输电线路主动预警式防外力破坏监控系统研究

唐晓宁，潘生国，尚凌智，毛劲松，王新喜嵇大伟，赵伟刚

（1.国网吉林省电力公司白城供电公司，吉林 白城 137000；2.杭州捷尚智能电网技术有限公司，浙江 杭州 310021）

0 引言

近年来，随着电网需求的发展和完善,输电线路的建设得到了快速的发展。但是由于输电线路所处地理位置和环境条件具有点多、面广、线长、暴露在野外的特点,因此除了要遭受恶劣自然天气的侵袭外,还有很多外力破坏引起的线路跳闸、线路被迫停电等事故，而且事故发生的概率呈上升趋势。据统计,全国近三分之一的停电事故都是因为外力破坏引起的。由于缺少有效的技术防范手段，此类问题难以得到有效遏制，呈现出越来越恶化的趋势，各电压等级线路都有发生，对电网安全运行造成了直接威胁[1]。

目前，国内线路防外力破坏工作分别从技术和管理两方面着手。技术手段主要是通过视频实时监控防范输电通道内各种潜在的外力破坏风险隐患，但是，由于输电线路分布地域十分广阔，全部进行监控十分困难。同时由于缺乏有效的警示、警告功能，实际应用效果一般。在具体的防输电线路受外力破坏工作中，投入大量人员盯守、巡查等仍是护电工作的主要手段，由此不仅带来的人员需求量大、工作效率低、费用消耗高等一系列问题，也给护电工作的有效开展造成了被动局面[2]。因此研发出高效、稳定的输电线路防外力破坏监视系统能够有效减少输电线路遭受外力破坏事故次数。

1 防外力破坏技术分析

近几年，输电线路的外力破坏现象不断地引起国家电网部门的重视，为了减少类似情况的发生，国内也陆续研制出了多种类型的防外力破坏系统，如基于加速度传感器的监测系统、基于微波感应的探测系统、基于激光的探测器系统、基于雷达的探测器系统等[3]；此外,还有视频监测系统,它也是目前阶段应用范围最广、最多的实时预警防外力破坏系统。

基于加速度传感器的监测系统，是利用加速度传感器收集杆塔被破坏时受到的撞击和割据信号，再通过滤波器和信号处理技术去除杂音，来实现对输电杆塔破坏现象的监控。基于微波感应的探测系统，利用微波感应原理,探测输电线路周围10 m以内的移动目标并获取移动目标信息[4-5]，从而达到对输电线路防外力破坏的在线监测效果。基于雷达的探测器系统，主要是根据多普勒原理而开发出的实时监测系统，它具有灵敏度高、探测范围广的特点。基于激光的探测器系统，主要利用激光检测高压线磁场强度的变化值和激光往返目标传输所需时间来确定目标物体与输电线路的位置和距离，并通过预先设定的不同等级安全距离参数值来进行预测，超过相应等级的警戒值时自动通过现场高声响喇叭警报提示、远程警示喊话，这样能在现场直接阻止危险目标对输电线路的破坏，或由调度监控中心进行后台操作处置[6-7]。

本文的主动预警式防外力破坏监控系统，是利用视频图像对输电线路场景进行三维重建，利用前端智能识别技术对大型运动目标进行实时的匹配，来确定运动目标与输电线路的位置和距离，同时设定3个级别安全等级，不同的等级会通过高音喇叭给予相应的警示；而且也可以将现场抓拍的报警图片实时地传到调度监控中心进行后台处理，由监控人员通过文字和图片的形式提醒施工人员。

2 主动预警式防外力破坏监控系统原理及系统结构

该系统是基于视频几何方法的三维重建和前端智能识别技术，实时监测输电线路走廊情况，对危及输电线路安全的外力破坏提前进行预警，防止重大事故发生。一旦遭遇外力破坏，现场装置会启动语音告警，通过高清相机现场抓拍取证，通过3G/WIFI/OPGW光纤网络将取证的信息实时上报至后端监控系统、并通过微信的方式将告警信息和现场图片发送到相关维护人员。

输电线路主动预警式防外力破坏监控系统主要包括前端设备和后端设备，系统拓扑图如图1所示。前端设备主要包括防外破预警检测单元、语音告警单元、太阳能电源供电单元。

图1 系统拓扑图Fig.1 System Topological Diagram

2.1 防外破预警检测单元

防外破预警检测单元采用一体化低功耗工业百万像素高清相机，基于DSP的快速立体匹配智能防范算法模块、Wifi、3G/4G无线等通信技术研发针对输线电路外力破坏预警检测单元，它通过对输电线路走廊施工机械和超高车辆作业等运动信息进行视频实时检测收集，并且对收集数据信息进行快速立体匹配智能防范算法的分析处理，判断，对有危险的行为发出危险作业预警信息，抓拍危险预警图片通过3G/4G无线上传信息。图2给出了实际的检测单元设备及简要的功能说明。

图2 防外破预警检测单元及结构图Fig.2 Detection Unit and Structure of Early Warning against outer Force damage

2.2 语音告警单元

语音告警单元是一款将防外破预警检测单元处理危险预警告警信息，实时快速清晰洪亮的告知输电线路走廊通过、施工作业的车辆及船只，语音告警单元具有低功耗、功率大、传输距离远、安装方便快捷等特点。

2.3 太阳能电源供电单元

太阳能供电单元在保护生态环境下充分利用新能源、新材料、新技术，主要由太阳能电池板与镁基蓄电池组合成电源供电单元，具有重量轻、循环寿命长、比功率大、自放电率低、无污染、性价比高、安全性好、放电电压平稳、温度性能好、气压特性好、轻巧安装方便等众多特点，适用于铁塔安装使用。

2.4 后端中心管理单元

后端中心管理单元包括数据库服务器、计算机工作站、网络设备等。主要是对前端预警信息集中管理处、存储、发布工作。该单元可通过客户端软件对端设备进行设备管理、任务管理、信息查询、用户管理、权限管理、设备状态、系统设置、统计报表等功能管理。

3 应用实例分析

随着经济的快速发展，开发力度的加大，大型施工机械对高压线路的威胁也越来越大。为了减少这类事故的发生，研制了一套主动预警式防外力破坏系统，并在实际应用中取得了很好的效果。图3给出了产品的实际安装结果图。

图3 现场安装图Fig.3 Field Installation

在实践测试中，数据发送成功率大于99%，平均无故障时间35 000 h，异常物体虚报率小于20%，异常物体漏检率小于20%。500万像素高清智能相机能够有效监视两级杆塔之间的输电线路走廊，视觉监视范围最远达到500 m，宽度达到50 m，高度达到40 m（立体监视区域如图4所示），最小可以检测500 m范围内0.4 m×0.4 m大小的物体,而且相机可同时监控64个目标；杆塔上的主告警装置语音声强度不低于100 dB，即使施工人员在环境噪杂的施工车仓内也能听到告警，并及时制止对输电线路的破坏，同时也保证了自身的安全。根据实际检测，装置休眠功耗小于0.5 W，运行功耗小于10 W，语音喇叭功耗小于15 W，500万像素相机功耗小于7 W，主控及通信功耗小于2.5 W，因此选择了配套的蓄电池和太阳能板，在连续阴雨一周内，系统能够正常运行；太阳能板必须面朝南方，以倾角45°安装，保证太阳能板以最大功率充电。

图4 输电线路走廊立体监控区域Fig.4 Stereo Monitoring Area of the Transmission lines

4 结语

由于不同类型的防外力破坏系统的研发成功和应用,明显减少了外力破坏导致输电线路事故的发生,保证了输电线路的安全性、提高了供电设施可靠性。从市场和实际应用中可以看出，视频监控装置仍然占主流地位，且在不断地优化基础算法和提出更好的预测、分析数学模型,提高处理数据的准确性，缩短处理时间，增强监测的实时性、智能性，从而满足未来电网发展的要求。

主动预警式防外力破坏监控系统能有效、快速、智能判断输电线路是否有外力破坏行为，并实时控制声光报警系统，也可以由后台监控中心通过文字以短信或微信的方式及时告知施工人员，以便及时阻止破坏行为的继续。而且如有破坏行为发生能够及时抓拍证据上传到监控中心，并通过信息的方式发送到维护人员的手机上，能够对产生的故障进行及时的恢复。

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