一种输电线路故障可视化监控系统及方法与流程

本发明涉及输电线路在线监测相关技术领域，特别是涉及一种输电线路故障可视化监控系统及方法，主要应用于输电线路故障的监控、诊断和预警。

背景技术：

输电线路长期暴露在野外中，极易遭受雷电、污秽、动植物、风吹舞动、山火、覆冰等各种自然因素以及机械施工、杆塔盗窃等外力破坏的影响，另外，线路长期运行，设备受到持续的机械张力、电气闪络和材料老化等问题，绝缘子、金具、导线均可能出现损伤，可能发生绝缘子自爆、裂缝和污秽等缺陷，如果不及时检测出并更换，可能导致线路跳闸等故障。输电线路发生故障后，运维检修部门需快速找到故障点并及时恢复，减少经济损失。

为了提高故障排查速度，电力系统一般配有故障定位系统，目前主要的故障定位技术包括基于阻抗法的故障录波、站内行波定位、线路分布式行波定位等。运维检修人员基于故障定位系统的分析结果，然后去现场相应杆塔及附近杆塔进行人工巡查。但是由于定位结果存在偏差、现场环境恶劣、部分故障发生后痕迹不明显，往往导致故障点难以发现和确定；而故障可能对设备造成损伤，如果不及时发现并处理，可能导致更为严重的线路故障。

现有的监控系统往往采用24小时不间断工作，持续进行拍摄，其功耗较高，采用太阳能供电时常因阴雨天气导致系统失电而无法正常工作，此外，由于其拍摄缺乏目的性，上传的大量数据为重复性数据，不便于输电线路智能化管理。

技术实现要素：

针对目前输电线路故障点巡查困难甚至无法发现，通道可视化拍摄缺乏针对性的问题，提出一种输电线路故障可视化监控系统及方法，通过采用功率较低的传感器实时监测输电线路状态，一旦满足触发条件，则启动对应的摄像头进行视频拍摄，记录故障现场情况或调取输电线路故障时刻前后一定时间段内视频信息，并将故障视频上传到中心站，同时发送故障信息至相关负责人，包括故障点及故障类型，使相关人员第一时间掌握现场故障情况。

输电线路故障可视化监控系统，包括前端采集装置、中心站和监控终端；前端采集装置与中心站连接，前端采集装置将现场数据通过无线传输方式上传至中心站；中心站与监控终端连接，中心站对接收到的现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送给监控终端；

前端采集装置包括故障触发模块、视频监控模块和电源模块；故障触发模块包括传感器模块和微处理器模块，传感器模块采集装置安装点监测范围内的故障特征量，微处理器模块与传感器模块连接，微处理器模块对传感器模块输出的信号进行数据处理并判定是否触发故障触发模块；故障触发模块控制视频监控模块是否进行捕捉和记录输电线路故障的发展过程，故障触发模块与视频监控模块连接，电源模块分别与故障触发模块及视频监控模块连接，电源模块为故障触发模块及视频监控模块供电。

上述电源模块包括感应取电电源模块，和/或太阳能取电电源模块；感应取电电源模块包括感应取能单元、冲击保护电路、整流滤波电路、过压保护电路、充电电路和储能电池；感应取能单元包括套装在输电导线上的可开闭式环形铁芯，绕置于环形铁芯上的二次线圈，感应取能单元与冲击保护电路连接，冲击保护电路与整流滤波电路连接，整流滤波电路与过压保护电路连接，过压保护电路与充电电路连接，充电电路与储能电池连接；太阳能取电电源模块包括太阳能电池板、充电模块和锂电池，太阳能电池板与充电模块连接，充电模块与锂电池连接。

上述前端采集装置包括gprs无线通信模块，gprs无线通信模块与中心站连接，前端采集装置通过gprs无线通信模块将现场数据上传至中心站。

上述视频监控模块包括至少一个摄像头，视频监控模块记录输电线路走廊、输电杆塔顶部和绝缘子视频信息。

上述传感器模块包括工频电流传感器，和/或工频电压传感器，工频电流传感器采集输电线路架空导线或地线的工频电流，工频电压传感器采集输电线路架空导线或地线的工频电压。

上述前端采集装置安装在输电线路架空导线上，传感器模块包括工频电流传感器，和/或工频电压传感器，工频电流传感器采集输电线路架空导线的工频电流，工频电压传感器采集输电线路架空导线的工频电压；故障触发模块与视频监控模块电连接，电源模块为感应取电电源模块。

上述前端采集装置安装在输电线路杆塔上，传感器模块包括工频电流传感器，和/或工频电压传感器，工频电流传感器采集输电线路地线的工频电流，工频电压传感器采集输电线路地线的工频电压；故障触发模块与视频监控模块电连接，电源模块为太阳能取电电源模块。

上述故障触发模块安装在输电线路架空导线上，传感器模块包括工频电流传感器，和/或工频电压传感器，工频电流传感器采集输电线路架空导线的工频电流，工频电压传感器采集输电线路架空导线的工频电压；视频监控模块安装在输电线路杆塔顶部，故障触发模块包括第一微波无线通信模块，视频监控模块包括第二微波无线通信模块，故障触发模块与视频监控模块通过第一微波无线通信模块和第二微波无线通信模块连接；电源模块包括太阳能取电电源模块和感应取电电源模块，太阳能取电电源模块为视频监控模块供电，感应取电电源模块为故障触发模块供电。

使用上述输电线路故障可视化监控系统的监控方法，包括：

s110：关闭视频监控模块，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流，和/或工频电压；

s120：故障触发模块判定采集到的工频电流，和/或工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件，若满足故障触发条件，则执行步骤s130；否则，返回步骤s110；

s130：打开视频监控模块，捕捉和记录监控区域输电线路故障发展过程现场画面；

s140：前端采集装置将现场用于故障诊断的数据上传至中心站；中心站对接收到的现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送给监控终端。

使用上述输电线路故障可视化监控系统的监控方法，包括：

s210：开启视频监控模块，记录监控区域现场画面；故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流，和/或工频电压；

s220：故障触发模块判定采集到的工频电流，和/或工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件，若满足故障触发条件，记录故障时刻，执行步骤s230；否则，返回步骤s210；

s230：调取视频监控模块在输电线路发生故障时刻前后监控系统已设定时间窗口的故障视频信息；

s240：前端采集装置将现场用于故障诊断的数据上传至中心站；中心站对接收到的现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送给监控终端。

优选地，在步骤s110或步骤s210中，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流；

在步骤s120或步骤s220中，故障触发模块判定采集到的工频电流是否满足系统已设定的故障触发条件的方法包括：

获取故障触发模块采集的工频电流的波形数据；

对工频电流波形进行过零点检测，从过零点开始依次计算每半个工频周期的电流有效值，依次计算每相邻的三组电流有效值的平均值，记为s，再计算该三组数据中相邻二组电流有效值的平均值，分别记为m、n；当(s-m)/s>0.2或(s-n)/s>0.2时，则判定满足系统已设定的故障触发条件。

优选地，在步骤s110或步骤s210中，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电压；

在步骤s120或步骤s220中，故障触发模块判定采集到的工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件的方法包括：

对工频电压波形进行过零点检测，从过零点开始依次计算每半个工频周期的电压有效值，依次计算每相邻的三组电压有效值的平均值，记为s，再计算该三组数据中相邻二组电流有效值的平均值，分别记为m、n；当(s-m)/s>0.2或(s-n)/s>0.2时，则启动工频电压触发。

附图说明

图1是本发明监控系统的示意性框图

图2是本发明前端采集装置的示意性框图

图3是本发明前端采集装置的另一示意性框图

图4是本发明电源模块示意性框图

图5是根据本发明实施例1的前端采集装置的示意性框图

图6是根据本发明实施例1的故障触发模块的示意性框图

图7是根据本发明实施例1的感应取电电源模块的示意性框图

图8是根据本发明实施例2的前端采集装置的示意性框图

图9是根据本发明实施例3的前端采集装置的示意性框图

图10是根据本发明实施例3的故障触发模块的示意性框图

图11是根据本发明实施例3的视频监控模块的示意性框图

图12是根据本发明实施例4的监控方法的示意性框图

图13是根据本发明实施例5的监控方法的示意性框图

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.前端采集装置；2.中心站；3.监控终端；110.故障触发模块；120.视频监控模块；130.电源模块；140.gprs无线通信模块；131.感应取电电源模块；1301.感应取能单元；1302.冲击保护电路；1303.整流滤波电路；1304.过压保护电路；1305.充电电路；1306.储能电池；132.太阳能取电电源模块；1101.传感器模块；1102.微处理器模块；1103.第一微波无线传输模块；1104.第二微波无线传输模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明监控系统的示意性框图如图1所示。输电线路故障可视化监控系统包括前端采集装置1、中心站2和监控终端3。前端采集装置1包括故障触发模块110、视频监控模块120和电源模块130，如图2所示。由于监控系统整机功耗较大，且当视频监控模块120一直处于工作状态时，前端采集装置1将采集到的现场画面数据实时上传至中心站2，需要产生大量的数据，并且大多现场画面为重复性的非故障状态时的数据，造成通信费用的浪费；当故障发生时，运维管理部门需在众多画面中筛选记录故障过程的现场画面，费时费力。为避免前端采集装置1发送重复性的非故障状态现场画面数据，在本实施例中，由故障触发模块110实时监测现场输电线路工作状态，当故障发生时再启动视频监控模块120，并由前端采集装置1将采集到的现场数据上传至中心站2；由于故障触发模块110相比视频监控模块120功耗较低，因此节约了系统功耗，此外在故障时才开启视频监控模块120并将现场数据上传，大大减少了数据量，中心站2将故障时刻现场数据进行处理和诊断，将诊断结果发送给监控终端3，运维管理部门通过监控终端3查询故障信息，减轻了其工作量。

前端采集装置1将现场数据通过无线传输的方式上传至中心站2，优选地，采用gprs无线通信模块140实现前端采集装置1和中心站2之间的数据交互，如图3所示。电源模块130包括感应取电电源模块131，和/或太阳能取电电源模块132，根据故障触发模块110和视频监控模块120安装点来确定电源模块130的电源供电方式。

实施例1：

前端采集装置1安装在输电线路架空导线上，前端采集装置1包括故障触发模块110、视频监控模块120和感应取电电源模块131，如图5所示。故障触发模块110与视频监控模块120电连接，由于可以从输电线路架空导线中流过的负荷电流产生的交变磁场中获取，因此电源模块130采用感应取电电源模块131。故障触发模块110包括传感器模块1101和微处理器模块1102。在本实施例中，传感器模块1101使用工频电流传感器和工频电压传感器分别采集流经输电线路架空导线的工频电流和工频电压，微处理器模块1102对传感器模块1101采集的工频特征量进行处理，根据监控系统已设故障判据及工频特征量可确定线路是否发生故障，如采集输电线路中的工频故障电流波形，利用故障电流特征判断是否发生故障以及故障类型；当满足判据时故障触发模块110触发视频监控模块120，开始进行视频录制。为使故障判定更加准确，防止误触发的情况发生，在使用工频电流传感器的同时，采用工频电压传感器采集工频电压波形数据，利用工频故障电流和工频故障电压数据共同形成故障触发判据，只有当两者均满足触发条件时才判定发生故障，启动视频监控模块120进行视频录制。

在本实施例中，感应取电电源模块131包括感应取能单元1301、冲击保护电路1302、整流滤波电路1303、过压保护电路1304、充电电路1305和储能电池1306，如图7所示。取能单元1的可开闭式环形铁芯套装在输电导线上，二次线圈绕置于环形铁芯上，根据电磁感应原理，当输电线路架空导线流过负荷电流时便会产生交变的电磁场，二次线圈输出交流感应电压，冲击保护电路1302用于吸收二次线圈输出的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，防止受到过大的瞬时电压破坏或干扰击穿，保护后续电路；整流滤波电路1303将冲击保护电路1302输出的交流电压转换为直流电压，过压保护电路1304包括迟滞比较器和mosfet场效应管，当整流滤波电路1303输出直流电压小于过压保护电路1304门槛电压时，迟滞比较器输出开路，mosfet场效应管导通，当整流滤波电路1303输出直流电压大于过压保护电路1304门槛电压时，迟滞比较器翻转，mosfet场效应管断开，进一步断开与充电电路1305的连接，保护后续电路；充电电路1305为储能电池1306充电，储能电池1306为各个模块供电。

实施例2：

由于前端采集装置1各个模块均安装在输电线路架空导线上时，若对视频监控模块120的摄像机要求较高时，如需要专门的云台、要求镜头可旋转等则使得整个前端采集装置1体积笨重，且难以安装在输电导线架空导线上，为解决该问题，在本实施例中，前端采集装置1安装在输电线路杆塔上，前端采集装置1包括故障触发模块110、视频监控模块120和太阳能取电电源模块132，如图8所示。故障触发模块110与视频监控模块120电连接。传感器模块1101仍然使用工频电流传感器和工频电压传感器采集输电线路杆塔地线中的工频电流和工频电压，根据采集信息可确定线路是否发生故障。

由于地线中在正常运行情况下负荷电流较小，因此无法采用感应取电的方式为前端采集装置1供电，因此在本实施例中，电源模块130采用太阳能取电电源模块132，利用太阳能取电的方式为前端采集装置1供电。

太阳能取电电源模块132由太阳能电池板、充电模块和锂电池构成，白天光照充足时太阳能电池板将太阳能转换为电能，经充电器为锂电池充电且为前端采集装置1供电，夜晚光照不足时由锂电池为前端采集装置1供电。

实施例3：

实施例2虽然解决了实施例1用于高标准视频录制时体积笨重的问题，但由于前端采集装置1功耗较大，主要因为视频录制和前端采集装置1与中心站2进行远程数据交互时功率消耗较大。实施例2采用太阳能取电电源模块132为前端采集装置1供电受光照条件影响较大，在长期阴雨天气下导致故障触发模块110和视频监控模块120均因失电导致系统无法工作。为解决该问题，在本实施例中，故障触发模块110安装在输电线路架空导线上，视频监控模块120安装在输电线路杆塔顶部。前端采集装置1包括故障触发模块110、视频监控模块120、感应取电电源模块131和太阳能取电电源模块132，如图9所示。故障触发模块110包括传感器模块1101、微处理器模块1102和第一微波无线通信模块1103，如图10所示。视频监控模块120包括第二微波无线通信模块1104，如图11所示。故障触发模块110与视频监控模块120通过第一微波无线通信模块1103和第二微波无线通信模块1104进行数据交互，视频监控模块120将故障时刻视频信息发送给故障触发模块110。gprs无线通信模块140与故障触发模块110电连接，将故障触发模块110处理后的诊断数据上传至中心站2。感应取电电源模块131为故障触发模块110供电，太阳能取电电源模块132为视频监控模块120供电。该方式将体积较轻的故障触发模块110安装在输电线路架空导线上，将体积较笨重的视频监控模块120安装在输电杆塔上，一方面减轻了对输电线路架空导线的负担和损害；另一方面，视频监控模块120相对实施例2安装在输电线路杆塔上的前端采集装置1而言功耗较低，同等光照条件下，大大延长了太阳能取电电源模块132的工作时间；且即使太阳能取电电源模块132因失电而无法工作，安装在输电线路架空导线上的故障触发模块110仍可以正常工作，虽然无法获取现场故障视频信息但仍然能够获取输电线路状态参数信息。

实施例4：

如前所述的输电线路故障可视化监控系统的监控方法，如图12所示，包括以下步骤：

s110：关闭视频监控模块，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流，和/或工频电压；

s120：故障触发模块判定采集到的工频电流，和/或工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件，若满足故障触发条件，则执行步骤s130；否则，返回步骤s110；

s130：打开视频监控模块，捕捉和记录监控区域输电线路故障发展过程现场画面；

s140：前端采集装置将现场用于故障诊断的数据上传至中心站；中心站对接收到的现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送给监控终端。

实施例5：

如前所述的输电线路故障可视化监控系统的监控方法，如图13所示，包括以下步骤：

s210：开启视频监控模块，记录监控区域现场画面；故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流，和/或工频电压；

s220：故障触发模块判定采集到的工频电流，和/或工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件，若满足故障触发条件，记录故障时刻，执行步骤s230；否则，返回步骤s210；

s230：调取视频监控模块在输电线路发生故障时刻前后监控系统已设定时间窗口的故障视频信息；

s240：前端采集装置将现场用于故障诊断的数据上传至中心站；中心站对接收到的现场数据进行处理与诊断并将诊断结果发送给监控终端。

在步骤s230中，优选地，监控系统已设定时间窗口为10分钟，则调取故障时刻前后各5分钟的视频信息。窗口时间可以根据实际情况和需求通过监控终端发送远程命令进行参数调整。

实施例6：

在上述实施例4或实施例5的步骤s110或步骤s210中，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电流，用以判定输电线路是否发生故障；

在上述步骤s120或步骤s220中，故障触发模块判定采集到的工频电流是否满足系统已设定的故障触发条件的方法包括以下步骤：

获取故障触发模块采集的工频电流的波形数据；

对工频电流波形进行过零点检测，从过零点开始依次计算每半个工频周期的电流有效值，依次计算每相邻的三组电流有效值的平均值，记为s，再计算该三组数据中相邻二组电流有效值的平均值，分别记为m、n；当(s-m)/s>0.2或(s-n)/s>0.2时，则判定满足系统已设定的故障触发条件。

其中现场运行经验得出(s-m)/s>0.2或(s-n)/s>0.2时故障判定准确率最高，当然，根据不同的参数设置，0.2可以设置为其他值。

实施例7：

与实施例6不同的是，仅采集输电线路的工频电压用以故障判断。也即，在上述实施例4或实施例5的步骤s110或步骤s210中，故障触发模块实时监测输电线路架空导线或地线的工频电压；

在步骤s120或步骤s220中，故障触发模块判定采集到的工频电压是否满足系统已设定的故障触发条件的方法包括：

对工频电压波形进行过零点检测，从过零点开始依次计算每半个工频周期的电压有效值，依次计算每相邻的三组电压有效值的平均值，记为s，再计算该三组数据中相邻二组电流有效值的平均值，分别记为m、n；当(s-m)/s>0.2或(s-n)/s>0.2时，则启动工频电压触发。

以上所述实施例描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。