刘 文，袁建华

（三峡大学电气与新能源学院电气工程系，湖北宜昌443002）

0 引 言

随着我国经济实力加强，电网得到不断发展，输电线路走廊区域不断扩大，由此带来更多的电网安全运行问题。从国家电网公司近几年的统计数据来看，造成线路跳闸的各种原因中，外力破坏的次数上升趋势明显，成为除雷害以外线路运行的最大安全隐患。外力破坏故障主要由违章施工作业，盗窃、破坏电力设施，房障、树障、交叉跨越公路，在输电线路下焚烧农作物，山林失火等造成。尽可能地避免外力对输电线路的危害，是保障电网安全运行的重要保证［8］。

近年来国家电网公司在特高压输电技术国际会议上正式发布了“坚强智能电网”发展战略。通过研究设计高压输电线路在线监测系统，实时、准确、高效的反应线路运行参数，减少巡线工作量，加快修复速度，减小停电损失。文献［4］研究基于小波变换的直流输电线路故障定位技术。文献［7］采用输电线路上已有的OPGW光缆、接头包资源来部署光纤以太网交换机实现对输电线路风偏舞动、覆冰、杆塔倾斜等在线监测。

这些文献主要考虑故障发生后，对故障点进行定位，对于外力破坏的监测较少。基于此，本文提出输电线路预警系统，利用超声波测距、GPS定位技术和声波报警装置，实现对外力破坏的实时监测，避免外力对输电线路的影响，保障大电网安全。

1 系统工作原理

不论是违章作业、盗窃、还是树障、房障和在输电线路下焚烧农作物等，输电线路外力破坏故障存在的显著特点即存在人员靠近输电线路铁塔附近，处于国家标准规范规定的安全范围以内。本系统通过超声波测距模块在线监测有无人员及施工作业车辆靠近或处于输电线路绝缘安全范围以内，当人员或施工作业车辆处于危险区域，系统立刻触发声波报警装置及时响应，远端中心监控室通过GPS定位系统，及时发现警报所在地区，当警报持续时间超过规定值，施工维修人员能及时到达故障点，防止输电线路发生破坏，影响电网安全稳定运行。

2 系统硬件设计

输电线路预警系统主要包括：超声波测距模块、GPS模块和声波报警装置，该系统整体结构如图1所示。整个监测系统安装在输电线路铁塔横档附近，通过监测移动物体与输电线路铁塔绝缘安全距离，达到报警效果。

2.1 超声波测距模块

超声波是指频率高于20 k Hz的声波。超声波指向性强，在介质中传播距离远，可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计方便、计算处理简单，并且在测量精度方面也能达到要求［12］。

图1 输电线路预警系统结构图

超声波测距模块中超声波传感器包括超声波发送器和接收器。根据输电线路规程规范，输电线路铁塔绝缘安全距离一般比较小，不超过10 m，因此该系统中超声波传感器选常用的压电式超声波换能器，即发射超声波时将电能转换成发射超声波而在收到回波的时候则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用时间差测距法。测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间乘以超声波的速度，得到二倍的声源与障碍物之间的距离。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录时间差△t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S。超声波测距模块可实现2 cm～7 m的非接触测距功能，供电电压为5 V，静态功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，工作稳定可靠。

超声波发射模块电路如图2所示，升压变压器可自制，线圈线径为0.8 mm，初级线圈匝数为50，次级线圈匝数为350。从P35端输入40 k Hz的控制信号。

图2 超声波传感器发射模块电路图

2.2 声光报警装置

声光报警模块内有电磁线圈和发光二极管、喇叭等，其工作原理简单且模块化程度较高，可以非常方便从市场上获得成品，将其通过细导线接入主机即可。声光报警模块接收主机的命令，启动并作出相应报警动作。

2.3 GPS模块

GPS模块主要是通过GPS接收机与卫星之间进行数据传输，实现报警定位功能，减少巡线工作量。定位原理一般由公式（1）～（4）［6］确定。输电线路工程中根据地形及电压等级情况，各基杆塔之间档距一般较大，而且现今GPS模块定位精度较高一般在10 m以内，不会出现由于档距问题而出现定位偏差情况。本系统中GPS模块选用MEB-1280GPS，MEB-1280模块是全球体积最小的GPS模块，定位精度高（3 m），不会受到城市绿化树木的影响。当超声波测距传感器检测到移动物体出现在铁塔绝缘安全距离以内时，声波报警装置立即响应，同时GPS模块通过卫星和接收机之间的数据联系，确定报警具体位置，并通过移动互联网络将GPS数据传送到中心数据库中。

式中，Xi，Yi，Zi为第i颗卫星的空间坐标；X，Y，Z为GPS接收机的地理坐标；C为GPS信号传播速度；Vti为卫星钟差；Vt0为接收机钟差。

3 系统软件实现

当系统中超声波传感器模块监测到有移动物体靠近铁塔时，通过其测距功能，判断该移动物体是否满足在铁塔绝缘距离以外，如果检测到移动物体与铁塔绝缘距离小于规范要求7 m，则系统立刻发出指令，声光报警装置响应动作，对移动物体发出警报。如果警报时间持续较长，超过系统设定值，则GPS定位系统将警报所在区域数据传送至中心管理系统。反之，GPS模块不动作。该系统详细流程图如图3所示。

图3 系统程序流程图

随着我国电力系统的不断发展，电网安全稳定运行变得十分重要。如何避免故障、快速定位故障区域，减少检修时间，防止大面积长时间停电变得十分重要。基于外力破坏故障是电力系统中导致跳闸的重要因素，通过输电线路预警系统，能在一定程度上避免外力对电网的影响，通过GPS定位功能快速到达预警地区，减小巡检时间，加快故障修复速度。该预警系统可以保障电力系统的安全运行，提高系统的经济性和可靠性。

［1］邵天晓.架空送电线路的电线力学计算（第二版）［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］GB50061-2010.66 k V及以下架空电力线路设计规范［S］.2010.

［3］GB50545-2010.110 k V-750k V架空输电线路设计规范［S］.2010.

［4］Ping Chen，Bingyin Xu，Jing Li，Yaozhong Ge.Modern travelling wave based fault location techniques for HVDC transmission lines［J］.Transactions of Tianjin University，2008，14（2）：139-143.

［5］蔡昌听，皮亦鸣.高灵敏度GPS技术的研究进展［J］.全球定位系统，2006，31（2）：1-5.

［6］罗 虹.基于GPS的公交车辆到达时间预测技术研究［D］.重庆：重庆大学，2007.

［7］杨肖波.输电线路在线监测系统中信息传输［D］.保定：华北电力大学，2014.

［8］陈景彦，白俊峰.输电线路运行维护理论与技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［9］孟遂民，孔 伟.架空输电线路设计［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［10］杜澍春.架空输电线路带电作业安全距离［J］.中国电力.1997，30（8）：8-10，58.

［11］龙安国.基于GPS／GPRS的智能公交系统的设计与实现［J］.通信技术，2009，42（1）：326-327，330.

［12］时德钢，刘 晔，王 峰，韦兆碧，王采堂.超声波测距仪的研究［J］.计算机测量与控制，2002，10（7）：480-482.