鐘宏宇，吳 剛，尹婷婷，喬 羽

(1.國網(wǎng)通化供電公司，吉林 通化 134001；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司人力資源部，吉林 長春 130022； 3.沈陽嘉越電力科技有限公司，遼寧 沈陽 110136)

隨著電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，架空輸電線路防外力破壞監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者們共同探討的話題。根據(jù)實(shí)地了解，架空輸電線路長期暴露在室外，其桿塔多、距離長、范圍廣的特點(diǎn)，惡劣天氣變化(暴雨、雷電、冰雹等)和諸多人為因素(盜竊、非安全距離內(nèi)的建筑施工等)對(duì)架空輸電線路造成的異常，會(huì)給電力企業(yè)和電力大用戶造成非常嚴(yán)重的后果。因此，加強(qiáng)設(shè)備、線路的遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)該提上日程。采用常規(guī)的調(diào)度安排人員對(duì)輸電線路特巡周期長、效率低、可控性差，無法提前預(yù)判[1-3]，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的需求。

基于此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并制止因各種外力破壞對(duì)架空輸電線路造成的影響，本文在常規(guī)的架空輸電線路防外力破壞監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行上科學(xué)化、模塊化，將雷達(dá)技術(shù)融入其中，研制了一套基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測，積極快速告警。該系統(tǒng)的研制可以更科學(xué)合理地指導(dǎo)后續(xù)的架空線路防外力破壞的監(jiān)測工作，系統(tǒng)采用模塊化方式，結(jié)構(gòu)清晰，具有先進(jìn)性、開放性、可擴(kuò)展性，對(duì)進(jìn)一步研究預(yù)測架空輸電線路內(nèi)部存在的潛伏性故障具有科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，同行業(yè)學(xué)者們針對(duì)輸電線路的監(jiān)控系統(tǒng)開展了大量研究，較為成熟的視頻監(jiān)測裝置能夠及時(shí)觀察到輸電線路附近的桿塔、緊急事故發(fā)生地周圍的環(huán)境動(dòng)態(tài)因素，在諸多輸電線路防外力破壞的實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，但從使用者的反饋上來看，這種常規(guī)輸電線路的防外力破壞系統(tǒng)仍舊存在如下不足[4-7]。

a.防外力破壞預(yù)防預(yù)判效果差；

b.抗干擾能力差，可信度低；

c.識(shí)別偵測物體能力差；

d.跟蹤能力差，監(jiān)測盲區(qū)范圍多；

e.監(jiān)測裝置功耗大，供電系統(tǒng)困難；

f.智能化水平低，信息統(tǒng)計(jì)能力弱，例如何種物體、大小、形狀、速度、行為模式等。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于雷達(dá)技術(shù)[8-15]的輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)在傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了科學(xué)設(shè)計(jì)，將雷達(dá)原理和視頻智能分析功能應(yīng)用其中，并將圖像處理技術(shù)、低功耗控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、系統(tǒng)自檢與恢復(fù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等集成于一體，為輸電線路智能監(jiān)控服務(wù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 主站系統(tǒng)工作原理

主站系統(tǒng)通過完成自身數(shù)據(jù)采集展示，存儲(chǔ)以往的歷史數(shù)據(jù)，并作定期統(tǒng)計(jì)，給出變化趨勢，以便于運(yùn)行專工了解現(xiàn)場的變化規(guī)律，也考慮與其他系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)互動(dòng)，起到承上啟下的作用，做好過渡中間件的功能，可通過PC客戶機(jī)訪問模式迅速了解。軟件研發(fā)考慮擴(kuò)展性、實(shí)用性、準(zhǔn)確性，自身可以獨(dú)立工作同時(shí)，最大限度降低了與其他系統(tǒng)之間的耦合，以便于安裝、維護(hù)和升級(jí)。主站系統(tǒng)工作原理思維導(dǎo)圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能概述

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括圖像視頻采集、智能監(jiān)測和監(jiān)測中心預(yù)警系統(tǒng)3個(gè)部分。

3.1.1 圖像視頻采集

工作原理是攝像機(jī)采集監(jiān)控現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻、音頻、告警等信息數(shù)據(jù)，攝像機(jī)采用可見光，實(shí)現(xiàn)定時(shí)可控布防監(jiān)控；對(duì)視頻處理單元接收的攝像機(jī)視頻信號(hào)進(jìn)行編碼以及智能算法分析，并將視頻信息和報(bào)警診斷信息通過4G網(wǎng)絡(luò)方式傳送至監(jiān)控中心或智能監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)測中心或智能監(jiān)控服務(wù)器將診斷信息和異常圖像以發(fā)送到信號(hào)觸發(fā)端，以激活語音報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖像視頻采集主要由高精度雷達(dá)接口、高精度加速度傳感器和高清紅外攝像機(jī)3個(gè)模塊組成。

a.高精度雷達(dá)接口

高精度雷達(dá)接口主要用以探測目標(biāo)(包括靜態(tài)目標(biāo)和動(dòng)態(tài)目標(biāo))的距離，以及被監(jiān)控目標(biāo)的速度矢量，監(jiān)測范圍在0.05～50 m。雷達(dá)接口面與天線面如圖3所示，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 性能參數(shù)

b.三軸高精度加速度測量

基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)采用的三軸加速度傳感器，如圖4所示。其最大優(yōu)勢在于，當(dāng)無法獲取目標(biāo)的速度矢量時(shí)，三維加速度傳感器可用來測量和彌補(bǔ)。由于體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用來測量空間加速度，能夠更精確反映入侵外物的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。性能參數(shù)如表2所示。

表2 性能參數(shù)

c.高清紅外攝像機(jī)

高清紅外攝像機(jī)如圖5所示，主要用于遠(yuǎn)程受控視頻信號(hào)采集、處理和傳輸，對(duì)攝像機(jī)及云臺(tái)的可控加熱，對(duì)攝像機(jī)外殼具有自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方常態(tài)化操作的自控控制，包括電源、圖片采集、IP編輯、斷線連接、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及紅外探測等。性能參數(shù)如表3所示。

表3 性能參數(shù)

3.1.2 智能監(jiān)測

智能監(jiān)測與智能監(jiān)測服務(wù)器進(jìn)行交互溝通，用于控制圖像視頻采集單元電源的開啟與關(guān)閉；智能監(jiān)測分機(jī)主要用來接收?qǐng)D像視頻采集單元傳遞的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、處理將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心服務(wù)器。大量的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理和遠(yuǎn)程通信等功能都是通過智能監(jiān)測分機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。智能監(jiān)測主要由智能監(jiān)測裝置主板來實(shí)現(xiàn)，智能監(jiān)測裝置主板如圖6所示。

3.1.3 監(jiān)測中心預(yù)警系統(tǒng)

監(jiān)測中心預(yù)警系統(tǒng)是所有模塊中最重要的部分，用以實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻、圖像的狀態(tài)信息以及對(duì)敏感信號(hào)發(fā)出告警。整體模塊采用集成架構(gòu)，內(nèi)部存儲(chǔ)容量大，讀寫速度快，功能可拓展。監(jiān)測中心預(yù)警系統(tǒng)主要用于對(duì)探測的信號(hào)發(fā)出警告，聲控由高功率喊話喇叭來是實(shí)現(xiàn)。

a.報(bào)警方式

報(bào)警方式主要包括現(xiàn)場報(bào)警和監(jiān)控中心報(bào)警2種。現(xiàn)場報(bào)警可連接智能視頻分析單元和聲光報(bào)警聲，警報(bào)一旦被觸發(fā)，智能視頻分析單元中的I/O開關(guān)將被關(guān)閉，以致觸發(fā)前端聲光報(bào)警器。監(jiān)控中心報(bào)警的視頻分析管理軟件安裝在某臺(tái)PC機(jī)中，當(dāng)有人為或客觀因素觸發(fā)報(bào)警，PC就會(huì)發(fā)出報(bào)警，并在管理軟件上顯示報(bào)警時(shí)間、地點(diǎn)和報(bào)警事件及現(xiàn)場圖片及錄像信息。

b.報(bào)警器連接

報(bào)警器連接如圖7所示。智能視頻分析單元提供報(bào)警輸出口，綠色端口可連接報(bào)警器或視頻服務(wù)器的報(bào)警I/O口。報(bào)警輸出端用開關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行開斷，當(dāng)AB接通時(shí)，表示產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，當(dāng)AB斷開時(shí)，表示無報(bào)警信號(hào)。

3.2 系統(tǒng)功能

基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過攝像機(jī)采集到周圍的圖片元素和視頻元素，經(jīng)過通信技術(shù)傳輸?shù)街骺乇O(jiān)控室，例如：當(dāng)畫面中1臺(tái)車輛出現(xiàn)在監(jiān)視范圍中，圖像就會(huì)將車輛的矩形區(qū)域?qū)崟r(shí)繪制，車輛移動(dòng)中，矩形也會(huì)跟蹤在車輛周圍，并在監(jiān)視畫面中告警為外力入侵對(duì)象，引起監(jiān)控值班員注意，關(guān)注事態(tài)發(fā)展過程。

基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可以防止輸電線路人為因素和客觀因素的破壞發(fā)生，可在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)辨識(shí)出輸電線路不安全距離范圍內(nèi)是否有大型的建筑施工、人為盜竊塔材行為，或有無風(fēng)箏等異物飄掛到架空線路上，對(duì)于入侵檢測、異物檢測，可以歸結(jié)為對(duì)輸電線路周圍的外界事物進(jìn)行識(shí)別、報(bào)警，以便工作人員采取有效的措施避免輸電線路危害行為的發(fā)生。

對(duì)于外力破壞的監(jiān)測，首先從現(xiàn)場圖像序列中將感興趣的區(qū)域(高大建筑機(jī)械、人體目標(biāo))從背景圖像序列中抽取出來，結(jié)合顏色特征以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域面積大小，實(shí)現(xiàn)大型機(jī)械與人體目標(biāo)的分類、檢測。當(dāng)大型機(jī)械駛?cè)氩⑼Ａ粼诒O(jiān)控保護(hù)區(qū)域時(shí)，監(jiān)控現(xiàn)場會(huì)予以發(fā)出警告，以警示該物體不得停留在監(jiān)控保護(hù)區(qū)域，當(dāng)大型機(jī)械繼續(xù)停留在監(jiān)控保護(hù)區(qū)域，進(jìn)行電工作業(yè)，如吊車臂伸展，則對(duì)吊車臂進(jìn)行檢測與運(yùn)動(dòng)跟蹤，估算吊車臂的伸展角度，并提高預(yù)警級(jí)別，警報(bào)信息將逐級(jí)上傳。當(dāng)有人體目標(biāo)進(jìn)入保護(hù)區(qū)內(nèi)并停留，現(xiàn)場語音警示，提醒人體目標(biāo)盜竊國家電力設(shè)備屬于違法行為，并將警報(bào)信息逐級(jí)上傳。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)已在國內(nèi)某供電公司推廣應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)輸電線路監(jiān)控系統(tǒng)信息量小、功耗大、抗干擾能力差的問題，在提高輸電線路的可靠運(yùn)行中具有舉足輕重的位置。

a.人體目標(biāo)檢測

圖8—圖11為檢測塔下人體目標(biāo)檢測的分析圖。

b.大型機(jī)械檢測

塔下大型機(jī)械的檢測算法原理與人體目標(biāo)檢測一致，由于桿塔下如挖掘機(jī)、塔吊等大型機(jī)械顏色與面積與人體大不相同，所以要對(duì)算法中的一些特定參數(shù)進(jìn)行修改，例如閾值分割時(shí)的閾值設(shè)定不同，面積閾值分割時(shí)的面積閾值也不同，不同機(jī)械檢測結(jié)果見圖12—圖14。

c.異物檢測

對(duì)飄掛到輸電線路導(dǎo)線上的風(fēng)箏等異物進(jìn)行檢測，利用背景建模的方法，具體算法和前面的理論一致，也要根據(jù)異物特征對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行修正，不同異物檢測結(jié)果如圖15—圖16所示。

5 結(jié)語

架空輸電線路防外力破壞系統(tǒng)在供電公司及電力用戶發(fā)揮著重要的作用，常規(guī)的架空輸電線路防外力破壞系統(tǒng)存在著諸多不足，如預(yù)警不及時(shí)、現(xiàn)場誤報(bào)率高、物體種類識(shí)別不明顯等。因此，本文根據(jù)雷達(dá)檢測高精度的智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，基于雷達(dá)技術(shù)的輸電智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)精良，構(gòu)架邏輯清晰，對(duì)檢測人體目標(biāo)、大型機(jī)械、異物均起到了良好的預(yù)警效果。