架空输电线路走廊树障在线监测关键技术研究

郑耀华

（广东电网公司肇庆供电局，广东 肇庆526060）

0 引言

线与树之间的矛盾对电网安全运行已构成严重威胁，清理树障已成为运维单位保障电力设施安全运行重中之重、难中之难的工作。线路走廊内的树木、竹子、香蕉树等年年砍、年年长，每年因架空线路走廊内树障造成的线路跳闸事件损失、清理树障消耗的人力物力和补偿费等，已成为运维单位工作中的难言之痛。针对树障问题的严重性和复杂性，笔者利用激光测距、H.264视频解压缩、无线通信和太阳能供电等技术手段，开展了架空输电线路走廊树障在线监测系统的相关研究，以提高线路运维单位树障隐患预知能力，帮助运维单位及时消除树障隐患，维护电网安全稳定运行。

1 激光测距技术

研究采用激光测距模块安装在高压输电线路的导线上，直接实时监测导线与树木之间的直线距离。激光测距模块是采用相位信息检测技术实现原理，在现有工业级激光传感器基础上进行研制，其具有精度高、功耗小、抗干扰能力强等特点，能满足导线与树障之间的距离测量精度需求，并可在高压导线上稳定运行。导线测距模块包含调制激光的发射系统、接收系统和处理系统3个部分，发射系统由一个半导体激光二极管（LD）和它的驱动调制电路、软启动电路组成；接收系统由一个雪崩光电二极管（APD）、温度补偿电路、放大滤波电路组成；信号处理部分用混频电路把发射信号和接收到的回波信号转换成低频率信号，再利用自动数字测距技术得到相位差，然后送入单片机进行处理。导线激光测距模块原理如图1所示。

图1 导线激光测距模块原理图

在激光测距模块研制过程中，还采用了调制信号稳定度、光电探测信号信噪比、混频电路噪声、测相精度处理等多种电子技术，确保激光传感器在高压强磁场环境下数据采集的精度。

2 H.264视频解压缩技术

采用H.264视频编解码技术，对输电线路走廊及其周围环境进行视频监控。H.264作为新一代开放的视频编码标准，与其他H.26X、MPEG－X视频编码技术相比，具有码率低、图像质量高、对信道时延适应性强、容错能力强、网络友好性良好等优点。但是其编码过程的计算复杂性很高，如何降低编码过程的计算复杂性，提高编码速度，是H.264视频处理技术实现的重点和难点。

研究还对H.264视频编解码算法进行了优化，采用启发式预测模式确定算法，对帧间预测、帧内预测和最佳预测模式的确定过程进行综合优化。该算法利用视频序列在空间和时间上的相关性，以及相邻的图像单位在预测失真上的相似性，推测当前宏块中接近最佳性能的预测块划分方法和预测模式。算法提供了推测错误处理机制，能保证预测块与原始图像之间实现最佳匹配。实验证明，经过优化之后，以微小的编码图像失真为代价，较大幅度地提高了编码速度，编码器的性能得到显著改善。

采用多层次优化设计方案，在程序、算法和指令3个不同层次上，通过优化程序结构、改善存储管理、合理分配资源、优化指令调度、减少Cache失效，以及利用多种DMA传输机制，实现视频处理与数据传输的重叠作业等优化关键技术，提高DSP系统中功能部件、存储资源和外部设备的工作效率，实现了视频图像的实时编码。实验结果表明，经过关键技术优化的DSP视频编码器性能有大幅度提高。

3 ZigBee＋WiFi＋3G／4G混合通信组网技术

研究采用ZigBee、WiFi和3G／4G混合无线通信技术，将导线激光测距数据、线路走廊内视频等实时数据传输到后台主站，这种组网方式具有通信自愈性好及安全性强等特点。采用ZigBee无线通信方式，实现导线测距传感器与监测主机之间的通信。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，具有功耗超低、自组织、成本低、技术成熟、运行稳定等优点。每个监测主机可接入1～16个导线测距传感器，每个监测主机可同时对1～16个导线树障隐患点进行监测。

对于有3G信号区域，现场的导线激光监测数据和视频直接通过3G网络传输到后台；对于没有3G网络的监控点，先采用WiFi＋无线接力方式将监测点数据传输到3G网络覆盖区域，然后再通过3G网络将监测点数据传输到监控中心后台。这种混合组网的通信方式能够对树障隐患重点区域、无信号覆盖人烟稀少区域、巡线难度大的高海拔山区等特殊区域线路走廊内的树障隐患点进行实时监测。无线WiFi接入方式如图2所示。

图2 无线WiFi接入方式示意图

4 架空输电线路走廊树障在线监测系统设计

4.1 系统工作原理

在上述研究成果的基础上设计了架空输电线路走廊树障在线监测系统，它由前端监控装置和后台主站两部分组成。前端监控装置由监控装置主机、1～6个导线激光测距模块、1台全方位监控摄像机和太阳能供电模块组成，其中导线激光测距模块安装在具有树障隐患点的各段导线上，它由太阳能＋锂电池方式供电，采集数据通过ZigBee网络传输到监控装置主机；监控装置主机和监控摄像机安装在杆塔上，监控装置主机采用太阳能＋蓄电池方式供电，监测数据和视频全部由监控装置主机集中处理，然后通过3G、WiFi＋3G混合网络传输到后台主站。后台主站由服务器软件和客户端应用软件组成，线路维护人员利用客户端应用软件可以远程实时浏览现场线路走廊视频和隐患点导线与树木之间的最短距离。当导线与树木之间的距离超过预警值时，后台会自动向线路维护人员发送预警信息。

4.2 系统主要功能设计

架空输电线路走廊树障在线监测系统主要设计了以下4个功能：

（1）在具有树障隐患点的导线上分别安装激光测距模块，实时采集导线各段中树障隐患点导线与树木之间的最短直线距离，并将监测数据发送到后台。

（2）在具有树障隐患的杆塔上安装摄像机，它能够水平360°、垂直180°控制旋转，对线路走廊及周围环境进行全方位监控，线路维护人员在后台能够实时浏览现场线路周围运行环境视频及导线与树木之间的最短距离。

（3）当采集的导线与树木的最短距离超过预警值时，系统能够自动以软件显示、音响、手机短信等多种方式向线路维护人员发送预警信息。

（4）在后台利用趋势分析方法，通过实时数据、历史数据和现场视频的综合分析，对线路走廊内树障隐患发展趋势进行判断，为及时消除线路走廊内的事故隐患点提供判据。

5 结语

架空输电线路走廊树障在线监测系统的研制，能够让线路管理人员实时掌握树障隐患重点区域、无信号覆盖人烟稀少区域、巡线难度大的高海拔山区等特殊区域架空线路走廊内的树障情况。当导线与树木距离超过预警值时，系统自动向线路管理人员手机发送预警信息，提醒线路管理人员对所管辖走廊内的树障隐患及时进行消除，从而维护电网稳定运行，降低线路管理人员巡线工作强度，逐步实施电网状态检修和智能化管理。

［1］刘芹，王钢，董镐，等.线路在线监测的自组织自愈无线传感器网络方案［J］.高电压技术，2010，36（3）：616～620

［2］韩蓓，盛戈碑，江秀臣，等.基于ZigBee无线传感网络的导线接头在线测温系统［J］.电力系统自动化，2008，32（16）：73～77

［3］李先志，杜林，陈伟根，等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理［J］.电力系统自动化，2008，32（1）：76～80

［4］Microchip Technology Inc.MRF24J40Data Sheet：IEEE802.15.4TM2.4GHz RF Transceiver［EB／OL］.［2012－06－11］.http：／／pdf.elecfans.com／MICROCHIP／MRF24J40.html

［5］何春.H.264视频编解码技术的研究［D］.北京：北方工业大学，2011

［6］周洲.WiFi网络切换技术的研究与实现［D］.上海：上海交通大学，2010

［7］腾劲，徐昌庆.WiFi中多AP间快速切换的研究与实现［J］.通信技术，2009，42（11）：121～123

［8］李芳，程东年.网络切换对TCP吞吐量和公平性的影响分析［J］.通信技术，2008，41（11）：107～109