基于逻辑复用功能的高压线路智能巡检系统设计

陈小龙

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司百色局，广西 百色 533000）

0 引 言

随着超高压和特高压电网的大规模建设，电力电网朝着智能化、大容量化以及大跨度输送电能的方向发展，同时超高压电网的运营和维修工作量随之增加。由于高压输电线都集中分布在户外地区，且覆盖区域较大，极易受到恶劣自然条件和人类活动的影响。此外，随着电压级别的提高，输电线被雷击的概率随之增加[1]。常规的手工检修方式需要消耗大量的人力和物力，且不能实时检修，工作效率低，检修质量也很难得到保障。因此，设计高压线路智能巡检系统对高压输电线进行实时状态监控非常必要。

1 输电线路智能巡检系统关键技术分析

1.1 物联网技术

物联网技术利用红外感应、传感器以及激光扫描等设备，通过对电、光、声以及位置等信息的采集，实现物与物之间的信息交换和通信，达到定位跟踪和智能识别等效果。基于物联网技术的高压线路智能巡检系统，通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等信息技术，对输电线路进行远程监测和智能化管理。该系统将输电线路中的智能终端、监控平台以及安全防护设备等融为一体，在一定区域内建立一个由计算机网络、传感器网络以及视频监控系统组成的物联网体系。利用现代传感器、双模电源以及多种无线通信技术，可对电力系统进行远距离、实时监测[2]。

1.2 大数据分析技术

随着网络技术的日益成熟，大数据技术已经成为当前常用的数据分析技术。大数据技术能够将不同来源的信息进行融合和分流，并按照不同的使用目的进行重新组合，对其下一步的发展趋势进行预测，做出预先的判断，并对工作过程进行优化[3]。大数据技术具有规模庞大、种类繁多、价值密度高以及计算速度快等突出优点。基于云计算的大数据技术能够将待处理的大量程序自动分成若干个小型的子项，并由多台服务器组成一个庞大的系统，实现信息的检索、计算以及分析，最终将计算的成果提交给终端服务器。

基于大数据技术的智能巡检系统，利用4G/5G网络对输电线路的监控视频图像和线路本体的运行状况数据进行实时采集，并利用大数据技术实时监测线路温度和故障灯数据，以便及时发现输电线路存在的运营隐患，避免对超高压输电线路的安全稳定运行产生影响[4]。同时，该系统可以实现与手机终端的实时数据交流，确保用户能够及时收到故障报警，从而大大提高巡查工作的效率。

1.3 复用技术

1.3.1 频分复用

频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）指将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（子信道），每个子信道传输一路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道的频率之和，能够使多路传输系统中各个通道间的传输互不干扰。该技术由于可以在不计延迟的情况下进行信号的发送，已经被广泛应用[5]。

1.3.2 时分复用

时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）是将每条信息都分成不同的时间段，每条信息都有自己的通道。由于时隙按一定的方式指派并且向前移动，时分复用传输也被称作同步时分复用，其优势在于时间分布固定，容易调整和控制，更适用于数码信号的传送。但是，其缺陷也很明显，如果一个信号源是空闲的，没有任何数据要发送，则相应的信道也是空闲的[6]。

1.3.3 波分复用

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术采用虚拟划分法将一根光纤划分为多条虚拟光纤，每条虚拟光纤的工作波长均不相同，可以在一定程度上提高光纤通信的效率和能力。波分复用是目前光纤通信网最常用的一种扩展方式，具有效率高和成本低等优点。

1.3.4 码分复用

码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是一种对不同编码进行区分的方法。将CDM 技术与其他多址技术结合在一起可以形成多种复用模式，如码分多址、频分多址、同步码分多址以及时分多址等[7]。

2 基于逻辑复用功能的智能检测系统

2.1 智能巡检系统工作原理

具有逻辑复用功能的智能检测系统主要包括3 个模块，即多功能监测基站、监测系统以及测试后台等。监控基站利用5G/4G 虚拟专用网络 (Virtual Private Network，VPN），将实时音像、数据以及报警等监控信息传送到监控中心。巡检人员可以利用手机等移动设备实时获取高压线路运行监测数据、音频以及图像等，同时可以利用5G/4G VPN 网络将监测数据上传到电力公司的集群服务供应商[8]。利用视频监测系统，可以实现对省内超高压输电线的监测。根据实际情况，综合整理采集到的有关信息资料，建立相应的数据库，方便后期的核查与监管。

2.2 系统硬件部分

智能巡检系统基于4G/5G 网络实现通信功能，在硬件设计方面融合了大数据技术、复用技术以及物联网技术等，在实现传统高压线路运行监测功能的基础上对系统进行了优化升级。系统硬件设计框架如图1 所示。

该系统在总体上实现了节能降耗，提高了芯片的集成性，并显著减少了芯片的功耗损失。在睡眠状态下，电力损失只有0.05 W。利用磷酸铁锂电池及太阳面板的周期性充放电方法，可有效延长蓄电池的使用寿命[9]。巡检系统采用抱箍回形环安装方式，可以灵活调整方向。

2.3 系统软件部分

高压线路智能巡检系统的软件架构如图2 所示。

Android 系统层主要用于对下级硬件平台的控制。图像服务主要调用系统的相机，完成图像的采集，并以JPEG 格式作为图像编码格式。视频Service 调用本系统的摄像机，以H264 格式实现图像的采集和编码。Watchdog Receiver 主要利用通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）口与串口的2 个信道与控制器进行通信，实现相应操作。Upgrade-Service提供App 的后台更新服务。应用层App 通过SMS Receiver 接收消息，通过Alarm receiver 实现定时闹钟，通过Push Receiver 收发信息，通过HTTP Receiver 来接收服务端的信息。

2.4 故障类型的判别与定位

超高压输电线路的安全、平稳、可靠运行对于高压线路智能巡检系统至关重要，而超高压输电线路是否能实现智能巡视检测是检验超高压输电线路有无商业应用价值的一个重要指标。在超高压输电线路中，对出现的各种故障进行快速辨识与准确定位，不仅可以加快超高压输电线路恢复投运的速度，而且可以有效减少线路因短期停电而导致的经济损失，极大提升了超高压输电线路运行的可靠性和安全性[10]。

2.4.1 单相接地故障

超高压输电线路中出现单相接地故障的可能性较大，正确识别单相接地故障对超高压输电线路至关重要。针对单相接地，经过故障点的短路电流很小，很难直接探测。对此，通过将特定频率的信号从母线分别输入到各个馈线，使其不仅能探测到电容电流和消弧线圈电感电流，还能探测到特定频率的信号，从而实现对单相接地故障的识别。

2.4.2 相间短路故障

与单相接地故障相比，一条线路出现相间短路故障的概率相对较低。当线路出现相间短路时，线路故障点与变电站之间将产生较大的短路电流，并循环流动。根据短路电流的大小，就可以判断线路是否已经出现相间短路故障[11]。

2.4.3 故障定位

在输电线路和电缆线路各分段加装一个测试仪，以确定各分段的故障情况。线路故障定位示意如图3所示。

图3 线路故障定位示意

当3号线上出现故障时，故障指示器1～3都动作，其他故障指示器不动作。根据高压线路故障指示器故障动作情况，当线路故障位置在3 和4 之间时，故障指示器会将线路故障信息发送至系统主站进行综合诊断，进一步判断故障原因，并准确定位故障。最后将故障信息发送至管理人员，及时对高压线路故障问题进行处理。

3 结 论

文章介绍了基于逻辑复用功能的智能检测系统，重点分析了智能巡检系统的原理、系统硬件部分、系统软件部分以及故障类型判别与定位。智能巡检系统可实现图像、音频以及数据的同步监控，利用5G/4G VPN 网络上传到集群服务器，通过特定频率信号的输入实现单相接地故障，通过安装故障指示器来进行相间短路故障定位，从而增强超高压输电线路的投运恢复能力。