一种多功能防外破在线监测预警仪★

周健廷

（山西天脊煤化工集团有限公司， 山西 长治 047500）

引言

随着我国电力设施的持续大力投建，输电线路的建设得到了长足发展。输电线路有着点多线长面广野外的特点，犹如人体大动脉般广泛分布于乡郊野外，电力部门及企业或无法对其实时监控。而外力破坏具有相当大的隐蔽性和随意性，这就决定了输电线路外力破坏根治的艰巨性和长期性。有统计显示，目前输电线路由于外力破坏次数约占输电线路跳闸总次数的40%左右，主要表现为违章施工、异物碰线两种形式，其中以因违章施工导致吊车、塔吊及渣土车等大型机械碰触带电导线对输电线路的危害最大。各种因素叠加造成的外线破坏隐患和事故，严重威胁到电网的正常运行。

1 多功能防外破在线监测预警仪构造

一种多功能防外破在线监测预警仪，包括预警仪本体和为在线监测预警仪供电的太阳能电池板，还包括：单片机、固定在预警仪本体上的雷达组件、红外线在线检测仪和沉降水准器、连接在预警仪本体上的倾斜探测器和网络信号系统、用于将在线监测预警仪与高压杆塔角钢相连接的卡固机构；所述雷达组件包括雷达探测器和控制雷达探测器休眠与否的继电器，所述雷达探测器输出信号端与继电器的输入信号端连接，继电器的输出信号端与单片机输入信号端连接；所述红外线在线检测仪、沉降水准器、倾斜探测器的输出信号端分别与单片机的输入信号端连接，所述单片机输出信号通过信号传输到客户端，即所述单片机将数据收集后，其输出信号通过网络信号系统散发的无线信号将收集的数据发射到电脑/手机/平板客户端或客户端后台。

该系统包括连接在预警仪本体上的次声波发生器和可播放报警声音的喇叭，单片机的输出信号可以分别与所述次声波发生器、可播放报警声音的喇叭的输入端电信号连接；次声波发生器为IC555-P型次声波发生器，发生频率为10 Hz；太阳能电池板为SPCE061A单片机供给电源；单片机为SPCE061A单片机；继电器为37G13-50001AMP型继电器；雷达探测器为RCWL-0516型雷达探测器；倾斜探测器为SVT627T型倾斜探测器；对称设置在预警仪本体两侧交替爆闪的红、蓝LED灯珠与单片机输出端信号连接。搭载TAYB0620-30NB型红外线在线监测仪，检测仪本体的两侧各设一个，且外置安装于预警仪雷达探测器的正下方，用于发射接收或红外线，其中，一侧将红外线发射至对面杆塔，另一侧接收对面杆塔发射过来的红外线，其红外有效作用范围为直线距离250 m。搭载YSA-P4GD-TYN-P型摄像头语音辅助控制系统，具有360°旋转，无线传输和热点连接电脑、手机、平板灯等客户端功能，可安装使用MicroShare软件，适用于 Windows、Android、iOS、MAC OS等多种操作系统。还包括风力杆件，风力杆件可以自然风力为动力，在支架上安装三个相隔120°的风碗，在风碗上加装镜片，风轮在风力推动的作用下转动。卡固机构为设置在所述预警仪本体底部的螺孔螺栓组件、或卡槽件。太阳能电池板为单片机、雷达组件、红外线在线监测仪、倾斜探测器、沉降水准器供给电源。产品外观及各部分组成如下页图1所示。

2 工作原理

正常情况下，红外线探测仪发射端发射红外线，接收端正常接收，系统不报警。当有异物接近时，遮断了红外线探测仪发射端发出的光速，使接收端不能正常接收，红外线距离高压线还有1～3 m的距离，因此红外线被遮断就需要高度警惕，预警仪探测到异物信息后将信号传到单片机上，单片机将信号通过信号传输到客户端，同时单片机发出指令控制预警仪LED灯爆闪，发出预警声音，扬声器喇叭播放“高压危险，请勿靠近”提示音，直至异物远离，不构成红外遮断，则预警仪进入监控状态。

图1 多功能防外破在线监测预警仪结构图

实际上，由于高压线路较长，高压塔杆上设有上百个上述重复的多功能高压线路在线监测预警仪单元，每个多功能高压线路在线监测预警仪单元左右分别对称设有红外发射器，若干个红外发射器的工作原理为：采用脉动式红外光束，红外光不间歇地1 s发出4道光束，有效对射距离为250 m。利用光束遮断方式作探测：当有移动物体横跨过监控防护区时，遮断不可见的红外线光束而引发警报；红外发射器需要成对使用，一个发射，一个接收，第一台多功能高压线路在线监测预警仪右侧的红外发射器的发射器发出4束红外光，形成警戒线，有物体通过，光线被遮挡，第二台多功能高压线路在线监测预警仪左侧的红外发射器的接收器信号发生变化，放大处理后报警，经单片机处理，通过光束遮断时间进行数据分析判断是否为异物，并将数据通过网络信号系统传输到客户端后台；红外线在线监测仪的发射器和接收器部分要选择合适的响应时间：太短容易引起不必要的干扰，如小鸟飞过等，其穿过时间一般不会超过1 s；太长会发生漏报。故通常以10 m/s的速度来确定最短遮光时间。若吊车吊臂的宽度为1 m，当其接近红外探测器的探测范围内时，则最短遮断时间为20 ms。大于2 s报警，小于2 s不报警。红外对射探测器主要应用于距离比较远的杆塔、围墙、楼体等建筑物，与红外对射栅栏相比，他的防雨、防尘、抗干扰等能力更强。

本系统搭载SVT627T型倾斜探测器， 其工作原理是：通过建立并验证输电线路导线倾斜角、绝缘子杆塔倾斜角、环境温度、湿度、风向等环境信息之间的各种理论计算模型，并结合专家知识库，给出杆塔倾斜情况，通过单片机和网络信号系统将数据进行实时传输到客户端后台，从而提高系统计算的精度。当数据传输到客户端后台，电力调度运行人员可根据反馈的数据来判断杆塔是否有倾斜，同时及时给出抢修信息。例如，在监测过程中，当杆塔倾斜角度出现异常时，系统便能够通过及时将告警信息发送给后台，电力调度人员看到后对线路运行状况予以关注，并采取相应的处置措施。

本系统也具有驱逐的工作能力：当有鸟类飞过或风筝掠过，雷达探测器捕获移动物体信息，转化为电信号，触发37G13-50001AMP型继电器，其向SPCE061A单片机系统发出电信号指令，使SPCE061A单片机系统同时触发次声波发生器发出10 Hz次声波、LED爆闪灯高频闪动、可播放报警声音的喇叭发出鸟类恐惧声响、预警提示音；配合风力杆件旋转进行驱逐；通过摄像头语音辅助控制系统的可控摄像头监控与摄像头语音系统也可以进行驱赶，以达到驱逐危险行为的目的。当5 min内未探测到危险行为，则转入休眠模式，直到下次危险行为靠近再次触发工作；其中，危险行为包括检修作业施工不安全行为、吊车、塔吊及渣土车等大型机械误操作致使碰触线路行为；鸟类活动造成的高压线路短路或闪络行为；故意偷盗电力设施引发的线路损害和人身伤亡行为等。以110 kV高压线路杆塔为例，杆塔高度多为12～18 m，预警仪安装高度一般为10 m左右，可保证在以预警仪为球心、半径为10 m的360°球面范围内。当探测到鸟类等生物通过时，达到雷达探测范围，预警仪工作；当杆塔下面人类等牲畜通过时，达不到雷达探测范围，预警仪不工作。

YSA-P4GD-TYN-P型摄像头语音辅助控制系统与SPCE061A单片机系统相对独立，摄像头语音辅助控制系统具有独立的太阳能电池板提供电源，户外防雨防水，语音对讲，内置高清降噪拾音器和大音量喇叭，通过APP可以进行远程对讲；视频监听，录像的同时也在录音，清晰降噪监听。YSA-P4GD-TYN-P型摄像头语音辅助控制系统可与网络信号系统连接，网络信号系统可以使用WIFI或标准大小SIM流量卡，采用工业级路由器，室外防水IP65，有热点可以中继，储能锂电池为11 Ah，太阳能电池板为单晶硅11 W/3.8 V，该路由器可同时连接256台摄像头或用户设备。这样只要接收者客户端手机或电脑或平板联网，不管国内国外，无论家中单位，只要使用手机、电脑连接互联网或4G/5G网络，都能随时随地看到杆塔上的实时情况。具有长时间待机功能。摄像头功耗低，在太阳能电池充满（晴天正常情况电池充满时间为8 h）状态下阴雨天气可实现连续供电10 d，智能工作模式下最长可达到180 d。非常适合电力系统的“春检-秋检”频率。具有AP热点功能。摄像头语音辅助控制系统发出AP热点后，手机可以直接连接该热点，点开MicroShare APP，就可以查看图像，并可以进行图像清晰度调节、录像回放查询等功能。系统自带AP热点功能，可在无WIFI、无4G/5G网络情况下，手机可接访问摄像头的功能。距离不宜超过20 m，在杆塔下可实时观测。电脑客户端同理，AP热点直连可同时支持256台电脑或手机同时访问。具有WIFI连接功能，摄像头语音辅助控制系统还可以连接普通路由器散发的WIFI，可连接工业路由器散发的热点。具有实时监控回放功能，打开客户端即可远程查看录像文件，智能选择录像回放节点，轻轻松松了解过去发生的一切。摄像头清晰度为1080P，可选高清、标清、流畅制式。录影录像，重要节点标记。具有红外夜视功能，8灯红外夜视，夜视20 m，远近监控都清晰。具有360°旋转功能。通过摄像头语音功能，可以连接客户端，在客户说话的同时，塔上摄像头的扬声器会同步发出相同声音，使吊车或放风筝靠近等危险行为得到制止。具有远程唤醒功能，通过客户端可以随时打开、关闭摄像头，也可以将摄像头设置成待机状态，配合PIR移动侦测功能使用。具有PIR移动侦测功能，信息推送功能。摄像头内置PIR红外感应，摄像头处于待机状态，当侦测到有异物（如吊车靠近、人爬上杆塔或鸟类飞过杆塔等），摄像头都可以迅速唤醒开始录像并保存，并主动推送到客户端警情信息。可通过客户端控制摄像头的开闭。具有录像自动循环覆盖功能，插入内存卡就可以自动保存录像，当录像存储满了，可智能循环录像，客户端可远程回放监控。在1080P分辨率下，调为标清模式智能存储，使用8 GB卡，可实现10 d存储；16 GB为20 d，以此类推。系统图如图2所示。

在本系统中，SPCE061A单片机数据信号系统由雷达组件、红外线在线探测仪、沉降水准器、倾斜探测器共同提供，次声波发生器、可播放报警声音的喇叭、红外线在线探测仪、沉降水准器、倾斜探测器、摄像头语音辅助控制系统的输出电信号接到SPCE061A单片机的输入信号，SPCE061A单片机的输出信号传输到网络信号系统的输入信号，再以无线方式发射至远端客户端后台，后台以做出恰当指令提示；SPCE061A单片机主要还是为雷达组件、红外线在线探测仪、沉降水准器、倾斜探测器提供服务，红外线在线探测仪、沉降水准器、倾斜探测器中自带单片机的输出信号与SPCE061A单片机电信号连接。

图2 多功能防外破在线监测预警仪系统图

3 使用情况及应用前景

通过使用本系统，可以有效避免外线破坏跳闸引起的经济损失；有效避免人为操作失误造成的跳闸事故；有效避免跳闸后设备特巡、人员登塔检查维修造成的人力物力财力等支出；有效避免电路破坏损失及其造成的社会及其他损失；有效预防高压杆塔鸟害事故；有效预防地质运动或高压线拉力导致杆塔倾斜倾倒事故；有效预防高压杆塔人身伤亡事故等。倘若发生以上情况，系统可以将信息第一时间推送到政府、电力部门、企业、110公安、120急救、119消防、应急指挥中心等有关部门，开展联动措施。该系统的发明解决了国内高压杆塔无法实现远程可视化的问题，且极大缩短了事故响应、救援所需的时间。功能图如下页图3所示。

该项目的实施可弥补国内高压线路在线预警技术的空白。可应用于6～500 kV高压线路杆塔的智能可视预警系统和机场智能安防系统，普遍适用于工农业生产电力设施，特别适合于所有由电力一级负荷供配电的厂矿企业及部门。该系统不仅适用于电力部门，还对机场、车站、工业、农业等多种场所的重要环节有良好的预警功能，可后期改进推广。比如机场同样需要预警系统来配合治理动物危害和无关人员跑上机场跑道的危险行为，等等。通过结合5G和大数据技术，可使响应级别达到微秒级，极大缩短了事故响应、救援所需的时间。

4 经济效益预估

单台设备的制作费用为1 500元，若线路上有50根杆安装该系统，计算得到总成本是1 500元×50套＝75 000元。设计使用寿命为10 a及以上。

图3 多功能防外破在线监测预警仪功能图

以天脊集团为例，安装此预警仪，一次性投资75 000元（未含安装费），若成功避免外线破坏事故发生一次，用微小投资来避免巨额损失，带来的经济效益不言而喻。

据保守统计，晃电导致天脊集团全厂停车一次，再开至正常需48 h，多数产品需要更长恢复时间。按最小 48 h（2 d）计算，合成氨产能 1 500 t/d，售价 2100 元 /t，复肥 2973t/d，2050 元 /t，硝铵 600 t/d，售价 1 060元 /t，复肥二 600 t/d，售价 2 300元 /t，苯胺450 t/d，售价11 000元/t，则：事故停产损失费用=（合成氨停产日损失+复肥停产日损失+硝铵停产日损失+复肥二停产日损失+苯胺停产日损失）×停产天数 =（2 100元 /t×1 500 t/d+2 050元 /t×2 973 t/d+1 060元/t× 600 t/d+2 300元/t× 600 t/d+11 000 元 /t× 450 t/d）× 2 d=32 421 300 元，即：2 d 停产直接经济损失共计3 242.13万元，那么每成功预防一次事故，可节约资金3 242.13万元。当然，这些费用还不包括其他天脊集团未计费用，更不包括电网其他损失。

该预警系统可以有效对各类外力破坏事故进行预警监测，具有一定的使用价值和良好前景。做好防外力破外工作，可从根本上解决高压电能的输配电稳定问题，保证供电安全。

5 产品相关内容

2019年11月19日，该系统获得国家实用新型专利证书，专利号为ZL 2019 2 0898200.1，如图4所示。

图4 多功能防外破在线监测预警仪实用新型专利证书图

2020年3月，该系统被山西省科技厅选为国家重点研发计划，由作者积极配合申报，申报编号为SQ2020YFF0412169。