外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警系统
张朝晖 张益龙
摘 要：针对现有输电线路需要人工巡查盯守且监测效率低的缺陷，提出新型的方案。采用MSP430F5438单片机芯片计算，通过杆塔监测子系统中的六种传感器检测出输电线路受外力破坏情况，利用云存储智能摄像头采集输电线路现场视频，经由光纤通信网络传送至后台主机管理子系统。后台主机管理子系统通过高斯背景模型法，判断外力破坏情况是否符合输电线路杆塔安全距离。测试结果表明，该系统可稳定监测不同电压等级输电线路受外力破坏情况并及时预警。
关键词：外力破坏;影响;输电线路;综合监测;预警系统
Abstract：Aiming at the shortcomings of the previous transmission lines that required manual patrol and guarding and low monitoring efficiency， a new scheme was proposed. The MSP430F5438 single-chip chip is used for calculation. The six types of sensors in the tower monitoring subsystem detect the damage of the transmission line by external forces. The cloud storage smart camera is used to collect the live video of the transmission line and transmit it to the background host management subsystem through the optical fiber communication network. The back-end host management subsystem uses the Gaussian background model method to determine whether the external force destruction is within the safety distance of the transmission line tower. The test results show that the system can stably monitor the damage of transmission lines of different voltage levels by external forces and provide timely warning.
Key words：external damage; impact; transmission line; comprehensive monitoring; early warning system
智能電网由大量输电线路组成，输电线路多布置于室外以及复杂环境下，输电线路安全对于电网稳定运行极为重要[1]。电力系统输电线路外力破坏影响因素主要包括施工大型车辆、天气因素、自然灾害等原因造成的输电线路短路、断裂以及杆塔倒塌等情况，输电线路受到破坏直接威胁人类人身安全[2]，输电线路跳闸造成停电事故带来极大人力物力损失。
电力系统规模不断扩大导致输电线路过于密集，输电线路运行环境复杂[3]，输电线路存在大量外力破坏情况，输电线路受外力破坏导致电力系统停止运行情况时有发生，影响电力系统安全运行[4]。电力系统输电线路受外力破坏情况众多，分析破坏输电线路外力特征，研究外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警系统对于电力系统输电线路安全稳定运行极为重要[5]，输电线路综合监测与预警系统提升电力系统管理与维护的智能化以及自动化，利用该系统实时监测外力破坏输电线路因素并提前预警[6]，降低电力系统由于输电线路故障导致跳闸情况保证电力系统维护效率。
1 基于外力破坏的输电线路综合监测与预警系统
1.1 系统总体结构
所研究外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警系统总体结构图如图1所示。
通过图1可以看出，该系统主要包括杆塔监测子系统、后台主机管理子系统、光纤通信网络以及监测预警APP。
杆塔监测子系统装置于输电线路杆塔顶端，杆塔监测子系统具有重量轻、功耗低以及体积小的优势。杆塔监测模块主要包括传感器模块、电池模块、电量检测模块、视频监控模块、单片机以及射频模块六部分，通过视频监控模块采集输电线路监测数据[7];通过光纤通信网络将杆塔监测子系统监测数据以及视频图像传输至后台主机管理子系统;后台主机管理子系统负责管理、控制以及调度该电力系统输电线路全部数据，后台主机管理子系统的中心数据库为系统提供数据支持[8]，后台主机管理子系统的单片机通过高斯背景模型法识别监测图像数据中是否存在外力破坏情况，监测图像数据中存在外力破坏情况时，通过声光报警模块依据外力破坏危险等级发出声光预警，电力系统维护与检修人员通过预警结果及时排除外力破坏[9]。杆塔监测子系统以及后台主机管理子系统的单片机均选取深圳市佰昇电子有限公司提供的MSP430F5438芯片，选取TI公司的CC1101芯片作为RF433射频模块芯片。
1.2 杆塔监测子系统
杆塔监测子系统包括电量检测模块、电池模块、视频监控模块、传感器模块、RF433射频模块以及MSP430F5438单片机模块。传感器模块所采集信号利用单片机转换至数字信号并计算外力破坏距离[10]，所获取距离数据利用RF433射频模块发送至后台主机管理子系统;利用电量检测模块检测电池模块电量情况[11]，电池模块电量过低时需及时报警，系统维护人员及时替换电池。RF433射频模块负责检测杆塔监测子系统以及后台主机管理子系统连接情况，选取光纤通信网络作为系统通信方式。
杆塔监测子系统选取低功耗的MSP430F5438单片机作为子系统处理芯片，该芯片可处理传感器检测数据并检测子系统AD采样情况。
传感器模块包括红外烟雾传感器、气象传感器、倾角传感器、振动传感器、红外传感器、导线弧垂传感器，六种传感器分别可以感知山火烟雾、线路覆冰、雷击、机械碰线、导线弧垂等不同外力破坏情况[12]，当山火烟雾浓度、覆冰厚度、导线弧垂长度以及外力距离到达指定阈值时，监测端拍摄视频并传送至后台主机管理子系统，主机管理子系统利用高斯背景模型法判断外力破坏影响，判断结果为危险时启动声光报警[13]。
视频监控模块由睿威仕智能云存储高清摄像头组成，高清摄像机实物图如图2所示。
该摄像头采集图像最大分辨率可高达1920×1080;选取达芬奇处理芯片;选取精密电机驱动可保证摄像头平稳运行;精度偏差低于0.1度;可实现无抖动视频图像采集;具有三维智能定位功能以及数据断电不丢失功能;支持双码流技术以及多种网络协议[14];该摄像头可与覆冰传感器、导线弧垂传感器等全部传感器共同安装。
1.3 高斯背景模型法
选取高斯背景模型法作为识别输电线路是否受到外力破坏方法。高斯背景模型法是依据视频监控模块所采集某点像素值是否符合高斯分布确定运动目标识别外力破坏[15]。
所采集输电线路受到外力破坏时，输电线路图像背景受到外界条件干扰导致图像像素值出现波动，图像像素值随外力破坏干扰影响不同而产生不同大小变化[16]，形成变化符合高斯分布，所采集输电线路图像存在运动目标时，图像像素值形成较大扰动不符合高斯分布。
1.4 输电线路综合监测与预警流程
外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警系统运行流程图如图3所示。
系统传感器模块各传感器检测存在外力破坏情况时，利用智能摄像头采集输电线路现场视频，并通过光纤通信网络传送至后台主机管理子系统。后台主机管理子系统通过高斯背景模型法判断外力破坏情况是否符合输电线路杆塔安全距离，外力破坏作用物与输电线路杆塔绝缘物小于设定要求时，系统发出报警指令，声光报警装置启动，为电力系统维护以及管理人员发出解决指令提供依据，实现外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警。
2 仿真实验与分析
选取CPU为英特尔双核四线程主频为4.0GHz、内存为8 GB的计算机。利用Matlab软件模拟某市某电力公司电力网络，在Matlab软件中搭建本文系统，测试本文系统对于外力破坏下输电线路综合监测与预警情况。该电力公司包含110 kV，220 kV以及500 kV三种电压等级电力网络。
采用本文系统监测输电线路界面图如图4所示。
图4系统测试结果显示，采用本文系统可有效实现电力公司电力网络输电线路监测，且监测图像清晰明显，便于本文系统在输电线路受到外力破坏时及时预警。
通过仿真平台模拟机械碰线外力破坏情况，令机械碰线外力距离输电线路杆塔2米-7米，统计本文系统应用于电压等级为110 kV输电线路受机械碰线外力破坏监测与预警情况，统计结果如表1所示。
通过仿真平台模拟机械碰线外力破坏情况，令机械碰线外力距离输电线路杆塔4米-9米，统计本文系统应用于电压等级为220 kV输电线路受机械碰线外力破坏监测与预警情况，统计结果如表2所示。
通過仿真平台模拟机械碰线外力破坏情况，令机械碰线外力距离输电线路杆塔6米-11米，统计本文系统应用于电压等级为500 kV输电线路受机械碰线外力破坏监测与预警情况，统计结果如表3所示。
表1-表3系统测试结果可以看出，采用本系统可准确检测不同电压等级输电线路受外力破坏情况，系统在外力与输电线路小于设定距离时可及时预警，有效验证本系统对输电线路受到外力破坏时监测与预警有效性。本系统解决以往人员监测输电线路安全问题以及成本高且检测效率低的问题，具有高效、稳定性，较符合户外安装需求，实现输电线路受外力破坏影响监测智能化，能够准确预警不同电压等级输电线路受外力破坏危险情况，可应用于不同输电线路杆塔应用环境以及不同电压等级输电线路中。
3 结 论
外力作用下易导致输电线路破坏，由于以往输电线路需要大量人员巡查盯守且监测效率较低，提出外力破坏影响下的输电线路综合监测与预警系统。所研究的预警系统适用于不同电压等级输电线路不同外力破坏影响环境下，且具有监测结果准确、预警响应速度灵敏的优势。系统的杆塔监测子系统高空安装方便，具有较高自动化以及智能化，避免采用人员监测输电线路受外力破坏的危险性，且降低维修人员现场监测输电线路成本。系统有效提升电力系统输电线路输配电稳定性以及安全性，可应用于不同环境下输电线路。
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