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1、基于激光雷达的变电站空域异物入侵检测策略与系统设计曾金刘清鸿丁梓楠许彬曾金1998.本 科/11研要究/男方 向/江为西电赣气州检人测/袁汉电/力变换等/厦门大学航空航天学院渊厦门 361000冤刘清鸿厦门 大学 航空 航天 学 院 渊 厦 门361000冤丁梓楠厦 门 大 学 航 空 航 天 学 院 ( 厦 门361000)许彬国网福建省电力有限公司检修分公司(福州 350000)摘要变电站周边漂浮异物一直是影响电网安全稳定的棘手问题之一。塑料薄膜、 气球、 风筝、 广告牌等漂浮物由于大风或人为等各种因素， 可能入侵变电站周界。 这些高空入侵物可能会引起线路故障， 甚至造成局部甚至是区域停电
2、。 为排除漂浮入侵物的隐患， 本文设计并研制了基于激光雷达的变电站高空异物入侵监控系统。 变电站现场测试显示， 本系统能够快速准确的发现高空漂浮物的入侵并进行入侵位置定位，提醒工作人员及时处理入侵异物， 保障变电站的正常运行。关键词高空异物入侵;激光雷达;变电站周界防御中图分类号: TP242;TN958.98文献标识码: ADOI： 10. 19694/j. cnki. issn2095-2457. 2020. 03. 0090引言变电站作为电能输送的重要中转站， 是电力系统中至关重要的一环。变电站的运行是否安全稳定关系着整个电力系统的安全性、 可靠性 1。变电站周边漂浮异物一直是影响电网安
3、全稳定运行的棘手问题之一。 变电站大多数处于露天环境之中， 诸如塑料薄膜、 塑料袋、 气球、 风筝、 铁皮等各类漂浮物由于大风或人为等各种原因， 可能入侵变电站周界。在天气变化时， 这些入侵物就有可能引起线路故障， 轻微的可能引起站内单间隔设备跳闸， 导致设备非计划停运， 严重的还可能造成电网的 负荷损失， 社会经济影响巨大。故障2014扩大年， 永10登月变19电日站甘全肃停永。2010登变年电春站节因，异一物盏入孔侵明发灯生导A致相了接荆地州短一路35kV， 随着变电站跳闸， 造成大区域停电， 百余名群众被困电梯。目前，变电站周界漂浮物入侵监控手段 非常有限。常规方法是人 工巡检。人工巡检
4、主要靠作业人员的主观感官判定， 对工作人员的工作经验及业务水平要求较高。但即使是经验丰富的巡检员， 定期人工巡查的解决方法对于漂浮物的入侵检测具有不确定性， 效率也相对较低， 容易造成遗漏， 不能及时处理及清理入侵异物， 为变电站的正常运行埋下安全隐患。近年来， 随着视频图像识别技术和机器人技术的快速发展， 智能机器人自动巡检， 图像跟踪识别等方法也开始被逐渐用于变电站的异物入侵防治研究。巡检机器人稳定工作依赖于传感器的数量和精度，在复杂环境下的工作面临着巡航轨迹偏差、 采集表计误差大、 工作效率低、 开发设计难度高成本高等问题 2，且依旧无法克服巡检时间不连续及数字视频检测易受环境光线及天气
5、影响等不足， 目前并不能够广泛高效应用。而使用图像识别技术来进行变电站空S cience & Te chno logy Vision21域 入 侵 物 监 测 需 要 在 变 电 站 及 周 围 安 设 大 量 的 摄 像机， 通过图像处理获取异物入侵信息。该系统成本相对较低， 且易实现。但图像识别技术要受到拍摄图片的质量 3， 异物大小和异物距离所限制。天气、 光照强度， 昼夜等复杂的外界因素又会对识别结果的精准性，检测算法的鲁棒性造成影响，尚不适用于变电站的大范围异物入侵检测。在此背景下，为及时发现变电 站 周 界空 域 异 物 入侵， 有效减少漂浮入侵物带来的运行故障和事故， 维护变电站
6、的安全稳定运行，提升电网运行的稳定性与安全性，本文提出了一种基于激光雷达的变电站漂浮异物入侵检测策略，并研制出一款变电站异物入侵智能监测系统。该系统能够全天候实时监测变电站周界空域环境， 合理滤除无效信号及微小干扰， 对周界异物入侵的危险情况进行预警。此变电站周界异物入侵智能识别及预警系统， 对当前无人值守变电站、 甚至是输电线路等电网设备的安全运行具有一定意义。探测金属等高反射率物体。变电站入侵漂浮物多为塑料、 橡胶、 布匹等反射率较低的物体， 几乎 不反射 电 磁波， 传统雷达装置难以完成探测。为克服 这一 问题 ， 本研究 综合考虑检测距离性 能及成本等要素， 选用激光 雷达探头作为监测
7、传感器， 采用飞行时间法来完成变电站周界异物入侵监控预警系统的搭建。22. 1检测策略与系统搭建检测策略考虑到漂浮物的飞行高度，系统将对变电站围墙上空30m内的入侵变电站周界的漂浮物进行定位预警。此时， 探测平面可以认为是与地面垂直的竖直平面。研究选用北京神州太讯科技有限公司生产的CVC-LR60型激光雷达，其雷达探测半径可达60m。 此激光雷达扫描频率为36kHz， 每隔0.25毅 发射一束激光束， 异物存在分辨率为0.25毅 。可以快速地检测到障碍物的位置信息。本研究将激光雷达探头横向放置与变电站围墙或围栏中部， 调整激光发 射平面与地面垂直， 扫描角度设置为180毅。此时， 雷达探头的扫
8、描平面为雷达装置上方的半径为 60m 的半圆形竖直平面。激光雷达可以检测到穿过此平面的高空漂浮物并做出报警，提 醒变电站工作人员进行处理。 若要实现高度 30m 以内的监控， 单台激光 雷达装置可完成约 104m 的变电站周界监控。11. 1激光雷达的原理与优势激光雷达检测原理激光雷达通过检 测发射光束与反射光 束 之 间 的光学路径、时间差或相位差来检测自身与被测物体之间的距离、 方位、 形状， 从而对被测物体进行识别与跟踪。根据工程所需的测距距离， 激光雷达的测距方法主要分为 3 种， 分别为三角法， PTOF 法(飞行时间法)和调幅连续波法。本 系统所使用的为 PTOF 法。其 核心原理
9、为： 激光雷达的激光发射器向障碍物发射光束， 遇到障碍物后折返， 由激光接收器接收。通过计时器记录激光光束从发射到折返的时间差， 与激光速度香橙， 得出被测物体与雷达之间的距离方位信息 4- 5。1. 2激光雷达检测优势激光雷达具有探测范围广， 采样频率高， 输出信号易处理， 抗干扰能力强的特点 6。它可以在各种复杂的环境下长时间工作，大范围地检测入侵异物的位置信息， 完成实时监控异物入侵的任务。激光雷达实时以 一定频率向周围一水 平 面 内 发射激光束。激光雷达的信息处理量少且处理速度快， 可以在异物进入或穿过探测平面的一瞬间探测出异物的存在， 并迅速做出报警。综上所述，激光雷达具有探测距离
10、远、抗干扰能力强、 精度高等特点， 广泛应用于交通 避障， 障碍物检测等。1. 3激光雷达在变电站异物入侵上的应用传统雷达装置探测原理是电磁波的反射， 主要用来2220203/图 12. 2系统搭建雷达检测策略示意图图 2297系统的总体框架本系统主要由激光雷达， 控制 器， 上位机 界面等三个部分组成，此外还具有外设报警装置及视频监控系统等可扩展功能。系统的总体框架如下图 2 所示。系统工作时，控制器首先 接收 激 光 雷达 的 输出 信号， 将进行转化为入侵物位置信息， 通过 TCP 网络协议与上位机进行通信， 将异物的方位信息传输给上位机，并在监控界面中显示。此外， 控制器能够将上位机指
11、定的区域设置成指定报警区域，在 有异物入侵指定报警区域时通过 I/O 口控制外接报警装置进 行报警。上位机程序也具有可扩展性，能够将入侵漂浮物信息传送至变电站视频系统，通过调节摄像装置的拍摄距离及角度， 完成异物信息的进一步提取。系统采用华为海思 3516 型控制器，通过雷达 探头激光发射时间与反射接收时间之差，来获取探测平面内的异物位置等信息。系统通过 TCP 网 络协议实现控制 器 与 服务 器 件的无线通讯。上位机 界 面 采用 Visual Vtudio 2012 集 成 开发环境，使用 C# 高级语言对系统进行 Windows 窗体界面应用程序进行编写和设计，上 位机监控界面如图 3
12、所示。程序可监控变电站周界空域， 并可将漂浮入侵异物位置实时显示在模拟监控平面上。此外， 系统还将异物信息存储 至 数据 库 及 传输 至 变 电站 视 屏监 控 系 统，以备工作人员进行进一步查验与及时处理。图 3上位机监控界面3实验测试结果为了验证系统的可行性， 项目组在泉州 500kV 紫岭变搭建测试系统， 对不同的外界环境下， 不同种类的漂浮物入侵进行了模拟测试与研究。3. 1不同漂浮异物的影响选用 塑 料袋 、 垃 圾 袋 、 风 筝 、 雨 衣 等 变 电 站 常 见 漂浮入侵物， 使其由外至内穿过雷达监控平面。测试结果显示，无论何种漂浮入侵物，在其穿过雷达监控平面时， 监控界面将
13、会进行入侵告警， 并实时显示入侵物在探测平面的位置信息。3. 2光线对监测系统的影响为保证系统全天时运行， 研究还对不同时间段监控系统的探测性能进行了测试。结果显示， 激光雷达在探测区域内，对不同光照条件的入侵异物均具有灵敏的探测能力。3. 3异物大小对监测系统的影响针对不同大 小的异物入侵测试结果显 示 对 于 非黑色 异物 ， 尺 寸 小至 30cm 仍能 被 系 统及 时 发 现 ， 尺 寸 低于 30cm 的 漂 浮 异 物 对 变 电 站 影 响 较 小 ，可 暂 不 做 考虑。对于黑色异物， 尺寸在 50cm 及以上时， 雷达系统具有 良好 的 监 测 性能， 但 尺 寸为 30c
14、m 时， 探 测 距 离 有所衰减，对于雷达探头 45m 以外的入侵物不能够及时告警。3. 4风速对监测系统的影响在变电站实际运行中， 漂浮物本身具有一定的入侵速度。本研究采用鼓风机， 模拟不同风速下， 监控系统对 50cm 非透明入侵物的监测性能。研究结果显示， 在不同风速下， 系统均可正常检测入侵物位置信息。4结语本文根据变电站及其漂浮入侵物的特点， 基于激光雷达设计并研制了一套变电站周界空域异物入侵监测系统。测试结果显示， 该系统可对既定变电站周界空域进行全天时全天候的监测，及时发现并告警对变电站具有潜在威胁的入侵异物，保障变电站的安全稳定运行。参考文献1陈 彬. 变 电 站 巡 检 机
15、 器 人 关 键 技 术 及 其 适 用 性 研 究 J. 科 技 创 新导 报,2019 ,16(05):135+137.2 丘 荣 中 . 变 电 站 无 人 机 巡 检 技 术 的 发 展 探 讨 J. 机 电 信 息 ,2019(30):93-94.3 郝 雅 洁 , 李 富 忠. 计 算 机 智 能 化 图 像 识 别 技 术 的 探 讨 J. 物 联 网技 术,2019 ,9(08):55-57.4练 刚. 激 光 雷 达 在 电 力 线 路 工 程 勘 测 设 计 中 的 应 用 J. 中 国 新 技术 新产 品 ,2019 (20):18-19.5 方 海 洋. 基 于 GPS 和 激 光 雷 达 的 无 人 驾 驶 策 略 研 究 D. 长 安 大学 ,2019.6 王熙 楠.基 于激 光 雷 达的 地 铁接 触网 几何 参数 实 时 检 测 系 统 改进 设计 D. 北 京交 通 大学 ,2019.S cience & Te chno logy Vision23