jí)為500 kV輸電線路受機(jī)械碰線外力破壞監(jiān)測(cè)與預(yù)警情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表1-表3系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果可以看出，采用本系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測(cè)不同電壓等級(jí)輸電線路受外力破壞情況，系統(tǒng)在外力與輸電線路小于設(shè)定距離時(shí)可及時(shí)預(yù)警，有效驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)輸電線路受到外力破壞時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警有效性。本系統(tǒng)解決以往人員監(jiān)測(cè)輸電線路安全問(wèn)題以及成本高且檢測(cè)效率低的問(wèn)題，具有高效、穩(wěn)定性，較符合戶(hù)外安裝需求，實(shí)現(xiàn)輸電線路受外力破壞影響監(jiān)測(cè)智能化，能夠準(zhǔn)確預(yù)警不同電壓等級(jí)輸電線路受外力破壞危險(xiǎn)情況，可應(yīng)用于不同輸電線路桿塔應(yīng)用環(huán)境以及不同電壓等級(jí)輸電線路中。

3 結(jié) 論

外力作用下易導(dǎo)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(jiān)測(cè)效率較低，提出外力破壞影響下的輸電線路綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。所研究的預(yù)警系統(tǒng)適用于不同電壓等級(jí)輸電線路不同外力破壞影響環(huán)境下，且具有監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、預(yù)警響應(yīng)速度靈敏的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的桿塔監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)高空安裝方便，具有較高自動(dòng)化以及智能化，避免采用人員監(jiān)測(cè)輸電線路受外力破壞的危險(xiǎn)性，且降低維修人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)輸電線路成本。系統(tǒng)有效提升電力系統(tǒng)輸電線路輸配電穩(wěn)定性以及安全性，可應(yīng)用于不同環(huán)境下輸電線路。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)磊， 平學(xué)良， 周曉娜，等. 輸電線路防外力破壞預(yù)警技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 電子器件， 2018， 41（6）：89-94.

[2] 馬大燕. 基于自動(dòng)聚類(lèi)模型的輸電線路外力破壞預(yù)警預(yù)測(cè)[J]. 電信科學(xué)， 2019， 35（3）：141-145.

[3] 夏云峰， 宋新明， 賈志東，等. 基于巡線機(jī)器人的輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 高壓電器， 2018，54（7）：53-63.

[4] 黎炎， 李哲， 胡丹暉，等. 基于雷達(dá)監(jiān)測(cè)信號(hào)的輸電線路安全預(yù)警系統(tǒng)[J]. 電測(cè)與儀表， 2019，56（4）：70-74，94.

[5] 王海濤， 馮萬(wàn)興， 陶漢濤，等. 基于氣象參數(shù)的輸電線路電氣可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)[J]. 中國(guó)電力， 2018，51（5）：17-23.

[6] 陸俊， 朱炎平， 徐志強(qiáng)，等. 面向輸電線路監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠路由方法研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2017， 41（2）：644-650.

[7] 李震宇， 武國(guó)亮， 王志利，等. 電力微氣象風(fēng)偏災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2017，45（1）：125-131.

[8] 錢(qián)文曉， 張俊雙， 李碩，等. 極寒條件下輸電線路弧垂在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表， 2018，55（1）：60-64.

[9] 卞榮， 徐卿， 俞恩科，等. 臺(tái)風(fēng)作用下輸電塔線體系多元狀態(tài)監(jiān)測(cè)及風(fēng)偏可靠度分析[J]. 振動(dòng)與沖擊， 2020， 39（3）：52-59.

[10]劉天紹， 陳勁， 張超，等. 臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間輸電線路全線風(fēng)速分布監(jiān)測(cè)與分析[J]. 水電能源科學(xué)， 2018，36（7）：171-173，170.

[11]莊文兵， 祁創(chuàng)， 王建， 等. 基于微氣象監(jiān)測(cè)的輸電線路覆冰動(dòng)態(tài)過(guò)程估計(jì)模型[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2019， 47（14）：87-94.

[12]常安， 宋云海， 張晗， 等. 考慮參量有效性的輸電線路狀態(tài)評(píng)估方法研究及應(yīng)用[J]. 高壓電器， 2017，53（6）：72-78.

[13]熊小伏， 王偉， 王建，等. 基于天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)的強(qiáng)對(duì)流天氣下輸電線風(fēng)偏放電預(yù)警方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2018，38（4）：36-43.

[14]甘艷， 周文峰， 杜志葉， 等. 地沉降工況下桿塔應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與失效預(yù)警技術(shù)研究[J]. 電測(cè)與儀表， 2019， 56（20）：9-16.

[15]余斌， 尹項(xiàng)根， 吳小忠，等. 輸電線路在線監(jiān)測(cè)的層次化通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型[J]. 中國(guó)電力， 2019， 52（3）：166-173.

[16]謝凱， 張建中， 楊軍，等. 導(dǎo)線舞動(dòng)條件下輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的光纖研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展， 2018，55（7）：107-119.

[17]高明， 張江濤， 趙振剛， 等. 基于光纖傳感的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 31（8）：1295-1300.

[18]周志宇， 艾欣， 陸佳政，等. 山火災(zāi)害引發(fā)的輸電線路跳閘風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)分析方法及應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2017，37（18）：5321-5330.

[19]黃新波， 李弘博， 朱永燦，等. 基于時(shí)間序列分析與卡爾曼濾波的輸電線路覆冰短期預(yù)測(cè)[J]. 高電壓技術(shù)， 2017，43（6）：1943-1949.

[20]葉海峰， 談發(fā)力， 吳昊，等. 多重雷擊導(dǎo)致變電站重合閘失敗原因分析[J]. 水電能源科學(xué)， 2017，35（9）：173-176.

[21]劉毓， 陸佳政， 羅晶，等. 架空輸電線路山火同步衛(wèi)星廣域監(jiān)測(cè)與桿塔定位[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2018，42（4）：1322-1327.

[22]肖凱， 付興， 雷旭，等. 輸電線路風(fēng)致倒塌失效分析及監(jiān)測(cè)方案[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2019，36（4）：71-79.

[23]白仕雄， 劉凱， 宋梁，等. ±800 kV特高壓直流輸電線路微氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與帶電作業(yè)安全評(píng)估方法研究[J]. 高壓電器， 2019，55（6）：198-204.