输电线路防外力破坏激光预警系统的研制

杨力++朱海波++黄静

摘 要 本文针对目前输电线路受外力破坏日益严重的现状，研制出一套输电线路防外力破坏激光预警系统。该系统采用了激光智能检测技术和无线视频监控技术，实现了电网后台监测维护中心对输电线路的实时监测。本文详细介绍了该系统的核心组成部分和激光预警的工作原理以及该系统的创新功能和特点。

【关键词】激光智能检测技术 无线视频监控技术 防外力破坏 电场强度变化 紫外脉冲法

1 绪论

电路系统输电线路密集，运行环境复杂，外力破坏造成输电线路跳闸的案列逐年增加，对电网安全稳定运行造成了严重威胁。目前常见的电力设施外力破坏主要有违章施工、违章建筑物、高杆植物、山火及鸟害等形式。分析总结各种外力破坏的成因及现状，提出研发一套输电线路防外力破坏的预警系统尤为重要。为了提高电力行业高压输电线路的现代化管理水平，及时预警、发现外力破坏隐患并消除，降低输电线路故障跳闸率，方便输电线路全天候实时在线监测，保障输电线路安全稳定运行，需要研制出适用于电力系统输电线路防外力破坏的预警系统。

目前现状分析：

（1）随着城市建设的日益加速，输电线路附近的施工现场越来越多，在输电线路走廊下方进行施工以及塔吊、泵车等超高设备超越架空线路时，极其容易引起导线切断、车毁人亡的重大安全事故，严重影响输电线路的安全稳定运行。

（2）输电线路长期暴露在野外，存在着分布区域广、传输距离远、地形条件复杂多变、受环境影响大等特点，给防外力破坏工作带来极大的难度。

（3）输电线路反外力破坏工作是一项长期的、艰苦的、复杂的工作。在当前线路走廊附近施工项目越来越多的情况下，人工现场监护施工行为的方式效率低下，特别是巡视人员的巡线工作量巨大，传统的无线视频监控装置对施工现场缺乏智能预警的功能。

随着“智能电网”战略的实施，各级领导对电网建设的安全、效率和可靠性提出了更高的要求，大力提倡科技兴安。为了实现对高压输电线路全天候，实时监控，满足当前高压输电线路、塔基安全监控实际需求，将高压输电线路、塔基的安全防护系统建设成为“安全防范无漏洞、安全管理现代化、安全信息智能化”的综合型、高科技的安全防护系统，经各方领导、专家构思论证，本文提出并研制开发了输电线路防外力破坏激光预警系统。通过在电力系统高压输电线路安全运行过程中加入本监测预警系统，可以实现：

（1）利用激光检测和无线视频传输装置对输电线路外部施工频繁的区域进行全天候待警，实时监测，及时预警外力破坏隐患，有效杜绝电力事故的发生。

（2）后台监测维护中心的运行管理人员可以及时、实时地了解现场信息，将事故消灭在萌芽状态，从而大大减少了巡视人员的巡线工作量，防止超高吊车、大型施工机械的闯入、铁塔碰撞以及其他外物入侵对铁塔和线路造成的破坏。

（3）一旦外物超越安全距离，该预警装置就会自动通过现场高音喇叭报警提示、远程喊话，以阻止物体对高压线的破坏，并通过实时抓拍图片，实时上传视频，第一时间将报警信息和视频资料传送到电网后台统一监控中心，监控端可以通过视频画面、数据分析以及报警提示等信息准确的判断出输电线路当前的安全状况，及时组织人员采取相应的应急措施。

（4）可以为事故分析、责任认定提供重要的原始资料，通过对存储图片、视频资料的进行回放，为事故原因分析提供客观的证据。

（5）独立网络服务器在线监测，多级权限设置，统一管理，保密性强，对高压输电线路的现代化管理提供了有力保障。

本文首先介绍了所研制的输电线路防外力破坏激光预警系统的结构和总体设计，其次介绍了该系统各组成部分的设计原理和具体实现，重点介绍了系统中应用的智能激光检测技术的工作原理，最后介绍了该系统可以实现的功能、特点及应用场合。

2 系统结构及总体设计

本文提出的输电线路防外力破坏激光预警系统的整体结构如图1所示。

该系统主要由3G无线视频服务器、GSM报警主机、激光探测器、声光报警器，红外高速云台摄像机、CPU数据处理器和监控中心管理平台组成。现场信息采集主要红外高速云台摄像机来完成，3G 无线视频服务器完成现场图片、视频资料的上传工作，激光探测器检测由于外物入侵而引起的电场强度的变化值，还原为强度信号来确定外物体与高压线的位置距离，按照预先设定的几级安全距离参数值进行预报警。

该预警装置和其他辅助设备在铁塔固定好后，激光探头的激光射线基本水平对准两塔之间输电线弧下垂位置。管理人员或监控室通过手机或计算机向激光报警装置控制主机发布指令后系统进入工作状态，一旦发现物体超过警戒距离和警戒高度触发警报（用户可根据现场实际情况进行自行设备初始值和其他档位），现场高音喇叭发愁声响警报语音提示，主机同时将报警信息（塔名、位置、报警距离）通过GSM无线网络发送给相关管理工作人员，管理人员可直接进行远程喊话提示，或与电力110实现联网处理。自动触发图像、视频采集，通过3G、4G无线网络向监控中心在线实时传输现场图片、视频。系统同时设定物体超过初始警戒线值后进一步靠近高压线是的多档位报警值便于管理人员评估外来物体高危动作风险，采取紧急操作措施。

监控中心管理平台可实现现场音视频的远方监控，对现场图像资料进行收集整理，留待今后研究分析。本系统的无线视频服务器和GSM报警主机可以通过中国电信CDMA 2000、中国移动TD-SCDMA或中国联通WCDMA任意一家无线通信网络，實现向监控中心管理平台的现场图像、数据上传。

本系统总体设计遵循的原则如下：

（1）防外力破预警系统各单元功能部件要优化组合，结构合理、安全可靠、抗干扰性能好、符合户外安装要求，能够解决安装环境通用工序的复杂性、安全性等实际问题。

（2）系统电源部分的供电要智能化，增加电池的续航能力，以便保障系统的正常运行。

（3）准确判定高压电场环境的外来物进入状况，及时通过无线网络上传信息数据到后台管理中心服务器，并可以保留存储。

（4）便于安装，适应性好，操作简便，能够适用于多种电压等级线路、杆塔环境、应用环境的监测环境。

3 系统主要设备的设计和选型

3.1 现场信息采集部分

该部分的核心设备是红外高速云台摄像机和无线视频服务器。通过控制球机的云台来调整装置监测的方位，将输电线路的现场环境实时转化为图像、视頻信号。

本系统选用了无线网络摄像系统，它具有使用方便、无需布线、安装简单、图像质量清晰、稳定可靠和使用灵活等特点，完全满足视频信号实时清晰传送的要求。其核心技术是基于MPEG-4的数字视频编码标准，带宽占用较低，并可实现图像的优质传输和存储，而且传输距离较远，可以满足实时传输的要求。另外还支持多种录像模式，包括定时录像、手动录像、移动侦测录像、报警录像以及它们的组合，目前支持的组合是移动侦测录像和报警录像。3G无线视频摄像机通过3G信号将远程监控端视频传输到服务器，用户通过客户端在线浏览远程实时视频，无需任何铺线成本，方便快捷。

3.2 激光探测技术及设备选型

激光探测器是采用紫外脉冲法的高压输电系统放电非接触式检测方法，该方法能实现对高压电场环境放电的远距离精确定位的定量检测，可准确判定高压电场环境的外来物进入状况，分析高压电场环境中外来进入物对地放电的基本特征.以及还原成强度信号（外来物距离导线的远近），高压电晕放电外来进入物对地放电的光谱特征，采用一定频率的波段紫外双光谱的方法来实现放电检测与定位。

利用激光传输检测高压线周围电场的变化。【进入的物理介质如汽车吊车；环境，湿度，回路，能引起对周围空气进行微小放电，这样就可以把激光束所含的调制信号与原有的变化信号的强度信息比对分拣出来，还原为强度信号】通过接收谐频，选频，稳频，把所需的变化信号比对分拣出来，还原为强度信号来确定外物体与高压线的位置距离，按照预先设定的几级安全距离参数值进行预报警，超越基本警戒值或其它预设值时自动通过现场高声响喇叭警报提示、远程报警、远程警示喊话，直接在现场阻止超高物体对高压线的破坏，或由调度监控中心进行后台操作处置；根据相对位置距离计算分析，对高压线下的入侵物进行长期监控，实现超高报警；根据传感器探测实现铁塔倾斜报警、撞击报警，每天自动检测周围环境便进行预警提示。简单原理示意图如图2。

由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。

3.3 GSM报警主机单元

GSM报警主机是一个具有PLC和RTU功能短信远程测控终端。它使用GSM短信（控制器需插入手机SIM卡）作为通讯手段，采用工业级设计标准，可以作为报警主机单独使用，根据本机自带的开关量和模拟量输入产生报警，并可实现联动输出。模块可以设置报警延迟，短信报警次数，支持不同短信发给不同用户或用户组。

激光探测主机在预警到异常信号后，通过 DSP处理器进行高速识别运算，精确探测危险距离点并联动GSM无线模块将报警信息（包括塔名、位置、危险距离值）通过 GSM 无线网络发送给相关管理人员，管理人员可以直接进行远程喊话提示或与电力 110 实现联网处置。对与视频监控联动的自动触发的图像、视频采集，可通过3G/GPRS/WCDMA 无线网络向监控中心在线传输现场实时图像、视频数据。系统同时设定物体超过初始警戒值后进一步靠近高压线时的多档报警值，便于管理人员评估风险，采取紧急措施。

3.4 后台监控管理系统

运行管理人员可以通过主站服务器或者远程登录，查看线路监控图像，从而实现对输电线路全天候监控。可以随时通过智能手机、便携式终端和客户端网络实时查看现场，远程遥控摄像机云台，通过下发指令来实现前端装置的相应操作。多路防护区间能够同时一屏多显，进行统一管理。

4 系统功能及特点

本系统可实现对输电线路全天候实时监控，具有如下功能与特点：

（1）利用先进的探测技术，检测高压线电场强度的变化，实现立体防御保护，更有效地防止外来物体的入侵，探测距离远，精度高，抗电磁干扰性好。

（2）操作简便，可通过手机、PC端等多方式综合管理。只需用手机或计算机发送“布防”、“撤防”或“查询”等指令，即可控制设备。

（3）具有视频录像功能，支持内置SD卡（支持大容量SD卡）实现长时间录像。采用MP4视频存储格式，可以实现远程录像回放。

（4）报警联动视频开启，视频自动上传至后台服务器，支持随时浏览和下载。报警方式多样（支持现场声光报警、现场语言提示、远程喊话警示、电力110联网报警），报警信息可以直接显示线路名称、塔杆号、距离导线弧垂高度，按照预警等级分级报警，并且可以远程修改报警参数、远程开关机。

（5）产品优化了电路设计，并采用先进的微耗检测芯片，整机设备功耗较低，大大延长了设备使用寿命。激光发射连续工作寿命为10万小时，足以保证设备的有效使用周期，适应性好，运行时间长，同时还适用于-40℃至75℃的极端气温环境。

本系统能应用于输电线路的在线监测，系统具有适应多线路不同电压等级的电力走廊应用，线路区域附近外破信息及时捕获。不但能减少了人工巡检的频率和次数，实现了线路的运维智能化远程管理。而且填补了线路运维外破防治的电子信息化原始档案资料的空白。

5 结论

该研发的防外破预警系统可使用输电线路外破预测环境，可适应于各种电压等级，检测响应速度敏捷，检测结果准确率高。该设备采用集成设计，便于移动、搬运，便于高空安装、挪迁方便。提高线路防外破的自动化水平，降低人员防护外破的劳动强度，提高工作效率和人身安全性，减少现场检查的工作成本。

本项目的研究能对输电线路外破的防治措施、外破风险评估，最终形成应急预案及体系。针对输电线路受到外破威胁时，采取人工及时救助、转移负荷、停运即将受影响的线路等改变运行方式的方案。能对输电线路外破精准探测和人工布防，形成优缺点互补。通过本项目研究完成了输电线路附近区域外破捕获并及时预警，提高线路的安全性和可靠性，提高输电能力。

本系统的推广应用可进一步提高电力系统输电线路运行的安全与稳定性，具有重要的社会效益和推广应用价值。

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作者简介

杨力（1984-），男，湖北省武汉市人。湖北经济学院本科工商管理专业。现就职业于湖北省送变电工程公司。研究方向为输电线路安全运维管理。

朱海波（1985-），男，湖北省武汉市人。湖北工业大本科电气自动化专业。现就职于湖北省送变电工程公司。研究方向为输电线路安全运维管理。

黄静（1983-），男，湖北省武汉市人。现就职于湖北省送变电工程公司。研究方向为输电线路安全运维管理。

作者单位

湖北省送变电工程公司 湖北省武汉市 430063