基于无线自组网的输电线路视频监测系统研究

岳一石，王成，李根，祝迪，周卫华，张命强

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司株洲市供电分公司，湖南株洲412000；3.湖南省电网工程公司，湖南衡阳421002)

基于无线自组网的输电线路视频监测系统研究

岳一石1，王成1，李根2，祝迪3，周卫华1，张命强3

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司株洲市供电分公司，湖南株洲412000；3.湖南省电网工程公司，湖南衡阳421002)

为解决现有架空输电线路通道人工巡视效率较低的问题，本文基于无线自组网技术，研制了输电线路视频监测系统，简述了其系统原理与技术特点，详细介绍了监测装置各模块的具体设计方法。系统运行结果表明，该系统终端装置能够有效采集输电线路通道的视频信息，通过无线自组网实现视频数据的安全高效传输，大幅降低通信费用，运行人员在监控中心站可及时掌握对线路绝缘子及通道情况，大大提升了输电线路运维效率。

线路巡视；无线自组网；输电线路；视频监测；网桥

架空输电线路定期巡视，能够发现和消除通道内树竹、外力破坏点等隐患，是保障架空输电线路安全稳定运行的重要措施〔1〕。随着输电线路的快速发展，越来越多的输电线路架设在山地、丘陵等复杂地形区域，交通不便给运行人员的巡视工作带来诸多不便。同时，定期巡视存在巡视周期内的盲区问题，无法及时获知两次巡视间输电线路及通道状态的变化〔2〕，为架空输电线路的安全稳定运行带来了极大隐患。

视频/图像监测系统可实现架空输电线路设备及通道的实时监测〔3－4〕，在人员难以到达区段或者重点监控区段安装视频/图像监测装置，运行人员可随时调取图像或视频信息，及时获取杆塔或通道状态，大大减少运行人员的工作量，利于及时发现隐患，提高了隐患处理的效率。目前输电线路视频/图像监测系统均采用3G/4G移动网络实现数据传输〔5－7〕，山区较差的移动网络环境导致信号传输可靠性差，同时存在安全性差、通信费用高等问题。

针对目前输电线路视频/图像监测系统的不足，研发了一套基于无线自组网的输电线路视频监测系统，首先对系统原理进行了详细介绍，然后对监测装置各功能模块设计进行了阐述，最后对系统应用进行了介绍。

1 系统原理

系统采用5.8 GHz无线网桥方式〔8〕，实现输电线路全线各监测装置的互联通信〔9〕，如图1所示。线路上各监测装置均安装有5.8 GHz芯片，通过网桥的点对多点方式进行级联桥接组网，采用环路无缝对接的加密无线网络传输方式，每一个监控点既做发送点也做接收点。监控点CAM1将监测数据传输至监控点CAM2，CAM2接收CAM1监测数据后，向CAM1发送接收成功信号，同时将本机监测数据以及CAM1监测图像数据传输至CAM3。当CAM2出现网络故障，CAM1未收到CAM2所发送接收成功信号时，CAM1将监测数据传输至CAM3监控点，实现链路数据传输。线路终端监控点接收到前一级数据后，将链路上各监测点数据通过电力专网传输到监控终端。

图1 系统原理

各监测装置通过监控中心向链路上各装置发送主动邀请控制指令或定时发送的方式，将远程无人值守或巡线人员无法到达的现场图片、视频数据传输至中心站监测服务器，运行人员在监控中心可以实时查看线路现场画面，获取输电线路现场的实时视频信息，实现对输电线路的远程实时在线巡检。

2 监测装置设计

监测装置安装于导线上，采用导线等电位取能方式，实现输电通道视频监测与组网传输功能。主要包含摄像头、视频编码模块、无线通信模块、传输天线及取能模块，如图2所示。

图2 监测装置结构

2.1 视频编码模块

视频编码模块具备远程受控视频信号采集、处理和传输功能。监控摄像头采集输电线路、塔杆及塔基的现场状况视频信号后，将视频数据送入视频编码模块。

视频编码模块采用华为海思Hi3515处理器加TW2866视频模数转换器组合方案，前端及后端摄像头采集视频信号以CVBS信号格式输入TW2866。TW2866将两路PAL视频信号合成一路4D1BT.656，转换成数字信号通过BT.656接口输入到Hi3515处理器。Hi3515处理器收到视频数据，经过图像处理后，进行H.264编码，编辑成10 s的小视频输出，同时实现抗闪烁处理、视频图像缩放、视频的编码运算等功能。

Hi3515处理器将编码视频数据传至无线通信模块，实现数据的输出。同时，Hi3515处理器处理无线通信模块接收监控中心控制命令，实现监控摄像头自动对焦、白平衡等功能。

2.2 无线通信模块

无线自组网模核心设计块采用AR7240加AR9280架构，通过定向天线收发相邻监测装置的数据，每一个无线通信模块将各监测装置构成局域网链路。

AR7240采用以存储器为中心的架构，与AR9280的802.11n MAC/基带/射频芯片协同工作，实现802.11 a/b/g/n无线网络性能。AR9280实现2.4 GHz和5 GHz 802.11n无线局域网(WLAN)的要求，集成基带处理器，可实现低功耗无线路由。

无线通信系统容易受到电磁环境、多径效应的影响，为了保证通信系统的可靠性，需要对系统增益进行余量计算，无线信号空气传播如图3所示。

图3 无线信号空气传播示意图

其中发射器发射功率为Pout，发射端馈线损耗为Ct，发射端天线增益为Gt，空气的信号衰减PL，接收端天线增益Gr，接收端的馈线损耗为Cr，接收端的信号强度为Si，则接收端的信号接收强度计算为:

电磁波在空气传输时的信号衰减可以表示为:

其中F为信号频率(MHz)，D为传输距离(km)，采用5.8 GHz频率的网桥组网，式(2)可以表达为:

采用AR7240加AR9280方案网桥，最大输出功率Pout为20 dBm，天线采用内置集成定向天线，信号无损耗，因此Cr和Ct均为0，接收点采用14 dBi定向天线。当CAM1和CAM3之间的距离为1 km，接收的信号强度Si为－60 dBm，系统AR7240加AR9280网桥的接收灵敏度为－73 dBm，满足信号传输要求。网桥的接收灵敏度越小，在发射端网桥信号覆盖范围内，接收信号越好，误码率越低。AR7240加AR9280的接收灵敏度－73 dBm，表征其接收端最小能识别－73 dBm功率的发射信号，在该信号强度下，接收的数据准确率达99%以上，因此当接收信号强度为－60 dBm时，网桥能准确接收到不丢包的数据。

2.3 传输天线

传输天线采用内置集成定向天线设计，发射天线辐射的电磁波能量指向上、下级监测装置。接收天线设计为定向接收来自上、下级监测装置方向的电磁波。为了应对山区等地形对信号传输带来的影响，天线采用双极化设计以提高增益，设计时将垂直平面的半功率角控制得越小，偏离主波束方向时信号衰减得越快，越容易调整天线倾角和准确控制覆盖范围。

2.4 取能模块

系统利用电磁感应原理，通过硅钢材料耦合线圈获取导线电流产生的交变磁场能量，将磁场能转化为电能。铁芯线圈输出经过整流桥将感应到的交流电流整流为直流电流，将经过滤波电路处理后的直流电送入稳压电路进行稳压。空载状态时，使用过充保护电路对锂电池进行充电；负载状态时，取能模块在输出负载模块所需要的电压，对负载模块进行供电的同时，向锂电池进行充电。当输电导线上的电流不足时，可由锂电池经过保护电路对负载进行供电。此外，在整流输出端设置了过压过流保护电路，避免过压过流对整个负载模块造成损害。

3 系统应用

输电线路上各基杆塔监测数据通过无线自组网传输至服务器后，视频监测平台作为终端部分实现监测视频数据的展示以及各监测终端的控制，如图4所示。

图4 输电线路视频监测系统主界面

通过设置某条输电线路视频的采集时间、视频时长、采集间隔等参数，可以实现输电线路上整线或指定区段杆塔视频数据的定时采集和发送。同时，通过实时采集视频数据功能，触发各监测装置采集该时刻视频数据，并通过无线自组网络进行发送。

当线路中存在 “三跨”、外破等隐患点时，可以通过在隐患点附近导线安装监测装置，实现外破等隐患点的监控。运行人员在监控中心就可以全面掌握线路通道、 “三跨”区段或外破隐患点的情况，及时了解现场信息，快速发现故障隐患，迅速实现现场复核和及时消缺，大大提高了输电线路运维人员的工作效率和技术水平。

4 结论

1)针对目前架空输电线路基于3G/4G移动网络视频监测系统通信费用高、信号稳定性差等不足，研制了一套基于无线自组网技术的输电线路视频监测系统，利用5.8 GHz无线网桥方式实现输电线路全线各监测装置的通信自组网，通信速率高、安全性好，通信费用大幅降低。

2)该系统可实现线路走廊、 “三跨”区段、外破、山火隐患点等重点区段的实时监测，便于运行人员及时了解现场信息，大大提高了输电线路运维人员的工作效率。

〔1〕童达，李达，王杰.输电线路状态巡视周期的季节性因素分析〔J〕.设备管理与维修，2016(8):26-27.

〔2〕徐家勇.输电线路状态检修 〔J〕.云南电力技术，2009，37 (6):23-24.

〔3〕廖敏.基于3G的输电线路视频监视系统的实现 〔J〕.电力系统通信，2012，33(7):63-65.

〔4〕周伟才，谭卫成.高压架空输电线路视频在线监测系统研究〔J〕.广东电力，2011，24(7):41-44.

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〔6〕张予，胡晓黎，肖运东，等.输电线路冰风图像监测系统〔J〕.电瓷避雷器，2008(6):13-16.

〔7〕王炫，李红，丛琳.基于无线通信和光通信的高压输电线路监测系统 〔J〕.电网技术，2009(18):198-203.

〔8〕刘作学，代健美.WiFi－Mesh无线自组网系统关键技术综述〔J〕.装备学院学报，2016，27(2):95-101.

〔9〕张健，华巧.5.8 G无线宽带技术在电力系统应用的可行性分析 〔J〕.电力科学与技术学报，2005，20(4):9-13.

Research on Transmission Line Video Monitoring System Based on Wireless Ad Hoc Network

YUE Yishi1，WANG Cheng1，LI Gen2，ZHU Di3，ZHOU Weihua1，ZHANG Mingqiang3
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Zhuzhou Power Supply Company，Zhuzhou 412000，China；3.Hunan Power Grid Engineering Company，Hengyang 421002，China)

In order to solve the problem of low efficiency generated by manual inspection of existing overhead transmission channel，a transmission line video monitoring system is developed based on wireless ad hoc network，the composition and the technical features of which is described，and the designation of the on-line monitoring unit is introduced in detail.The running results show that the videos of the transmission channel can be monitored by monitoring units.The video data can be transferred by wireless ad hoc network safely and efficiently and the communication costs are reduced significantly.The operators in the monitoring center can grasp the state of the line insulators and channels timely，the efficiency of operation and maintenance of the transmission line is enhanced greatly.

transmission line patrol；wireless ad hoc network；transmission line；video monitoring；network bridge

TM72

B

1008-0198(2017)04-0001-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.001

2017-03-23

岳一石(1986)，男，博士，工程师，主要从事高压输电线路防雷、在线监测方面的研究。