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【摘 要】随着人们生活水平在不断的提高，对于用电的需求在不断的加大，针对日益突出的线路外力破坏问题以及传统视频监控装置存在的短板，提出基于图像识别技术的输电线路防大型机械外力破坏监控预警系统。该系统应用混合高斯背景建模实现对大型机械入侵的定向识别，并结合微信平台实现以需求为导向的分级管控智能推送，建立了线路防外力破坏监控新模式。在佛山地区输电线路防外力破坏的应用实践中，该系统实现了24 h不间断智能监控的要求，大大提高了运维人员对线路外力破坏隐患的监管能力和工作效率，有效减少和预防了大型机械破坏线路事故的发生，为保障线路安全稳定运行提供了技术支持。
【关键词】输电线路；大型机械；外力破坏；图像识别；监控预警监控
引言
在输电线路附近施工的大型机械设备（如吊车、塔吊、泵车等）容易出现误碰输电线路引起导线断裂，造成电力事故和人员伤亡，给输电线路的安全运行带来巨大压力。目前，电力企业一般采用人工巡检、人员驻守等方式防止输电线路遭受外力破坏。近年来，一些高校和研究院所采用物联网技术和新型传感技术研究输电线路防外力破坏，出现了视频监控、激光、磁场检测和红外等新型防外破技术的研究和应用。视频监控技术受监控范围和有效性的限制，对环境因素要求高，而且不具有安全警示和风险预警的功能；激光技术具有测量精度高的特点，但功耗大，可以有效监控固定方向和距离的外力入侵，具有一定的局限性；磁场监测技术具有成本低、技术难度低的特点，但大型机械设备为金属材质，对磁场较为敏感，容易产生磁场屏蔽，造成测量精度低、误报率高；红外技术仅适用于杆塔附近近距离范围的防外力破坏，局限于人或者其他红外发射源的预警，同时受环境影响大，应用限制较大。
1输电线路外力破坏的形式及特点
输电线路外力破坏可以分为五大类：线下树木、违章建筑、违章施工、异物隐患、以及其他形式等。线路保护区内种植的果树、林木或绿化树等，都会造成输电线路的跳闸。线下树木具有季节性、反复性，难以有效根除。线下新建厂房、搭建简易房等现象层出不穷。线下违章建筑一般具有长期性、隐蔽性，建成后不易解决，容易发生人身触电事故。线路保护区内吊车、打井机、挖掘机、顶管机、大型货车等施工设备碰线或对线路安全距离不足极易造成跳闸。违章施工具有突发性、随机性、广泛性，已成为外破的主要原因。经常出现蔬菜大棚薄膜、彩钢板、风筝、广告条幅等异物被大风吹起缠绕电力线路导致跳闸。异物外破具有随机性、广泛性，不易防范。大风天气后易发生。其他形式包括线下堆积易燃易爆物品、线下鱼塘周边钓鱼，甩鱼竿等。
2系统功能描述及结构设计
2.1系统功能描述
智能监控系统设备安装在线路周边有大型机械施工的杆塔上，对整个施工现场的情况进行视频采集存储、图像等数据传输。监控系统后台终端对接收到的图像信息进行实时识别和分析处理，通过设定阀值比对图像长高比的算法，实现对大型机械的判别跟踪和预警。一旦系统识别出大型机械闯入设定的保护区，就会触发警报提示音和预警记录功能。在未发现大型机械入侵时，系统后台将根据设定时间定时对视频进行截图，并将图片上传至云服务器，微信平台可获取服务器上的图片并自动推送給关注企业公众号的用户，监控人员通过公众号对视频截图进行查看和判断，以便实时动态掌握施工现场信息。系统功能流程如图1所示。
2.2智能监控系统结构
1）塔上监控装置摄像模块应用红外滤片式自动切换网络摄像机，保证24 h采集画面质量。采用“一枪一球”的组合配置，球机可实现360°全景查看，枪机固定视角监控重点隐患区域。供电模块由太阳能控制器、磷酸铁锂电池、太阳板和电源转换模块组成。太阳能控制器保证系统供电的合理调用，同时能够对电池充、放电过程进行保护；电池及太阳板组件的选择结合佛山地区的日照情况，假定负载功率为10 W，负载工作电压为12 V直流，平均运行时间20 h，无足够光照最长持续天数5 d，邻近两次无足够光照最长持续天数间的最短间隔天数10 d为标准计算。电池容量CB及太阳能电池板方阵功率P的计算为 式中：A为安全系数，取1.1～1.4；Qd为正常工作下的日耗电量；Dd为无足够光照最长持续天数；T为温度修正系数，根据不同情况取值为1～1.2；Hdis为蓄电池放电深度；Ps为系统所需额定功率为50 W的太阳能极板；Ns太阳能电池组件串联数；Np太阳能电池组件并联数。经计算，供能方案选用150 W太阳能板1块和100 AH磷酸铁锂电池。通信模块由工业路由器和4G无线网卡配置组成，以实现图像的数据传输任务。在本系统中采用4G无线传输，网络摄像机将视频编码处理后的图像进行压缩、封装后再通过4G无线传输模块传送至后台终端服务器。这种通信方式时效性较高，可保证数据传输的速度和质量。2）远程监控后台终端远程监控后台终端采用集中与分散相结合的管理模式。集中管理是指后台终端接收所有从塔上监控装置回传的视频、图像、监控设备状态信息等数据，统一存储在数据库中，为数据的集中提取、分析和统计提供支撑；分散管理是指对监控采集到的画面，通过微信平台进行分层级、分班组转发，相关线路责任人只需关注自己管辖的线路情况，针对性强，效率高。
2.3报警装置的设计
报警装置采用模块化设计，包括声光报警单元、电量检测模块、充电保护模块、RF433射频模块、GPRS通信模块、北斗/GPS定位模块、电池模块和MSP430单片机模块。声光报警单元主要用于本地报警和状态指示；电量检测模块对报警装置的电池电量进行检测；充电保护模块用于为电池充电，具有过充保护；RF433射频模块用于检测装置与报警装置的无线通信；GPRS通信模块用于报警装置与后台服务器的数据通信；北斗/GPS定位模块用于获取报警装置的位置数据；电池模块用于为报警装置提供电能。报警装置安装有锂电池，同时能够进行外部供电，其电池能够保证报警装置断电后工作6h。
3系统应用实践
某电网目前管辖110～500 kV输电线路5400多千米，施工黑点达两百余个。根据近5年的统计，外力破坏跳闸占总跳闸比例40%以上，主要原因是：一方面佛山地处珠三角地区，城市建设发展迅速，施工较多，土地资源紧张，线路密集；另一方面，传统人工巡视的密度和周期都无法实现对外力破坏的实时管控，存在巨大的安全隐患，且传统视频监控误报多，工作时长不定，维护等资费大，消息推送效率不高。采用本文智能视频监控系统不仅可以减少误报，使监控目标更准确，同时信息推送方便快捷、针对性强，且设备本身配置更加合理高效，费用较少，工作运行持久。
结语
输电线路防外力破坏智能监控系统在佛山电网实际应用及其效果表明，通过智能识别大型机械、分级管控信息推送，解决了传统视频监控与生产实际匹配的不足，为线路远程智能化防外力破坏监控的大规模应用提供了参考和技术支持。该系统实现了24 h不间断工作，有针对性的智能图像分析和手机微信自动推送大幅度提高了监管防大型机械外力破坏的效率和质量，提高了线路的运行安全。该系统还将进一步朝着微型化和物联网传感数据的方向发展，通过大量的图像信息、各种监测数据，利用大数据技术，为输电线路运维策略提供更加全面准确的依据和保障。
参考文献：
[1]刘高，曾懿辉.嵌入式视频和图像识别技术在架空输电线路智能监控中的应用研究[J].计算机系统应用，2013，22（11）：58-61.
[2]薛阳，张晓宇，杨天宇，等.输电线路自主巡检无人机控制逻辑设计[J].广东电力，2017，30（3）：94-99.
（作者单位：国网新疆电力有限公司喀什供电公司）
【关键词】输电线路；大型机械；外力破坏；图像识别；监控预警监控
引言
在输电线路附近施工的大型机械设备（如吊车、塔吊、泵车等）容易出现误碰输电线路引起导线断裂，造成电力事故和人员伤亡，给输电线路的安全运行带来巨大压力。目前，电力企业一般采用人工巡检、人员驻守等方式防止输电线路遭受外力破坏。近年来，一些高校和研究院所采用物联网技术和新型传感技术研究输电线路防外力破坏，出现了视频监控、激光、磁场检测和红外等新型防外破技术的研究和应用。视频监控技术受监控范围和有效性的限制，对环境因素要求高，而且不具有安全警示和风险预警的功能；激光技术具有测量精度高的特点，但功耗大，可以有效监控固定方向和距离的外力入侵，具有一定的局限性；磁场监测技术具有成本低、技术难度低的特点，但大型机械设备为金属材质，对磁场较为敏感，容易产生磁场屏蔽，造成测量精度低、误报率高；红外技术仅适用于杆塔附近近距离范围的防外力破坏，局限于人或者其他红外发射源的预警，同时受环境影响大，应用限制较大。
1输电线路外力破坏的形式及特点
输电线路外力破坏可以分为五大类：线下树木、违章建筑、违章施工、异物隐患、以及其他形式等。线路保护区内种植的果树、林木或绿化树等，都会造成输电线路的跳闸。线下树木具有季节性、反复性，难以有效根除。线下新建厂房、搭建简易房等现象层出不穷。线下违章建筑一般具有长期性、隐蔽性，建成后不易解决，容易发生人身触电事故。线路保护区内吊车、打井机、挖掘机、顶管机、大型货车等施工设备碰线或对线路安全距离不足极易造成跳闸。违章施工具有突发性、随机性、广泛性，已成为外破的主要原因。经常出现蔬菜大棚薄膜、彩钢板、风筝、广告条幅等异物被大风吹起缠绕电力线路导致跳闸。异物外破具有随机性、广泛性，不易防范。大风天气后易发生。其他形式包括线下堆积易燃易爆物品、线下鱼塘周边钓鱼，甩鱼竿等。
2系统功能描述及结构设计
2.1系统功能描述
智能监控系统设备安装在线路周边有大型机械施工的杆塔上，对整个施工现场的情况进行视频采集存储、图像等数据传输。监控系统后台终端对接收到的图像信息进行实时识别和分析处理，通过设定阀值比对图像长高比的算法，实现对大型机械的判别跟踪和预警。一旦系统识别出大型机械闯入设定的保护区，就会触发警报提示音和预警记录功能。在未发现大型机械入侵时，系统后台将根据设定时间定时对视频进行截图，并将图片上传至云服务器，微信平台可获取服务器上的图片并自动推送給关注企业公众号的用户，监控人员通过公众号对视频截图进行查看和判断，以便实时动态掌握施工现场信息。系统功能流程如图1所示。
2.2智能监控系统结构
1）塔上监控装置摄像模块应用红外滤片式自动切换网络摄像机，保证24 h采集画面质量。采用“一枪一球”的组合配置，球机可实现360°全景查看，枪机固定视角监控重点隐患区域。供电模块由太阳能控制器、磷酸铁锂电池、太阳板和电源转换模块组成。太阳能控制器保证系统供电的合理调用，同时能够对电池充、放电过程进行保护；电池及太阳板组件的选择结合佛山地区的日照情况，假定负载功率为10 W，负载工作电压为12 V直流，平均运行时间20 h，无足够光照最长持续天数5 d，邻近两次无足够光照最长持续天数间的最短间隔天数10 d为标准计算。电池容量CB及太阳能电池板方阵功率P的计算为 式中：A为安全系数，取1.1～1.4；Qd为正常工作下的日耗电量；Dd为无足够光照最长持续天数；T为温度修正系数，根据不同情况取值为1～1.2；Hdis为蓄电池放电深度；Ps为系统所需额定功率为50 W的太阳能极板；Ns太阳能电池组件串联数；Np太阳能电池组件并联数。经计算，供能方案选用150 W太阳能板1块和100 AH磷酸铁锂电池。通信模块由工业路由器和4G无线网卡配置组成，以实现图像的数据传输任务。在本系统中采用4G无线传输，网络摄像机将视频编码处理后的图像进行压缩、封装后再通过4G无线传输模块传送至后台终端服务器。这种通信方式时效性较高，可保证数据传输的速度和质量。2）远程监控后台终端远程监控后台终端采用集中与分散相结合的管理模式。集中管理是指后台终端接收所有从塔上监控装置回传的视频、图像、监控设备状态信息等数据，统一存储在数据库中，为数据的集中提取、分析和统计提供支撑；分散管理是指对监控采集到的画面，通过微信平台进行分层级、分班组转发，相关线路责任人只需关注自己管辖的线路情况，针对性强，效率高。
2.3报警装置的设计
报警装置采用模块化设计，包括声光报警单元、电量检测模块、充电保护模块、RF433射频模块、GPRS通信模块、北斗/GPS定位模块、电池模块和MSP430单片机模块。声光报警单元主要用于本地报警和状态指示；电量检测模块对报警装置的电池电量进行检测；充电保护模块用于为电池充电，具有过充保护；RF433射频模块用于检测装置与报警装置的无线通信；GPRS通信模块用于报警装置与后台服务器的数据通信；北斗/GPS定位模块用于获取报警装置的位置数据；电池模块用于为报警装置提供电能。报警装置安装有锂电池，同时能够进行外部供电，其电池能够保证报警装置断电后工作6h。
3系统应用实践
某电网目前管辖110～500 kV输电线路5400多千米，施工黑点达两百余个。根据近5年的统计，外力破坏跳闸占总跳闸比例40%以上，主要原因是：一方面佛山地处珠三角地区，城市建设发展迅速，施工较多，土地资源紧张，线路密集；另一方面，传统人工巡视的密度和周期都无法实现对外力破坏的实时管控，存在巨大的安全隐患，且传统视频监控误报多，工作时长不定，维护等资费大，消息推送效率不高。采用本文智能视频监控系统不仅可以减少误报，使监控目标更准确，同时信息推送方便快捷、针对性强，且设备本身配置更加合理高效，费用较少，工作运行持久。
结语
输电线路防外力破坏智能监控系统在佛山电网实际应用及其效果表明，通过智能识别大型机械、分级管控信息推送，解决了传统视频监控与生产实际匹配的不足，为线路远程智能化防外力破坏监控的大规模应用提供了参考和技术支持。该系统实现了24 h不间断工作，有针对性的智能图像分析和手机微信自动推送大幅度提高了监管防大型机械外力破坏的效率和质量，提高了线路的运行安全。该系统还将进一步朝着微型化和物联网传感数据的方向发展，通过大量的图像信息、各种监测数据，利用大数据技术，为输电线路运维策略提供更加全面准确的依据和保障。
参考文献：
[1]刘高，曾懿辉.嵌入式视频和图像识别技术在架空输电线路智能监控中的应用研究[J].计算机系统应用，2013，22（11）：58-61.
[2]薛阳，张晓宇，杨天宇，等.输电线路自主巡检无人机控制逻辑设计[J].广东电力，2017，30（3）：94-99.
（作者单位：国网新疆电力有限公司喀什供电公司）