输电线路分布式山火监测系统在湖南电网的应用

刘毓，李波，罗晶，杨胜杰，章国勇，张艺婷

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410129；2.国网湖南省电力公司益阳供电分公司，湖南益阳413000)

输电线路分布式山火监测系统在湖南电网的应用

刘毓1，李波1，罗晶1，杨胜杰1，章国勇1，张艺婷2

(1.国网湖南省电力公司防灾减灾中心，湖南长沙410129；2.国网湖南省电力公司益阳供电分公司，湖南益阳413000)

本文研究了输电线路山火分布式监测系统，通过安装在山火高发点的远程终端进行可见光/红外热成像数据采集，通过GPRS无线通讯通道传输至后台管理软件，并自动识别火点信息，实现对山火的近距离实时监测告警，为电网山火监测预警提供了新的手段，可提高输电线路山火防治效率。通过在±800 kV宾金线上的应用来看，山火监测效果良好，值得推广应用。针对系统存在能耗过大和无线通信信号较弱的问题，本文分别提出了利用风光互补和高压互感取电供能以及基于北斗/CDMA/GPRS多模通信模块的展望，为后续研究与提升提供参考。

山火；分布式监测；红外热成像；互感取电；多模通信

受人民群众的生产生活用火习俗和气象等因素的综合作用，每逢春节、春耕、清明、秋收等时节，当遭遇持续干燥的天气时，湖南省易爆发输电线路大面积山火，引起线路跳闸〔1－3〕。当多条线路同时跳闸或出现保护拒动等情形时，可能造成大面积停电事件，对大电网的安全稳定运行构成了严重威胁。例如，2012年清明期间，受生产祭祀活动的影响，湖南、湖北、浙江、安徽等地区输电线路山火频发，引发多起500 kV交流线路停运故障，仅湖南省220 kV及以上电压等级输电线路山火跳闸就高达11条次〔1〕；2013年，1 000 kV特高压交流线路发生的3次跳闸均由山火引起，最长一次引起线路停运达3天之久。山火灾害已成为影响大电网安全运行的重大隐患。

为了对输电线路山火进行有效监测，国家电网公司采用了多种方式，包括气象卫星遥感监测〔3〕、固定地点安装烟火探测装置以及派护林员进行人工蹲守监视等，取得了一定的成效，但监测手段较为被动，仍然存在很多不足。

文中研究了基于热红外技术的输变电线路分布式山火监测系统，实现了对输电线路附近山火的近距离实时监测，并成功在±800 kV宾金线得以应用，提升了电网输电线路山火的监测预警能力。

1 系统原理与关键技术

1.1 热红外成像

自然界的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(－273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线〔4〕。红外线是一种电磁波，波长范围为0.78～1 000 μm(如图1所示)，反映物体表面的红外辐射场，物体温度越高，辐射出的红外线能量越大。不同温度的物体辐射出的红外线经红外热探测器吸收，产生电效应，电信号经处理，得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热成像(如图2所示)。

图1 电磁波图谱

图2 热成像原理

采用非制冷红外焦平面感应器和图像处理算法，当发生山火时，该区域辐射的红外线能量比周围区域大得多，从红外热成像中可自动识别并发布告警。

1.2 系统原理

输电线路山火监测装置主要通过红外热感应原理进行山火监测，利用红外热感应传感器检测周围环境温度，当检测到温度超过阀值时，红外热感应传感器立即输出报警信号至主控器，主控器检测到此信号后立即打开可见光摄像机电源进行图像采集，然后进行图像分析识别，判断是否为山火。当判断为山火时，立即将采集的图像、线路杆塔信息及山火对线路影响的趋势通过短信方式通知相关线路运维人员，同时监测装置将现场视频信息压缩编码后通过无线网络传输至后台管理软件，以便线路运维人员查看。系统原理图和监测实况对比分别如图3，4所示。

图3 系统技术原理图

图4 可视光图像与热红外图像对比

1.3 关键技术

1.3.1 热红外山火识别与图像增强技术

红外图像具有高背景、低反差的特点，目标占用的动态范围相比于背景辐射所占的比重过小〔5〕，加上输变电线路山火监测距离远、地形条件复杂、植被密集遮掩、火点面积小等特点，为了提高辨识准确性，需要对图像进行增强处理，以提高图像信号的温度对比度，使得系统可在红外环境中捕捉微小温差目标。

文中采用红外图像细节增强算法进行处理。原始图像经过中值滤波去噪后得到De_no再由5×5均值滤波得到低频图像Low，如式(1)所示:

则细节图像Det可由De_no减去部分低频图像得到:

De_no由低频图像和高频图像构成:

由式(2)、(3)得:

式(2)—(4)中W为权重，用来控制低频图像的比重，Low比重越小，背景信息越易丢失，Low比重越大，细节增强越不明显，在实际应用中根据需要进行选择。

1.3.2 嵌入式控制板开发与控制策略

嵌入式控制板负责现场数据采集通信及相关控制策略，根据系统内核及硬件配置选择合适的开发环境来实现。由于输电线路山火监测半径1～2 km，单一的视频扫描策略难以覆盖全部区域，需根据实际情况对控制策略进行优化，包括扫描频率及路径设置、焦距调节等，同时在阴雨天等山火发生概率较低的情况下，合理减少扫描次数，节约系统耗能。

2 应用情况

2.1 应用效果

2015年5月，国网湖南省电力公司在±800 kV宾金线湖南、贵州段安装了59套分布式山火监测装置，并接入至国家电网公司输电线路山火监测预警中心主站系统，为国家电网公司电网山火监测提供了新的监测手段。

从2015年6—12月，上述分布式山火监测装置监测到宾金线湖南、贵州段山火点26个，经现场验证为山火的有23个(主要为农民焚烧秸秆、烧荒引起)，为山火防治提供了有利的指导。

2.2 存在问题

2.2.1 系统能耗过大

系统配置太阳能电池板对蓄电池进行充电，其峰值功率为50 Wp(Wp表示最大输出功率，即在太阳辐射强度1 000 W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃的标准条件下，太阳能电池板的输出功率)。按长沙的光照条件，每天折算成标准光照时间约为3.2 h，即太阳能电池板平均每天可为蓄电池充电:

该充电量难以满足系统功耗。若出现连续阴雨天气，电量将大幅下降，太阳电池板的输出功率大约在额定功率的5%～15%，即8～24 Wh，蓄电池当天释放的能量将难以得到有效补充。为了减少系统功耗，延长工作时间，采用以下方法:

1)采用基于ARM的嵌入式中央处理器(CPU)，可降低系统的待机功耗。

2)采用低功耗巡检策略。每隔30～60 min扫描一次，平时将探测镜头关闭。在山火高发期采用人机结合的方式运行。

3)利用温湿度气象传感器监测数据控制系统启停。例如，在湿度大于99%时，可认为不会发生山火，此时将系统关闭储能。

2.2.2 无线通信通道信号较弱

目前系统使用的是基于公网的无线GPRS (General Packet Radio Service)技术提供通信通道，受无线信号覆盖面的影响，一些安装在偏远高山上的分布式监测装置信号差，难以及时传输视频数据。

3 结论与展望

分布式山火监测系统在湖南电网的成功应用，为电网山火监测提供了新的手段。中国山火高发地区面积广，输电线路错综复杂，仅仅数10套分布式监测装置不足以满足山火监测工作的要求。因此，为了提高电网山火监测力度，应加大输电线路分布式山火监测装置在全国的推广力度。

针对所述系统能耗过大的问题，后续的研究可从以下两方面入手:1)研究适合于输电线路杆塔安装的风光互补功能装置，利用风力与太阳能一起供电；2)研究高压互感取电装置，实现非接触方式从高压线侧感应取电，为分布式监测装置提供不间断电源。

针对所述无线通信通道信号较弱的问题，后续研究可从北斗卫星导航系统入手，研究基于CDMA (Code Division Multiple Access)、GPRS通信和北斗通信的多通道通信方式，设计北斗/CDMA/GPRS多模通信模块，集成北斗、CDMA和GPRS 3种数据传输方式，可大大提高数据传输的可靠性。

〔1〕陆佳政，刘毓，吴传平，等.输电线路山火卫星监测与告警算法研究〔J〕.中国电机工程学报，2015，35(21):5511-5519.

〔2〕陆佳政，刘毓，杨莉，等.输电线路山火发生规律分析〔J〕.消防科学与技术，2014，33(12):1 447-1 450.

〔3〕陆佳政，吴传平，杨莉，等.输电线路山火监测预警系统的研究及应用〔J〕.电力系统保护与控制，2014，42(16):89-95.

〔4〕黄永义.普朗克黑体辐射定律的建立过程〔J〕.广西物理，2011，32(3):32-37.

〔5〕辛富国，李荣芳，权东晓.一种红外图像细节增强算法〔J〕.太赫兹科学与电子信息学报，2014，12(3):440-444.

Application of distributed monitoring system for transmission line nearby wildfire in Hunan power grid

LIU Yu1，LI Bo1，LUO Jing1，YANG Shengjie1，ZHAGN Guoyong1，ZHANG Yiting2
(1.State Grid Electric Power Corporation Disaster Prevention and Reduction Center，Changsha，410129，China；2.State Grid Electric Power Corporation Yiyang Power Supply Company，Yiyang，413000，China)

The distributed monitoring system for transmission line nearby wildfires are studied in this paper.The visible/ infrared thermal imaging data are detected by the remote terminal，which is installed at the fire risk area.The data are transferred to the background management system by GPRS wireless commucication channel and the fire spots are automatically identified，realizing the close range and real-time monitoring and alarm of wildfires.This paper provides a new method for transmission line nearby wildfire monitoring and early warning，and thus improves the prevention efficiency of wildfires.The application in±800 kV Binjin Line shows the monitoring effect is good，which means it is worth popularizing and applying. Aiming at the two disadvantages of large energy consumption and weak wireless communication signal，wind＆light complementary and high voltage mutual induction electric energy supply method and multimode communication module based on BEIDOU/CDMA/GPRS are proposed respectively，providing reference for further study and improvement.

wildfire；distributed monitoring；infrared thermal imaging；mutual induction；multimode communication

TM726

B

1008-0198(2016)05-0044-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.011

刘毓(1986)，男，工学硕士，工程师，主要从事输变电设备防灾减灾技术研究。

2016-02-01

国家电网公司项目(5216A015001M)