基于激光扫描的输电线路防外破预警监督系统开发研究

袁新龙，岳 涛

（兰州石化公司机电仪运维中心， 甘肃 兰州 730060）

近年来， 随着我国电网事业的发展和完善， 电力线路的建设取得了长足的发展。 但是， 电力线路由于其所处地理位置和环境条件的特殊性， 兼具杆塔点多、 面广、 线长等特点， 终年暴露在野外， 易受极端恶劣天气的影响。 由于动物活动、 人为因素等对电网系统的干扰， 时常引起电路短路、 跳闸以及电网被迫停电等事故发生[1]。 电路故障不仅会严重影响电网安全运行， 也会对人民生命财产安全造成威胁， 加强对电网输电线路安全管理与维护是电网发展的关键[2]。

目前， 很多电力企业往往采取人工不定时电网巡视或者无人机监控等手段， 来避免电网输电线路受到破坏。 但这些手段受特殊环境以及成本因素的制约， 无法有效保障电网输电线路的安全[3]。 近年来， 随着物联网技术的兴起， 包括红外技术、 激光扫描技术、 电厂监测、 视频监视等新型防外破技术广泛应用于电网维护领域， 推动了电路防外破技术的发展。

研究结合电网建设发展需求， 探讨防止电力线路免遭外力破坏的对策方案， 为避免人为等因素对电网安全的影响， 提出了一种全天候激光扫描及视频识别防外破监控告警的方式[4]。 该方式利用激光技术与实时监视技术实现对输电线路的预警与监控。 在输电电线预警区域范围内， 该技术通过系统激光传感器以及视频监视设备能够对工况环境进行实时监测[5]。 对电路环境内故障问题以及违规施工现象， 系统会及时进行反馈与抓拍， 并进行语音警告， 预警信息将通过无线网络及时传递到系统终端， 反馈给相关负责人并及时进行问题处理。 该技术结合语音报警、 激光扫描以及视频监控等最新技术， 为电网电路的有效运作提供重要思路。

1 输电线路防外破系统预警策略

预警系统的主要原理是通过架设在电网区域内的预警装置实现对环境工况的监控和预警反馈。 其中， 激光扫描仪会对环境内地理数据特征进行采集， 而视频监测器会在激光扫描仪的基础上对环境现场进行更全面的监控。 在电网电路线预警区域内， 当有运动物体闯入该区域内， 系统预警机制便会启动， 通过人工智能（AI）算法提取视频监控数据以及激光扫描数据， 解析出该物体是否超过电路预警设置的安全阈值， 包括物体是否超高、 速度是否过快等。 超过系统所设定的安全阈值时， 系统会在物体还未靠近时进行语音警告， 并通过系统网络将抓拍的画面以及相关信息反馈给管理者。

该技术与传统的单一视频监控电路防外破技术相比， 有两点创新之处。 一是采用更智能的激光水平探测仪， 该激光扫描器能够通过更智能的算法对运动物体特征轨迹进行探测， 精准度更高， 也更智能。 如预警范围内车辆超高、 车体过大、 速度过快等， 通过激光扫描仪器对运动物体信息的监测， 若危及电网线路， 系统将及时联动声光报警， 对危险车辆进行预警， 从而避免输电线路受到威胁。 同时， 系统连接物联网平台， 通过无线通信技术以及5G 技术及时将信息通过短信以及图像等形式反馈给管理者。 管理人员收到信息后可以随时调取现场画面信息， 并通过手机终端喊话发出警告， 阻止危险行为的发生。 二是采用了AI 视频摄像机， 有别于传统的视频监控设备， 该设备智能化更强， 提供更复杂工况环境支持。 在预警范围内， 当车辆等运动物体进入预警范围， 视频监控设备将进行智能画面监视与识别， 并通过云端AI 算法对运动车辆等物体进行分析， 与激光扫描仪器联动。 若超过系统设置的安全阈值， 系统将进行语音预警， 并反馈信息给管理者， 从而阻止危险活动的发生。 图1 为输电线路防外破预警系统框架。

图1 输电线路防外破预警系统框架

由图1 可知整个输电线路防外破预警系统原理。 输电线路防外破预警系统主要由前端系统、 后端系统以及通信网络三部分构成。 其中， 前端系统包含高音喇叭、 综合监视器、 报警联动单元、 警示灯等； 后端管理系统包括了计算机运算平台、 网络服务器、 移动终端监视平台等； 通信网络包括4G/5G 无线传输模块、 网络路由器等。

2 输电线路防外破预警系统优化

2.1 系统各部分功能

系统建设要满足电网输电线路的环境监测以及危害报警需求。 同时考虑到电网线路环境的复杂性与苛刻性， 系统能够兼顾复杂的作业工况， 包括夜间复杂环境、 高温、 冰冻以及自然灾害等场景使用要求。 将输电线路防外破预警系统安装于铁塔之上， 利用先进的4G/5G 无线通讯网络技术解决防外破数据传输和报警信号传输问题。 通过系统内部的激光扫描器与视频监控获取输电线路预警环境状态数据， 将监测动态数据与系统预测安全阈值进行对比， 从而诊断出预警结果， 并由结果作出相应的预警操作。 整个输电线路防外破激光预警系统建设由综合监控主机、 激光水平探测仪、 高声响喇叭、 太阳能板、 高速球形摄像头、 4G/5G 全网通无线通信等部件组成， 后台由管理人员控制手机或计算机、网络视频服务器和网络视频软件组成。 其中综合监控主机是整个系统的核心， 主要负责对监测数据的处理与判断， 并根据分析结果得到监控指令， 并通过4G/5G 无线通信网技术实现远程防外破系统的报警与监控。

综合监控主机是系统的核心， 是独立运行的嵌入式系统。 激光水平探测仪与高速云台球机是系统的输入设备， 主要负责对输电线路预警环境的监控与数据信息的收集。 在预警系统设计中采用的是最新的双窗口探测激光扫描器， 主要由主固体激光发射装置和被动激光放大接收装置电路及不易老化的超长寿命的检测模块与模糊逻辑数码核心组成， 能够满足于电网严苛的使用要求。 图2 为激光水平探测仪工作原理。

图2 激光水平探测仪工作原理

激光水平探测仪安装在杆塔上， 激光线在线路下方4～9 m 处（根据安全距离确定） 与线路平行，通过激光越线探测器在输电线路走廊安全距离以下的区域对违章施工机械进行越线分析告警， 并联动摄像机抓拍照片及录像上传到监控中心管理平台，并发送短信到相关人员手机上。 选用的激光水平探测仪具有反应速度快、 灵敏度高、 操作便捷等特点。 其探测耗时为1 ms， 激光类型为红外激光， 波长905 nm， 工作环境要求为-20 ℃～60 ℃， 相对湿度≤90%（无霜结）。 高速云台球工作原理与激光水平探测仪类似， 杆塔倾斜探测器安装在杆塔的横担上， 具有远距离无线通信接口， 用来与综合分析软件系统进行数据通信。 探测器能自检、 采集、 测量，并将测量结果传输到综合分析软件系统。 选用的高速云台球支持IP68 防护等级， 工作宽温为-40 ℃～70 ℃， 分辨率为200 万 像素（1 920×1 080 分辨率） 。 高速云台球具有灵敏度高， 支持水平360°连续旋转， 功耗低等特点。

语音喊话喇叭是预警系统的关键部分， 主要起到对输电线环境展开语音喊话作用。 系统在遭遇警告预警后， 控制中心会发出语音报警指令， 并由系统语音喊话喇叭发出喊话报警声。 4G/5G 无线传输模块负责前端系统户外通信数据传输功能， 采用目前业界最先进的4G/5G 全网通信技术， 解决防外破系统在复杂严苛环境的数据传输与报警信号传输问题。 网络支持移动、 联通以及电信通信服务， 通过运营商可开通移动数据服务、 短信服务以及语音服务。 根据电网输电线路所在场所环境， 选择信号稳定、 数据传输快、 价格合理的通信套餐服务。 同时， 系统也提供GPRS/3G/4G/5G/Wi-Fi 等多通信方式， 根据环境具体需要选择合理的网络接入技术，能够与无线语音视频系统以及无线多方通话系统共同联机使用， 方便后续系统升级实现远程语音视频喊话功能。

2.2 系统布设与调适

预警系统布设主要用于对电网输电线路的实时监控与安全预警， 在系统布设中需要综合性分析输电线路环境情况， 分析杆塔的高差、 档距、 杆塔中心点弧垂等参数。 系统的布设应尽可能地获得高压输电线的全部表面特征信息， 同时充分考虑环境各类因素对预警系统数据采用的干扰。 如比较常见的激光扫描设备与视频监控设备被遮挡、 相邻电线交叠以及动物干扰等。 相关技术人员对布设场景充分分析并得到详细的勘测数据， 选取多个测站进行分别扫描， 扫描过程中应该将距离控制在100 m 范围， 保证激光扫描的精准性。 图3 为系统布设关键信息。

图3 系统布设关键信息

具体安装时需要确定设备是否正常， 插上综合监控主机、 4G 无线传输模块、 激光水平探测仪、高速球形摄像头等设备， 接通电源验证设备通关、视频、 云台控制等是否正常。 分别取出太阳能板，接上主机， 通过白色接口板的LED 灯是否亮和电源板横排3 个LED 灯的颜色， 查看太阳能板及电源板是否正常。

杆塔激光预警设备安装包括主机、 太阳能板、球机箱以及激光水平探测仪的安装等。 主机安装中将其装在杆塔横担上， 用几字型支架卡住角钢的安装方式， 主机箱在角钢上用2 个几字型支架挂稳定， 用4 个螺杆固定住主机箱和几字型支架， 并要把线缆牢固地固定在终端箱附近的塔材上， 位置一般在高压杆塔上的绝缘子上方的位置， 这样视频能够监测到线缆。 球机箱的安装中， 固定方式和主机一样， 安装在主机箱附近的横担角钢上且实现开阔场景， 设备应在角钢的位置朝外， 其视频口需要垂直朝下， 随后拧紧螺丝。 激光水平探测仪应选择线距离线路弧垂最低点靠下的6～9 m 位置安装， 将激光探头的固定支架2 个L 型的角钢用螺丝固定杆塔的角钢上， 联系后端测试人员， 调整角度， 将激光探头对准线路方向平行于线路走向， 拧紧探头上面的固定螺丝。

3 预警系统性能测试及应用分析

研究提出了基于激光扫描的输电线路防外破预警系统， 系统能够利用激光实现快速检测和预警，为了了解系统的预警性能， 需要对系统的预警反馈时间进行评价， 结果见图4 预警系统反馈时间比较。

图4 预警系统反馈时间比较

由图4 可知， 研究对比分析了多个防外破预警系统之间的预警效果， 可以发现， 研究提出的基于激光扫描反馈的预警系统的反馈时间维持在0.8 s左右， 并且最低反馈时间降低至0.74 s。 而其余两种预警系统的最低反馈时间均在0.8 s 以上， 并且平均反馈时间均大于基于激光扫描的预警系统。 以上结果表明， 采用激光扫描构建输电线路防外破预警系统能够有效降低预警反馈时间， 从而实现快速预警。

以某220 kV 的双回路架空高压输电线路为实验场地， 周围正开展相工程项目施工， 来往超高车辆居多， 包括吊机、 挖掘机、 推土机等， 对电网输电线路安全造成影响。 因此， 通过布设在高压塔杆上的激光预警设备， 对穿过预警区域内的车辆进行预警测试。 当车辆的高度在系统所设置的安全警告阈值范围时， 系统将进行语音警告、 声光警告以及喊话等操作。

其中架空线路最大弧垂对地距离为8.5 m， 设置报警阈值共3 个级别， 分别是高4.9～5.4 m、 5.5～6.9 m、7 m 及以上， 危险系数不断增大。 第84 页表1 为激光预警实验结果。

表1 激光预警实验结果

实验共进行5 组， 每组进行4 次实验， 并选取不同高度阈值进行实验。 由表1 可知， 在5 组不同阈值下的测试， 该系统均能实现预警准确率达到97%以上。 同时， 根据阈值等级， 危险等级的不断升高， 系统预警反馈也更激烈。 显然， 借助更先进的激光扫描技术与通信技术， 能够对环境进行有效的监督与反馈， 满足于电网输电线防外破系统建设要求。

4 结束语

研究综合性分析了电网输电线路防外破系统建设需求与环境适应性需要， 结合目前先进的激光扫描技术、 通信技术以及智能化数据处理技术， 构建基于激光扫描的输电线路防外破预警监督系统。 在系统性能验证中显示， 系统能够快速做出预警反馈， 其预警反馈时间最低时间降低到了0.74 s， 能够避免电网输电线路受到破坏。 此外在激光预警系统的应用测试中显示， 选取了不同阈值进行多组测试， 该系统反馈所表现出的准确率均在97%以上。

结果表明， 采用激光扫描能够有效实现输电线路防外破预警， 对电网智能化发展有重要参考价值。 研究中并未考虑复杂环境下的激光扫描应用效果， 在后续研究中应重点分析不同环境下的系统应用， 以完善系统预警性能。