输电线路在线监测系统综述

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(国家电网宁夏固原供电公司,宁夏 固原 756000)

输电线路在线监测系统综述

牛育忠,杨哲,张春龙

(国家电网宁夏固原供电公司,宁夏 固原 756000)

本文阐述了目前的输电线路在线监测技术，针对现有的视频监测技术、超声波技术以及雷达技术进行了探讨，介绍了监测技术的原理，综合比较几种监测技术的优点以及存在的不足。最后讨论了一种新型输电线路在线监测系统的构思，表明了新型输电线路若要投入运行则需要更多的完善与改进。

视频监测；超声波；雷达

1 引言

由于建设环境和地理位置的特殊性，输电线路需要跨越河流、山川、公路、施工现场等特殊场地，导致输电线路遭受诸如树木挂线、吊车碰线、违章施工、山火以及人为盗窃等潜在的外力破坏，严重威胁了输电线路的安全运行。输电线路在线监测技术是指直接安装在线路设备上可实时记录表征设备运行状态特征量的测量系统及技术，是实现状态监测、状态检修的重要手段，状态检修的实现与否很大程度上取决于在线监测技术的成功与否。本文主要在目前存在的检测技术进行了相关研究，阐述了视频监测技术、超声波技术以及雷达技术及存在的不足，表明了需要一种可以对现场状况实时监视，对现场即将要发生的各类事故，起到积极快速警告，避免现场可能产生损失的监测系统需要出现。

2 视频监测技术

目前的监测手段多为视频监测技术。当有外物入侵时，采用摄像头捕捉现场画面，采用背景差分法原理，建立高斯背景模型算法，根据捕捉到的帧与背景模型对比，判断入侵物体类型，并结合现场情况进行紧急处理。

背景差分法原理是对视频背景的场景建模，然后监测到的图像序列帧与背景模型帧进行差值运算，然后可以获得差分图像，将背景模型与差分图像中的像素值进行比较，如果改点的像素值大于给定的值则认为该点属于运动目标区域。否则为背景区域。

差分图像为：A(x,y)=I(x,y)-B(x,y)

其中:A(x,y)为查分图像;I(x,y)为当前帧图像;B(x,y)为背景图像。

其中:Q为给定的值;R(x,y)为视频监测的差分图像。

背景差分法原理是对视频背景的场景建模，然后监测到的图像序列帧与背景模型帧进行差值运算，然后可以获得差分图像，将背景模型与差分图像中的像素值进行比较，如果改点的像素值大于给定的值则认为该点属于运动目标区域。否则为背景区域。背景差分法的优点在于提取的运动目标更为完整，而且目标定位准确，处理速度快。但是该算法也容易受到外界环境如噪声、阴影等影响，同时对背景模型的要求也很高。因此，背景差分法的关键就在于背景得建模，它的准确性对算法的结果骑着至关重要的作用。针对这一现状，很多的专家和学者们都进行了大量的研究，提出了多种建模方法，在多种方法中，高斯模型的应用最为广泛。

高斯模型法可以根据某一点的像素值能否满足高斯分布来确定运动目标。当背景受到外界因素的干扰时，目标的像素值会因受到干扰而产生微小的变化，这个变化是服从高斯分布的；当视频中有运动的目标存在时，像素值会产生较大的扰动而不再满足高斯分布。

高斯分布也称为正态分布，随机变量X的取值范围为-∞≤x≤∞,概率密度函数为:

式中：μ是期望;σ是标准差;x是随机变量。

用高斯分布函数可以对背景建模，然后将视频序列中的像素值与背景模型点进行对比，从而判断该点是否属于运动目标。视频图像中的像素点用向量描述，V(x,y)=(a,b,c)其中x，y表示像素点的位置；a，b，c表示各个点的颜色分量；三个向量相互独立，每个点属于背景点的像素值概率密度可以用公式表示为:

式中:μi、σi为各个分量的标准差和期望。

如果有外物入侵，则检测到的视频像素就会产生相应的变化，此时背景图像就会更新。更新的高斯分布参数公式为：

μt=(1-α)μt-1+αXt

α是一个介于[0,1]之间的常数，通常是已给定的。如果α的值过小，则模型对外界环境的变化适应能力比较低，系统将缓慢更新背景图片；相反的α取值如果较大，系统可以很快的更新背景图片，但可能会引入噪声。

目前，输电线路在线监测应用最多的是视频监测技术，视频监测技术虽然可以准确的了解现场的情况，但是受外界环境影响比较大，而且存在盲区等缺点。

3 超声波技术

超声波探测器可以利用回波测距，在周期内监测目标与输电线路之间的距离。如果外物入侵至安全距离内，线上测距系统会通过无线传输模块经距离信息传送至监控终端，由现场人员进行判断处理，若存在隐患，则执行现场喊话，语音报警操作，及时对危险行为进行提醒并制止。

超声波的频率时高于20kHz的声波，在介质中传播的距离远，利用超声波的回波，可以进行距离的测量，而且设计方便，计算简单，测量精度较高。超声波测距原理如图1所示。

图1 超声波测距原理图

系统的工作核心是PIC16F73单片机，通过超声波发射与接收电路进行信号的发出与接收，通过单片机对接受的信号进行分析、处理并计算出目标的距离等信息。并将该信号通过GPRS等无线传输方式传输至监控终端，最后又监控人员对现场情况进行处理。

超声波技术的优点是灵速度快、敏度高、而且成本比较低等优点，但超声波技术存在探测距离短、易受干扰、发生误报率高等弊端。

4 雷达技术

雷达信号发生器可以发出连续波，经三角波形调制器调制之后，输出带有监测目标信息的信号f1,f2，然后经过滤波，A/D转换等电路进行信号处理，在通过信息传输模块送至中心处理器。如果由外物入侵，雷达模块会将入侵物体的形状，速度等信息传输至监控终端，系统将发出报警，最终由工作人员确定现场情况。

雷达传感器可以探测动态的检测目标的速度、距离以及是否存在等特征。雷达模块发射波和回波之间时间差会引起差频信号，而目标的距离和速度等信息存在于差频信号中,具体计算公式为：

式中：fD为差频；f0为雷达的发射频率；c为光速；V为运动物体的速度范围；α为运动的实际方向与传感器与监测物体连线之间的角度。

目标距离R与差频fD的关系式为：

式中:Δf为调频宽度；T为锯齿波重复周期。

雷达技术优势在于扫描分析监控范围无死角，雷达扫描分析是采用雷达监控技术手段，可根据设定的安全范围，所监测的范围为塔基地面及上空的全景的范围，完全满足监控输电线路对各个空间环境及突发性监控的要求。

5 一种新型输电线路在线监测系统

新型检测系统是综合采用雷达与视频相结合的监控系统，将雷达装置在现场部署时正对地面，其监控区域属于扇形区域，在两级杆塔之间可以涉及的范围几乎全部涵盖。系统可以采用三块雷达，三者分工明确，组成监测前中后三个范围，其中前后为斜面监测，三块雷达之间的夹角预示其监控视角，可根据现场实际情况进行自由设置达到最佳监视。当物体移动至前后雷达监视区域时，装置捕获到斜面测量距离，通过斜面与垂直夹角，迅速计算出物体的垂直高度，继而通过视频监测系统判定模型得出即将出现的危险，如果超过安全距离，判定模块会迅速将预警信息发送至集中控制单元，单元将信号快速联动发送至前端喊话与警灯装置，警示装置以声音和灯光震慑现场，起到预防作用，如果入侵物体仍旧坚持通过垂直区域，标志事故已发生。

在雷达视频分析设备联合系统中，采用功耗低雷达。雷达扫描部分可采用二次电压变换和稳压滤波处理，外部提供电源。该部分整体功耗不超过1/5，而在雷达扫描中,无破坏入侵物时，视频监控系统中的云台设备处于休眠状态，视频球机处于关机状态。这样可以使雷达视频监控系统与传统智能视频系统设备功耗比较大大缩减。雷达视频监控系统能准确定位和判断入侵物体的位置推断物体的类型，从而达到准确率高，无误报的目的。

6 结语

综合以上几种输电线路在线检测技术的研究，我们可以知道：输电线路防外力破坏应用最为广泛的是单一的视频技术，但容易受到天气的影响，而且功耗比较大。超声波技术同样有监测死角，功耗较大等不足。鉴于雷达所具有对温湿度变化噪声和光线灵敏度低以及抗射频干扰能力强等优点，作为新兴技术，将被广泛的投入到实际应用当中。但是，雷达同样存在价格、安装等问题，需要专家，学者进行进一步的研究和探讨。

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SummarizationofTransmissionLineon-lineMonitoringSystem

NIUYu-zhong,YANGZhe,ZHANGChun-long

(State Grid Guyuan Electric Power Supply Company，Ningxia 756000,China)

This paper expounds the current transmission line on-line monitoring technology,in view of the existing video surveillance technology,ultrasonic technology and radar technology are discussed in this paper,this paper introduces the principle of monitoring technology,the advantages of the comprehensive comparison of several monitoring technology and the deficiencies.Finally discussed a new kind of transmission line on-line monitoring system for idea,shows that the new type of transmission lines to be put into operation,need more perfect and improvement.

video monitoring;Ultrasound;radar

1004-289X(2017)02-0001-03

TM72

B

2017-02-22

牛育忠(1971-),宁夏固原人,高级工程师，主要研究方向电力系统及其自动化。