基于高压输电线路的防外力破坏预警技术研究

基于高压输电线路的防外力破坏预警技术研究

周涛马海亮高剑

（安徽省电力公司检修公司安徽省合肥市230000）

摘要：由于高压输电线路杆塔安装的地点多，面积广，距离长，输变电设备长期处在野外暴露状态，容易遭受恶劣天气影响以及人为破坏，给电网安全、人员生命财产构成了威胁。因此，本文针对输电线路防外力破坏预警技术进行研究，以达到在输电线路遭受破坏之前发现潜在的危险并及时报警的目的。

关键词：高压输电线路；防外力破坏；预警技术

1外力破坏类型

随着时代的发展，输电线路不断地建设到全国乃至世界各个领域。但是，输电线路大多处于复杂的地理环境当中，容易遭受恶劣的天气影响，同时，人类的活动也容易对其造成损害。近年来，由于施工建设，输电线路受到破坏，导致线路停电的事故发生概率有所上升，不得不引起人们的关注与重视。目前，输电线路易遭受外力破坏类型包括机械碰线、异物短路、线路覆冰、雷击以及其他类型破坏如山火等。

2高压线路防外力破坏预警系统设计

2.1总体结构原理

输电线路防外力破坏预警系统的设计目标是针对重点区域、重点部位、重点线路的架空输电线路线下超高车辆通行，吊车、水泥泵车等线旁作业以及各种违章行为而引发的外力破坏事故实施预警，保护输电线路安全稳定运行。系统应具备实时感测、现场警告、远程预警、后台管理、易使用维护等功能。

本文设计的输电线路防外力破坏预警系统总体结构，主要包括超声测距装置、现场报警装置和远端监控装置三个子系统构成。将距离检测和自动报警分开部署，利用无线传输将二者互联，既降低安装在输电线路上的测距装置的体积、重量、功耗，方便装配，又达到保护输电线路安全，预防外力破坏的目的。

本系统通过超声波测距装置在线监测有无人员及施工作业车辆靠近或处于输电线路绝缘安全范围以内，当人员或施工作业车辆处于危险区域，系统立刻触发现场报警装置及时响应，远端监控装置通过GPS定位系统，及时发现警报所在地区，当警报持续时间超过规定值，施工维修人员能及时到达故障点，防止输电线路发生破坏，影响电网安全稳定运行。

2.2硬件设计方案

输电线路预警系统硬件主要包括：超声测距装置、GPS模块和现场声波报警装置。整个监测系统可直接悬挂（安装）于容易发生事故的施工地段的输电线路导线上，同时也可以安装在相邻杆塔上对监视区域进行监测、扫描探测，通过监测移动物体与输电线路铁塔绝缘安全距离，达到报警效果。

2.2.1超声测距装置

超声波是指频率高于20kHz的声波。超声波指向性强，在介质中传播距离远，可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计方便、计算处理简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波测距模块中超声波传感器包括超声波发送器和接收器。根据输电线路规程规范，输电线路铁塔绝缘安全距离一般比较小，不超过10m，因此该系统中超声波传感器选常用的压电式超声波换能器，即发射超声波时将电能转换成发射超声波而在收到回波的时候则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用时间差测距法。测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间乘以超声波的速度，得到二倍的声源与障碍物之间的距离。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录时间差t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S。超声波测距模块可实现2cm～7m的非接触测距功能，供电电压为5V，静态功耗低于3mA，支持GPIO通信模式，工作稳定可靠。

2.2.2声光报警装置

声光报警模块内有电磁线圈和发光二极管、喇叭等，其工作原理简单且模块化程度较高，可以非常方便从市场上获得成品，将其通过细导线接入主机即可。声光报警模块接收主机的命令，启动并作出相应报警动作。

2.2.3GPS模块

GPS模块主要是通过GPS接收机与卫星之间进行数据传输，实现报警定位功能，减少巡线工作量。定位原理一般由公式（1）~（4）[4]确定。输电线路工程中根据地形及电压等级情况，各基杆塔之间档距一般较大，而且现今GPS模块定位精度较高一般在10m以内，不会出现由于档距问题而出现定位偏差情况。本系统中GPS模块选用MEB-1280GPS，MEB-1280模块是全球体积最小的GPS模块，定位精度高（3m），不会受到城市绿化树木的影响。当超声波测距传感器检测到移动物体出现在铁塔绝缘安全距离以内时，声波报警装置立即响应，同时GPS模块通过卫星和接收机之间的数据联系，确定报警具体位置，并通过移动互联网络将GPS数据传送到中心数据库中。

式中，Xi，Yi，Zi为第i颗卫星的空间坐标；X，Y，Z为GPS接收机的地理坐标；C为GPS信号传播速度；Vt1为卫星钟差；Vt0为接收机钟差。

本部分从系统功能需求分析入手，给出了系统硬件设计方法。通过超声波测距的方式来在线监测有无人员及施工作业车辆靠近或处于输电线路绝缘安全范围以内。通过比较GSM、3G和GPRS等主流的远程无线通信传输方案，选用GPRS模块作为远程通信信道；通过比较蓄电池、太阳能、感应取电等电源供电方案，确定线上测距装置采用输电线路电磁感应取电供电方式，现场告警终端采用蓄电池供电方式传输方案。

3控制软件方案

本系统由线上测距装置、现场告警终端和远端预警平台构成，其中线上测距装置和现场告警终端以单片机为主控芯片开发，软件开发采用固件编写。

3.1超声测距装置

超声波测距模块软件指令发送流程如图1所示。超声波测距模块KS103利用I2C接口与线上测距装置MCU通信，自动响应单片机控制指令。本文使用0xb0指令，超声波测距模块的探测范围为0-5200mm，返回单位为mm的距离测量数据，MCU直接读取该数据。基于指令0xb0的最大探测时间约为33ms，有足够的时间使系统在设计指标的响应时间内完成语音报警。

图1指令发送流程

3.2现场报警装置

打开电源后，首先对单片机、无线模块、Flash模块等硬件初始化，然后调用无线接收模块子程序，无线模块在等待接收数据过程中，如果收到线上测距装置发送来的预警距离信号，就触发MP3播放子程序，播放语音告警数据，同时，通过GPRSDTU通信模块将预警信息传送给远端预警平台或短信通知线路维护管理人员。

3.3远端监控装置

远端预警装置软件具有实时监测、系统配置、用户管理、历史查询、应急预案、电话调度、的功能。根据功能需求，预警平台软件包括四部分：数据获取、数据分析、数据输出和数据显示，其结构设计如图4所示。数据获取接收来自现场告警终端通过GPRS网络传输过来的数据；数据分析用于保存和分析获取的预警数据；数据显示用于将数据分析出的数据在预警平台软件界面上显示出来；预警输出用于监控中心以交互形式向管理人员以短信形式下发预警信息。

结束语

本文首先简要介绍了高压输电线路的外力破坏类型，然后详解介绍了高压输电线路的防外力破坏预警系统的设计，希望可以对相关人员有所帮助。

参考文献：

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