,,

(國(guó)家電網(wǎng)寧夏固原供電公司,寧夏 固原 756000)

輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜述

牛育忠,楊哲,張春龍

(國(guó)家電網(wǎng)寧夏固原供電公司,寧夏 固原 756000)

本文闡述了目前的輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有的視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)、超聲波技術(shù)以及雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了探討，介紹了監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理，綜合比較幾種監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及存在的不足。最后討論了一種新型輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)思，表明了新型輸電線路若要投入運(yùn)行則需要更多的完善與改進(jìn)。

視頻監(jiān)測(cè)；超聲波；雷達(dá)

1 引言

由于建設(shè)環(huán)境和地理位置的特殊性，輸電線路需要跨越河流、山川、公路、施工現(xiàn)場(chǎng)等特殊場(chǎng)地，導(dǎo)致輸電線路遭受諸如樹(shù)木掛線、吊車(chē)碰線、違章施工、山火以及人為盜竊等潛在的外力破壞，嚴(yán)重威脅了輸電線路的安全運(yùn)行。輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是指直接安裝在線路設(shè)備上可實(shí)時(shí)記錄表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征量的測(cè)量系統(tǒng)及技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修的重要手段，狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)與否很大程度上取決于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的成功與否。本文主要在目前存在的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，闡述了視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)、超聲波技術(shù)以及雷達(dá)技術(shù)及存在的不足，表明了需要一種可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)視，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)即將要發(fā)生的各類事故，起到積極快速警告，避免現(xiàn)場(chǎng)可能產(chǎn)生損失的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要出現(xiàn)。

2 視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前的監(jiān)測(cè)手段多為視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)。當(dāng)有外物入侵時(shí)，采用攝像頭捕捉現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，采用背景差分法原理，建立高斯背景模型算法，根據(jù)捕捉到的幀與背景模型對(duì)比，判斷入侵物體類型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行緊急處理。

背景差分法原理是對(duì)視頻背景的場(chǎng)景建模，然后監(jiān)測(cè)到的圖像序列幀與背景模型幀進(jìn)行差值運(yùn)算，然后可以獲得差分圖像，將背景模型與差分圖像中的像素值進(jìn)行比較，如果改點(diǎn)的像素值大于給定的值則認(rèn)為該點(diǎn)屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域。否則為背景區(qū)域。

差分圖像為：A(x,y)=I(x,y)-B(x,y)

其中:A(x,y)為查分圖像;I(x,y)為當(dāng)前幀圖像;B(x,y)為背景圖像。

其中:Q為給定的值;R(x,y)為視頻監(jiān)測(cè)的差分圖像。

背景差分法原理是對(duì)視頻背景的場(chǎng)景建模，然后監(jiān)測(cè)到的圖像序列幀與背景模型幀進(jìn)行差值運(yùn)算，然后可以獲得差分圖像，將背景模型與差分圖像中的像素值進(jìn)行比較，如果改點(diǎn)的像素值大于給定的值則認(rèn)為該點(diǎn)屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域。否則為背景區(qū)域。背景差分法的優(yōu)點(diǎn)在于提取的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)更為完整，而且目標(biāo)定位準(zhǔn)確，處理速度快。但是該算法也容易受到外界環(huán)境如噪聲、陰影等影響，同時(shí)對(duì)背景模型的要求也很高。因此，背景差分法的關(guān)鍵就在于背景得建模，它的準(zhǔn)確性對(duì)算法的結(jié)果騎著至關(guān)重要的作用。針對(duì)這一現(xiàn)狀，很多的專家和學(xué)者們都進(jìn)行了大量的研究，提出了多種建模方法，在多種方法中，高斯模型的應(yīng)用最為廣泛。

高斯模型法可以根據(jù)某一點(diǎn)的像素值能否滿足高斯分布來(lái)確定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。當(dāng)背景受到外界因素的干擾時(shí)，目標(biāo)的像素值會(huì)因受到干擾而產(chǎn)生微小的變化，這個(gè)變化是服從高斯分布的；當(dāng)視頻中有運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)存在時(shí)，像素值會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)而不再滿足高斯分布。

高斯分布也稱為正態(tài)分布，隨機(jī)變量X的取值范圍為-∞≤x≤∞,概率密度函數(shù)為:

式中：μ是期望;σ是標(biāo)準(zhǔn)差;x是隨機(jī)變量。

用高斯分布函數(shù)可以對(duì)背景建模，然后將視頻序列中的像素值與背景模型點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，從而判斷該點(diǎn)是否屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。視頻圖像中的像素點(diǎn)用向量描述，V(x,y)=(a,b,c)其中x，y表示像素點(diǎn)的位置；a，b，c表示各個(gè)點(diǎn)的顏色分量；三個(gè)向量相互獨(dú)立，每個(gè)點(diǎn)屬于背景點(diǎn)的像素值概率密度可以用公式表示為:

式中:μi、σi為各個(gè)分量的標(biāo)準(zhǔn)差和期望。

如果有外物入侵，則檢測(cè)到的視頻像素就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此時(shí)背景圖像就會(huì)更新。更新的高斯分布參數(shù)公式為：

μt=(1-α)μt-1+αXt

α是一個(gè)介于[0,1]之間的常數(shù)，通常是已給定的。如果α的值過(guò)小，則模型對(duì)外界環(huán)境的變化適應(yīng)能力比較低，系統(tǒng)將緩慢更新背景圖片；相反的α取值如果較大，系統(tǒng)可以很快的更新背景圖片，但可能會(huì)引入噪聲。

目前，輸電線路在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用最多的是視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)，視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然可以準(zhǔn)確的了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，但是受外界環(huán)境影響比較大，而且存在盲區(qū)等缺點(diǎn)。

3 超聲波技術(shù)

超聲波探測(cè)器可以利用回波測(cè)距，在周期內(nèi)監(jiān)測(cè)目標(biāo)與輸電線路之間的距離。如果外物入侵至安全距離內(nèi)，線上測(cè)距系統(tǒng)會(huì)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊經(jīng)距離信息傳送至監(jiān)控終端，由現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行判斷處理，若存在隱患，則執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)喊話，語(yǔ)音報(bào)警操作，及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)行為進(jìn)行提醒并制止。

超聲波的頻率時(shí)高于20kHz的聲波，在介質(zhì)中傳播的距離遠(yuǎn)，利用超聲波的回波，可以進(jìn)行距離的測(cè)量，而且設(shè)計(jì)方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

系統(tǒng)的工作核心是PIC16F73單片機(jī)，通過(guò)超聲波發(fā)射與接收電路進(jìn)行信號(hào)的發(fā)出與接收，通過(guò)單片機(jī)對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行分析、處理并計(jì)算出目標(biāo)的距離等信息。并將該信號(hào)通過(guò)GPRS等無(wú)線傳輸方式傳輸至監(jiān)控終端，最后又監(jiān)控人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行處理。

超聲波技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是靈速度快、敏度高、而且成本比較低等優(yōu)點(diǎn)，但超聲波技術(shù)存在探測(cè)距離短、易受干擾、發(fā)生誤報(bào)率高等弊端。

4 雷達(dá)技術(shù)

雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器可以發(fā)出連續(xù)波，經(jīng)三角波形調(diào)制器調(diào)制之后，輸出帶有監(jiān)測(cè)目標(biāo)信息的信號(hào)f1,f2，然后經(jīng)過(guò)濾波，A/D轉(zhuǎn)換等電路進(jìn)行信號(hào)處理，在通過(guò)信息傳輸模塊送至中心處理器。如果由外物入侵，雷達(dá)模塊會(huì)將入侵物體的形狀，速度等信息傳輸至監(jiān)控終端，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，最終由工作人員確定現(xiàn)場(chǎng)情況。

雷達(dá)傳感器可以探測(cè)動(dòng)態(tài)的檢測(cè)目標(biāo)的速度、距離以及是否存在等特征。雷達(dá)模塊發(fā)射波和回波之間時(shí)間差會(huì)引起差頻信號(hào)，而目標(biāo)的距離和速度等信息存在于差頻信號(hào)中,具體計(jì)算公式為：

式中：fD為差頻；f0為雷達(dá)的發(fā)射頻率；c為光速；V為運(yùn)動(dòng)物體的速度范圍；α為運(yùn)動(dòng)的實(shí)際方向與傳感器與監(jiān)測(cè)物體連線之間的角度。

目標(biāo)距離R與差頻fD的關(guān)系式為：

式中:Δf為調(diào)頻寬度；T為鋸齒波重復(fù)周期。

雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于掃描分析監(jiān)控范圍無(wú)死角，雷達(dá)掃描分析是采用雷達(dá)監(jiān)控技術(shù)手段，可根據(jù)設(shè)定的安全范圍，所監(jiān)測(cè)的范圍為塔基地面及上空的全景的范圍，完全滿足監(jiān)控輸電線路對(duì)各個(gè)空間環(huán)境及突發(fā)性監(jiān)控的要求。

5 一種新型輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

新型檢測(cè)系統(tǒng)是綜合采用雷達(dá)與視頻相結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)，將雷達(dá)裝置在現(xiàn)場(chǎng)部署時(shí)正對(duì)地面，其監(jiān)控區(qū)域?qū)儆谏刃螀^(qū)域，在兩級(jí)桿塔之間可以涉及的范圍幾乎全部涵蓋。系統(tǒng)可以采用三塊雷達(dá)，三者分工明確，組成監(jiān)測(cè)前中后三個(gè)范圍，其中前后為斜面監(jiān)測(cè)，三塊雷達(dá)之間的夾角預(yù)示其監(jiān)控視角，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行自由設(shè)置達(dá)到最佳監(jiān)視。當(dāng)物體移動(dòng)至前后雷達(dá)監(jiān)視區(qū)域時(shí)，裝置捕獲到斜面測(cè)量距離，通過(guò)斜面與垂直夾角，迅速計(jì)算出物體的垂直高度，繼而通過(guò)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判定模型得出即將出現(xiàn)的危險(xiǎn)，如果超過(guò)安全距離，判定模塊會(huì)迅速將預(yù)警信息發(fā)送至集中控制單元，單元將信號(hào)快速聯(lián)動(dòng)發(fā)送至前端喊話與警燈裝置，警示裝置以聲音和燈光震懾現(xiàn)場(chǎng)，起到預(yù)防作用，如果入侵物體仍舊堅(jiān)持通過(guò)垂直區(qū)域，標(biāo)志事故已發(fā)生。

在雷達(dá)視頻分析設(shè)備聯(lián)合系統(tǒng)中，采用功耗低雷達(dá)。雷達(dá)掃描部分可采用二次電壓變換和穩(wěn)壓濾波處理，外部提供電源。該部分整體功耗不超過(guò)1/5，而在雷達(dá)掃描中,無(wú)破壞入侵物時(shí)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的云臺(tái)設(shè)備處于休眠狀態(tài)，視頻球機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。這樣可以使雷達(dá)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)智能視頻系統(tǒng)設(shè)備功耗比較大大縮減。雷達(dá)視頻監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確定位和判斷入侵物體的位置推斷物體的類型，從而達(dá)到準(zhǔn)確率高，無(wú)誤報(bào)的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合以上幾種輸電線路在線檢測(cè)技術(shù)的研究，我們可以知道：輸電線路防外力破壞應(yīng)用最為廣泛的是單一的視頻技術(shù)，但容易受到天氣的影響，而且功耗比較大。超聲波技術(shù)同樣有監(jiān)測(cè)死角，功耗較大等不足。鑒于雷達(dá)所具有對(duì)溫濕度變化噪聲和光線靈敏度低以及抗射頻干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，作為新興技術(shù)，將被廣泛的投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。但是，雷達(dá)同樣存在價(jià)格、安裝等問(wèn)題，需要專家，學(xué)者進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。

[1] 施翔，錢(qián)萌，譚磊，等.高清視頻監(jiān)控技術(shù)在架空輸電線路反外力中的應(yīng)用研究[C]//第三屆(2012)全國(guó)架空輸電線路技術(shù)研討會(huì)論文集.第三屆(2012)全國(guó)架空輸電線路技術(shù)研究討會(huì)，2012:1179-1182.

[2] 季洪獻(xiàn)，方文瑾.基于智能行為分析技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝置及其在輸電線路防外力破壞中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014(18)：49-50.

[3] 焦媛媛.在線視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高壓輸電線路防外破工作中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果[J].廣東科技,2012，21(24)：71-72.

[4] 葉立平，陳錫陽(yáng)，何子蘭，等.山火預(yù)警技術(shù)在輸電線路的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(6):145-153.

[5] 何冰，沈超，朱春暉，等.輸電線路中反大型機(jī)械外力破壞的智能預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)[J].華東電力，2011，39(10)：1705-1709.

[6] 陸佳政,羅晶,李波,等.一種架空線路防外力破壞的方法及應(yīng)用[C]//第三屆(2012)全國(guó)架空輸電線路技術(shù)研討會(huì)論文集.第三屆(2012)全國(guó)架空輸電線路技術(shù)研究討會(huì)，2013.

[7] 楊勇,郝祉,劉軍.在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸電線路防外力破壞的應(yīng)用[C]//2013年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2013.

[8] 焦媛媛.在線視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高壓輸電線路防外破工作中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果[J].廣東科技,2012,21(23):71-75.

[9] 陶濤.太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].青海交通科技，2012(5):24-25.

[10] 李力,劉厚滿,文中.輸電線路受外力破壞應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法研究[J],工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(5):30-32.

[11] bou El Ela AA，Abido MA，SpeaS R.Diffbrential Evolufion Algo-thmf or Emission Constrained Economic Power Dispatch Problem[J].Electric Power Systems Resear,2010，80(10)：1286-1292.

[12] C.M.Javier,A.L.Alberto,and B.C.A′lvaro,Small-Target Detection in High-Resolution Heterogeneous Sea-Clutter:An Empirical Analysis,IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems,2011,47(3):1880-1898.

SummarizationofTransmissionLineon-lineMonitoringSystem

NIUYu-zhong,YANGZhe,ZHANGChun-long

(State Grid Guyuan Electric Power Supply Company，Ningxia 756000,China)

This paper expounds the current transmission line on-line monitoring technology,in view of the existing video surveillance technology,ultrasonic technology and radar technology are discussed in this paper,this paper introduces the principle of monitoring technology,the advantages of the comprehensive comparison of several monitoring technology and the deficiencies.Finally discussed a new kind of transmission line on-line monitoring system for idea,shows that the new type of transmission lines to be put into operation,need more perfect and improvement.

video monitoring;Ultrasound;radar

1004-289X(2017)02-0001-03

TM72

B

2017-02-22

牛育忠(1971-),寧夏固原人,高級(jí)工程師，主要研究方向電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。