输电线路防外破双鉴预警系统的研究与应用

引言

电力系统输电线路所起的作用主要是远距离、高容量传输电能,随着电网规模的发展,现阶段输电线路纵横交错,电网已变得越来越复杂,输电线路受到的外力破坏也逐年增多,输配电线路运行事故屡有发生。例如,地面超高施工机械和超高交通工具在行驶和操作过程中与带电运行的高压输配电线安全距离不足,造成放电或碰撞事故。目前,虽然"高压危险"的警示牌随处可见,但警示牌存在夜间无法辨识,失去警示作用的问题。此外,少数单位采用LED发光管或发光警示带,此类产品功耗过大、安装复杂,闪光强度较小,无声音辅助预警,而且电力杆塔并无可用的市电交流电源。而发光牌或电子警示屏等装置,往往是灾害事故发生之后才触发,缺乏主动实时预警探测功能。城镇道路与公路多样性突出,有些地区夜晚环境噪声较大,发光牌或电子警示屏等产品安装高度不一,对于过往司机的警示能力较弱,无法有效发挥作用。

本文对微波雷达与激光应用多重技术手段进行有效融合,依据输电线路实际工况,提出了一种新型预警系统,它既能替代传统警示牌,又能在灾害发生之前发出有效预警,且具备声、光、电多种警示方式,能够实现隐患防治的目的。

1防外破双鉴预警系统研究

1.1预警探测技术选用

目前,智能探测有几种常用的技术:被动红外探测技术、主动红外探测技术、激光探测技术、多普勒微波感应技术。

(1)被动红外探测技术:人体都有恒定的体温,一般在37℃左右,会发出特定波长10μm左右的红外线,被动红外探测器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。被动红外探测器本身不发出信号,只是被动接收外界的红外能量。当人体移动时,人体温度与周围环境温度存在差别,被动探测器对这种差别的变化进行处理后就会输出报警信号。被动红外探测技术优点:本身不发出任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性较好,价格低廉。缺点:容易受各种热源、阳光源干扰:被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探测器接收:易受射频辐射干扰:环境温度和人体温度接近时,探测灵敏度明显下降,有时会短时失灵。

(2)主动红外探测技术:主动红外入侵探测器由发射机和接收机组成,其中发射机由电源、发光源和光学系统组成,接收机由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外探测器是一种红外线光束遮挡型报警器。正常情况下,接收机收到的是一个稳定的光信号,当有人入侵该警戒线时,红外光束被遮挡,接收机收到的红外信号发生变化,提取这一变化,经放大和适当处理,控制器就会发出报警信号。图1为某高速入口处安装的红外限高装置。

(3)激光探测技术:激光探测与红外探测类似,激光对射探测器由激光发射机、激光接收机组成,以四束独立的激光束为警戒线。激光束发射的角度小,光束集中且单位光束能量强,目标接收激光束的功率密度是红外发光二极管光束的数倍,因而穿透雨、雪、雾、风沙能力强,极大地降低了误报率。

(4)多普勒微波感应技术:也称微波雷达(多普勒)感应探测,基于电磁波的多普勒原理来实现。微波雷达对物体的移动有快速反应,因此特别适用于快速行动物体的侦测。这种探测方式与其他探测方式相比具有如下优点:非接触探测:不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响,适应恶劣环境:抗射频干扰能力强:输出功率仅有2~5mw,对人体不构成危害:探测距离远。

综上,本系统主要采用前置808nm激光对射及5.8GHz微波雷达感应双鉴探测方式,基于多普勒原理,以平板天线发射和接收微波高频信号,感知覆盖范围内物体(人员、车辆、机具、飞鸟等)的相对移动信号,经单片机嵌入式程序分析运算安全距离后,对于具有危险因素的超高车辆,立即发出声、光、电警示信号,防止误碰、误伤高压线,保障输电线路稳定运行。

1.2防外破双鉴预警系统结构设计

防外破双鉴预警系统结构主要包括前置装置(一对)及装置本体两部分,如图2所示。

其中,前置装置主要包括:10一光伏供电管理单元、11一前置双鉴检测单元(808nm激光对射/5.8GHz微波雷达感应)、12一RF433M远距离无线射频发射单元。装置本体主要包括:20一光伏供电管理单元、21一定时计数装置、22一RF433M远距离无线射频接收单元、23一多路开关处理控制单元、231一图像抓拍取证单元、232一4GModem、233一LED频闪控制器、234一LED发光警示牌、235一发声控制单元、236一大功率扬声器、237一532nm激光警示线阵列。

2防外破双鉴预警系统应用设计

输电线路防外破双鉴预警系统工作原理如图3所示。

(1)前置装置安装在距离电力线杆前15m的立杆上,其中光伏供电管理单元10内置光伏电池组及太阳能板,将光能转换为电能持续向前置双鉴检测单元11及RF433M远距离无线射频发射单元12提供工作电源。

(3)前置双鉴检测单元11安装在车辆限高的距离下(立杆顶部距离光缆弧垂最低点1~3m处),并持续向公路另一侧发射不可见的多束红外激光及5.8GHz微波雷达信号,当超高车辆超过此距离,将遮断一束或多束激光,根据5.8GHz微波雷达发射脉冲和接收的时间差测算出超限距离,此时前置双鉴检测单元11向RF433M远距离无线射频发射单元13发出有效报警信号。RF433M远距离无线射频发射单元13接收到报警信号后,将此信号通过RF433M微波发送至RF433M远距离无线射频接收单元33。

(3)如图4所示,装置本体中,悬挂在光缆的光伏供电管理单元30向多路开关处理控制单元23提供工作电源,多路开关处理控制单元23通过总线向装置本体其他组件供电。

(4)装置本体中,多路开关处理控制单元23向定时计数装置21发出工作指令,定时计数装置21开始计时计数,同时多路开关处理控制单元23通过并行接口分别向532nm激光线阵列237输出控制信号,控制持续发出激光阵列警示线:向发声控制单元235输出控制信号,驱动大功率扬声器236发出警示音:向LED频闪控制器333输出控制信号,驱动LED发光警示牌334闪烁发光:向图像抓拍取证单元331输出控制信号,驱动抓拍现场图像,并通过4GModem333向远程管理员发送现场图像,便于后续追溯取证。

(5)装置本体中,定时计数装置31达到一个预设的定时周期后,通过多路开关处理控制单元33并行接口发出停止指令,重新进入待机循环状态。

3结语

本文依据当前输电线路防外力破坏的实际情况及常见的外破技防措施,研制了一套采用前置808nn激光对射以及5.8GHz微波雷达感应的双重探测预警系统,并采用装置本体与前置装置分离的设计,传输采用RF433M微波,实现了灾害前预警、过程中报警以及事后全程影像取证。多种技术手段促使司机能在远距离及早发现光缆,及时采取避让措施,有效避免事故的发生。

下一步研究重点将放在该系统的研发成本降低与现场安装实施的结构设计简化方面,并将该系统的推广应用纳入输电线路防外破综合治理的重要一环。