远程可视监控系统在输电线路防外破中的应用分析

　　通过对多年来输电线路运行情况及相关故障案例分析发现，输电线路故障多数是由于外界因素导致，如防护区内违章建筑、大风刮起的异物、线路下垂钓、树枝折断掉落在导线上或向导线上抛掷金属物体等均会引起线路跳闸。此外，大型的机械、吊车在线路下方作业，也可能会引起线路短路或断线事故。甚至有些人受利益的驱使，偷窃输电杆塔的导线、塔材、拉线、附件等，对线路安全运行造成很大的影响。

　　如何利用现代技术手段对电力杆塔、远距离的线路、分散的电力设施实施远程监控，保证输电线路更加安全可靠运行是电力部门致力解决的一项重要课题。

　　宿州供电公司组织研发了一套适用于输电线路运行维护的远程可视监控系统，能对输电线路周边状况及环境参数进行全天候监测，操作简便、监控有效，使输电线路运行于可视可控之中，大大提高输电线路运行的可靠性。

　　1 系统建设目标

　　输电线路远程可视监控系统的建设目的是满足建设坚强的电网发展，根据输电线路管理的要求，建立健全立体式输电线路全工况在线监测系统，实时准确地了解输电线路及周边环境情况。通过输电线路远程监控系统将视频监控和相关告警功能进行优化组合，能够有效地预测、降低输电线路故障，及时判断故障原因、对故障做出反应，对于保障电网的安全运行有十分重要的意义。输电线路视频监控系统能解决广覆盖、全天候、野外安装等诸多难题，可以实时地传回现场的视频图像、现场的故障告警，节省大量的电力线路的巡检人力，实现对线路故障做出快速反应，有很强的实际应用价值。

　　该系统的建设要实现以下几个方面的目标： （ 1） 使用的广泛性： 采取B /S 版，不需要在每台监控机都安装软件，只需在公司服务器上安装，连到公司网络的计算机即可登录。（ 2） 系统网站的专业性： 具备一般门户新闻网站版的后台管理系统，综合运用网站制作技术，动静结合、便于维护。（ 3） 系统的适应性： 系统可按线路、杆塔、监控目标将拍摄照片进行分类显示、存档，满足跨区域数据浏览、查询，可在其他公司推广和应用。

　　2 系统基本结构及技术创新

　　输电线路远程可视监控系统基本结构如图1 所示。该系统主要利用数字视频软件压缩技术、远程控制技术、GPRS /CDMA无线通讯技术、新能源及低功耗应用技术，将电力杆塔、线路现场的图像、气象等信息压缩、分组后通过GPRS /CDMA 无线网络传输到监控中心，从而实现对输电线路周边环境及环境参数的全天候监测。使管理及运行人员及时了解现场信息，将事故消灭在萌芽状态，减少巡视次数，为输电线路的巡视及状态检修开辟一条新的道路。

　　输电线路远程可视监控系统通过在选定的有危险点的杆塔上、易发生事故点安装图像监控装置，并通过移动的GPRS 网络，定时定点向监控后台发送拍摄到的图片，整套装置依靠太阳能板进行供电。使用无线GPRS 网络和INTERNET 网络进行通信，通过TCP /IP 协议进行网络数据传输，前端采集装置将数据传到主站（ 接收中心） 中，各监控终端访问主站就可以查看各监控点相关信息。该项目主要应用于易偷盗区、洪水冲刷区、不良地质区、线路烧火易发区、易放风筝区、线路下易垂钓区、通道树木（ 竹） 易生长区、导线易悬挂异物地区、线路周围建筑施工等易受外力破坏区、山川河流等人员不易到达区、违章建筑易发区域等电力环境。

　　为实现系统安全可靠、权限控制、使用简单、维护方便、扩展接口、升级容易的技术要求，输电线路远程可视监控系统在以下四方面实现创新。

　　2. 1 以DSP 为核心的嵌入式差值图像压缩技术

　　通过对JPEG 标准文件格式的分析可知，压缩图像的Huffman 码表和量化表附加在文件头中。就704 × 576 大小、256 级灰度图像而言，一张标准JPEG 算法压缩的普通图片约占数十千字节到上百千字节以上，要完成在窄带无线信道内的无误传输比较困难。考虑到摄像头监测的静态图像是铁塔塔身构件、绝缘子串、输电导线等视觉状况，基本属于“凝固态”，是缓变信号。间隔时间较短的前后两幅图像具有很强的相似性，如果直接对单幅图像进行JPEG 压缩就无法利用前面已经获知的信息，压缩效率低，故系统采用对差值图像进行压缩的处理方法。

　　DSP 接收由图像传感器拍摄的实时图，首先将其与存储器中的基准图进行配准，然后以像素对应的方式相减。针对差值图像的特性，将其分为16 × 16 的子块，依次经过离散余弦变换（ DCT） 。对DCT 系数采用基于期望压缩比的量化模型量化，量化结果经过熵编码（ 包括行程编码和Huffman 编码） 压缩，压缩后的数据流按最大256 个字节数拆分，并将各帧通过并行或串行接口发往主控板，主控板进行存储，然后通过GPRS /CDMA 网络依次发送到基站。将组合数据依次经过熵解码、反量化、IDCT 变换后恢复差值图像，并与基准图库中的相应基准图进行矩阵相加，以恢复实时图像。此后，监控中心和线路上的监控装置分别以恢复图取代基准图，进行同步更新。一般变化幅度不大的图像，运用差值图像压缩技术后可提高60% ～ 90%的传输效率。

　　2. 2 选择ARQ 误码重传及多通道并行传输技术的应用

　　针对GPRS /CDMA 网络传输速率低、误码率相对较高的状况，采用数据分组、选择ARQ 误码重传的方法，使图像传输效率和成功率大幅度提高。将图像数据分割为每包不超过256 个字节的数据包，每包有唯一包号，传输时可同时启用1 ～ 2 路数据传输设备，发送方与接收方建立握手信号后，发送方将各数据包依次发送完毕，最后一包发送多遍，直到收到接收方应答。接收方收到末包数据后，查询数据表，将未收到包的数目及包号发送给监控装置，监控装置根据错误包号组织数据发送，直到收到中心错误包数为零时，结束本次通讯。此种通讯具有通讯效率高，适合窄带通讯网络传输，并可根据需要同时启用多路传输设备并行传输，提高通讯速度。传输中采用UDP 协议，避免TCP 协议传输中的时间等待、重传等时间开销，相比TCP 协议约可提高20% ～ 30%的通讯效率。

　　2. 3 新能源技术及低功耗技术

　　输电线路远程视频监控装置安装在输电线路杆塔上，对线路状态进行长年监控，必须较好地解决装置的电源问题。如从高压线路的导线取能，设备的绝缘问题难以解决，势必提高设备的制造成本，同时还会引入电磁干扰，降低设备可靠性。采用以太阳能电池对蓄电池进行浮充的供电方式，并采用微处理器对电池特性进行实时检测，严格按照蓄电池充放电特性曲线进行充放电控制，从而大大延长蓄电池的使用寿命。

　　监控装置中央控制板采用超低功耗MSP430 16 位RISC 结构的单片机，同时考虑到本系统对实时性的要求并不十分严格，因此综合采用以下措施降低功耗： 将DSP 图像采集压缩模块与主控模块单独设计，其接口为并行或串行通讯，由于DSP 芯片功耗较高，因此只有在需拍摄时才通电启动，每次工作时间仅约十秒种，其大部分时间处于断电状态，大大降低了整机功耗。对通讯模块也采用分离式设计，采用系统待机，定时开机等工作模式，降低功耗。

　　2. 4 防电磁干扰技术

　　视频压缩模块、通讯模块、中央控制板等均由精密电子元器件组成，运行在高压输电线路铁塔上，属于典型的弱电系统在强电环境下的应用。高压输电线路周围电磁干扰的覆盖频谱从几十赫兹到数兆赫兹以上，范围较宽，干扰非常严重，因此必需解决系统的抗干扰问题。在线路设计时严格按照电磁兼容性原理进行设计，并加上软件及硬件看门狗，实时监控主微控制器的运行状态。在壳体上采用三层屏蔽措施。最外层采用密封铁制壳体、中层密封铝合金壳体、线路板用铜制屏蔽层，很好地解决系统电磁干扰问题。

　　3 系统应用情况

　　宿州供电公司对输电线路远程可视监控系统进行试验，通过设备传回的图片和数据，可以有效加强对线路运行中危险点监测。根据输电线路实际情况，先后在220kV 南姬线43#、35#杆，220kV 国姬线3#、67#、87#杆， 220kV 纵陇线23#、165#杆和110kV 姬刘线2#、13#杆等需要重点监测的线路杆段安装输电线路远程可视监控系统，并按照季节性和线路区域特点进行布点转移。自系统安装投运至今共发现违章大型机械施工15 次，违章建房18 次，及时发现并制止电力设施被盗5 起，对输电线路的安全运行起到很好的作用。

　　远程可视监测系统对输电线路可能发生的危险点和特殊区域进行实时监控，取得良好的经济效益和社会效益。另外，考虑系统的特点，还可以对危险点进行流动监测。该系统的建设符合企业信息化发展的需要，能有效提高输电线路设备管理的科学化、现代化管理水平，大大降低输电线路管理的生产成本，具有广泛的应用前景和推广价值。

　　4 小结