基于无线电波干扰原理的变电站空中安防装置研制

摘要：无人机非法入侵变电站对电网安全运行造成严重影响，轻则造成电网信息泄露，重则造成站内设备损坏，引起全网停电。为此，根据现有的反无人机技术，结合变电站特点，设计了一款基于无线电波干扰原理的变电站空中安防装置，旨在加强变电站的空中安全防护，保障站内设备安全。

关键词：变电站;空中安防;反无人机;无线电波干扰

0 引言

变电站在电力系统中占据着举足轻重的地位，用于电力输送和电力分配，故保障变电站内设备的正常运行对于电力系统来说尤为重要。随着无人机技术的快速发展，无人机“黑飞”现象越来越多，对变电站的空中安防影响也日益凸显，亟需研发出更加专业的设备或系统进行变电站的反无人机管控。曾有学者研究过“防止恶意无人机入侵电力巡检区的管控方法”，通过设置无人机地理围栏，对一些恶意入侵的无人机进行拦截，但这种方法实施起来具有一定难度，建立虚拟围栏需要耗费巨大的基础设施建设费用，而且无线电干扰容易影响变电站内GPS的正常使用。

为了解决非法入侵的无人机对变电站空中安防造成的不良影响，本文将设计一套既满足变电站空中安防需求，又不影响变电站内设备GPS正常使用的空中安防装置。

1 装置总体设计

本文设计的空中安防装置基于无线电波干扰原理，对非法入侵的无人机进行监控和干扰，有效防范无人机非法入侵。该装置由光电侦测设备、云台激光干扰器、遥控信号干扰器、太阳能供电系统和反无人机系统管理平台组成。

该装置的工作原理：首先，光电侦测设备对非法入侵的无人机进行监控;然后，监控设备将目标信息传到反无人机系统，反无人机系统通过云台激光干扰器实现360°全方位的光电定位与激光器干扰，影响入侵飞行器对电力设备重要保密系统的拍摄;同时，遥控信号干扰器对非法入侵的无人机进行图传信号干预和操控信号干预，切断无人机与控制中心的数据连接或无线电通信，使其只能按照原先设置程序迫降或者返航，不让其进入变电站空中区域，有效防范无人机的非法入侵。另外，本装置配置的太阳能供电系统可实现对装置的不间断供电，保证了干扰设备的持续正常运行。

本文设计的变电站空中安防装置的设计原理图和装置组成图分别如图1、图2所示。

2 光电侦测设备

该装置采用高精度的光电侦测监控摄像头对非法入侵变电站的无人机进行探测。当侦测到有无人机进入变电站空中领域时，光电侦测监控摄像头会自动对非法入侵的无人机进行跟踪拍照或录像取证，并将信息传达到反无人机系统。

3 云台激光干扰器

3.1    激光干扰功能

该装置内设激光反光镜，根据光电侦测设备反馈的数据，瞄准干扰目标，然后通过激光干扰器中的反光镜发射激光光束，对非法入侵的无人机进行激光光束照射干扰，重点是干扰非法入侵无人机的拍摄功能，使得非法入侵的无人机无法对变电站内部设备进行拍摄。

激光干扰主要利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电原件实现干扰。借助激光光束反射具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，采用反光镜将激光光束进行反射，对入侵的无人机进行警示干扰。激光反光镜的干扰属于驱赶式干扰，并不是要摧毁击落无人机，所以激光强度不能太大，避免无人机坠毁，对变电站中的重要设备产生二次干扰。

3.2    360°全方位云台自动瞄准功能

激光干扰器下设计了全方位云台，云台主要由控制模块、传感器模块、动力模块、减振结构、支撑结构和连接结构组成。其中控制模块主要是主控板，采用STM32处理器;传感器模块可读取云台末端姿态，再与光电侦测设备的姿态角比较，发出控制信号让动力模块及时进行动作修正，从而使装在云台上的干扰器等外部传感器可以根据非法入侵的无人机位置进行360°旋转并自动瞄准。传感器模块主要包括陀螺仪和加速度传感器MPU6050，用于感应云台末端姿态位置，并反馈给主控板。本功能保证了激光干扰器的顺利运作。

4 遥控信号干扰器

目前消费级无人机常用的频段主要为2.400～2.483 GHz、5.725～5.875 GHz。因此，遥控信号干扰器的测控链路干扰频段覆盖范围至少包含2.400～2.483 GHz、5.725～5.875 GHz频段。针对此电磁信号的频段特性，遥控信号干扰器需设置2.4 GHz和5.8 GHz可选调节频段，在保证不影响变电站内设备GPS信号正常发送的前提下，调节干扰频道，实现对非法入侵的无人机进行定向压制。

干扰遥控器模块主要通过干扰无人机数据链路通信系统实现反制效果，包括两大功能：一是干扰下行图传信号;二是干扰传输上行控制信号。

4.1    图传系统干预功能

为了重点保护变电站的保密系统，首先需要避免无人机通过偷拍的方式窃取变电站内的保密信息，而图传系统干预功能可通过扩展频谱通信系统，干扰非法入侵的无人机的图传信号，使其无法回传图片，保障变电站保密信息安全。其主要原理是将待传输信息用扩频编码调制方式，将频谱扩展后在宽带宽信道中传输，接收端使用与发射端同步的扩频码解扩恢复原始数据。

4.2    操控信號干扰功能

本功能可根据无人机遥控信号的跳变，针对某一具体频段进行干扰。干扰无人机与地面遥控器之间的上行和下行通信链路信号，对无人机的控制链路进行阻断与管控，即可迫使无人机自动返航或原地降落，破坏地面控制者遥控无人机入侵受保护或受限制飞行区域的企图。

5 太阳能供电系统

现有的大部分反无人机装置采用市电供电与蓄电池逆变供电相配合的方式进行供电，但这种设计在没有市电供电及蓄电池电力耗尽的情况下无法保障装置正常运行。为此，该装置配置了太阳能供电系统，可实现自主供电，不需要额外配备电源设备，节约了能源，且占用空间小，十分适合在变电站附近的环境中使用。

6 反无人机系统管理平台

6.1    反无人机系统监控管理

对无人机的监控，可基于视觉开源库完成目标物体识别。当光电侦测设备侦测到可疑物体闯入监控范围内时，系统将识别并捕获可疑物体的图像信息，对视频图像先进行预处理，即灰度化滤波，再进行二值化、形态学运算和边缘检测，以达到图像分割的目的，最后将检测到的图像经匹配分析确定为无人机后，发出报警信息或干扰指令。

6.2    反无人机系统数据处理

反无人机系统数据处理模块可根据定位算法获得的无人机目标位置信息，联动干扰设备对无人机目标进行干扰，并在达到干扰时长后关闭干扰设备。同时，数据处理模块可继续进行目标识别和定位，并根据新的定位结果判断干扰是否成功、是否需要继续执行干扰等策略。

反无人机系统管理平台数据处理流程如图3所示。

7 结语

本文设计了一种由光电侦测设备、云台激光干扰器、遥控信号干扰器、太阳能供电系统和反无人机系统管理平台组成的变电站空中安防装置，实现了对非法入侵变电站的无人机进行警示和干扰驱赶的目的，有效防范了无人机的非法入侵，为变电站内重要设备的安全运行保驾护航。

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收稿日期：2020-08-30

作者简介：郑跃斌（1989—），男，广东潮州人，工程师，从事变电运行工作。