CN103487813A - 一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统及方法，包括准直器、激光器、牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器及电机；所述激光器、准直器、牛顿望远镜和光子计数器安装在激光套筒内；所述激光套筒、控制器及电机集成在保护箱内；安装时，激光器、准直器与牛顿望远镜平行，且激光器发射的脉冲激光束垂直于准直器；所述牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器依次连接，所述控制器、电机及激光套筒依次连接，本发明工作时激光套筒升出保护箱，激光套筒通过电机旋转进行水平旋转扫描，监测输电线路走廊周边烟雾信息，实现输电线路的在线监测。

Description

一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电线路在线监测领域，特别涉及一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统及方法。 

背景技术

我国电网广域分布，非常容易受到山火等自然灾害的威胁。近年来，随着电力资源的开发，越来越多的输电线路穿过高山峻岭地带，这些地区独特的地形地貌、气候条件极易引发山火，轻则引起输电线路跳闸，重则造成烧毁铁塔，引起长时间不可恢复的重大电力事故。 

目前，国内外对输电线路山火的监测主要采用图像识别法、卫星遥感地面热点法以及分布式终端监测法； 

图像法识别山火从原理上需要视频监测设备具有较高的拍摄质量和采样频率，并且需要对各种燃烧类型的山火状态进行特征识别。这种方法虽然有一定的山火识别效果，但是在输电线路在线监测应用中受电源和通讯的制约存在着一定的局限性。 

卫星遥感地面热点监测山火是最常用的一种手段，该方法可以对山火进行广域的监测，但是该方法也存在一定局限性。例如：需要依赖气象部门的数据；受卫星过境的时间的限制，难以实现全天候监测；监测结果易受云层影响；监测的地面分辨率还不够理想。 

目前，针对山火的分布式终端监测方法已在国网以及南网的个别线路上安装运行，该方法的基本原理是利用烟雾传感器和火焰传感器对输电线路局部地区（通常监测半径为100m左右）的山火状况进行实时监测。该方法监测山火具有一定的有效性，但是因监测范围太小，难以实现对线路较远距离山火的早期预警。 

因此，快速地发现故障，并确定故障点的位置就成为城市配网运行中的一个重要课题。但这个问题一直困扰着供电部门，也影响着经济和社会的发展，急切需要解决。 

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统及方法。 

本发明采用的技术方案： 

一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统，包括 

准直器、激光器、牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器及电机； 

所述激光器、准直器、牛顿望远镜和光子计数器安装在激光套筒内； 

所述激光套筒、控制器及电机集成在保护箱内； 

安装时，激光器、准直器与牛顿望远镜平行，且激光器发射的脉冲激光束垂直于准直器，并通过准直器准直后射向大气； 

所述激光器、牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器依次连接，所述控制器、电机及激光套筒依次连接。 

所述电机为步进式电机。 

所述激光套筒内还包括制冷片。 

一种基于激光雷达技术的输电线路山火的监测方法，包括如下步骤： 

S1所述监测系统安装在塔腰上端杆塔三分之二处，供电设备安装在与所述监测系统同一水平面的塔腰上； 

S2工作时，激光套筒升出保护箱，在电机控制下进行0-360度水平旋转扫描，激光器经过准直器准直，水平发射脉冲激光束； 

S3发生山火时，烟雾对脉冲激光束产生散射，牛顿望远镜接收经过散射的激光信号，并将激光信号通过光子计数器转化为电信号发送到数据采集器，数据采集器发送到控制器进行数据处理； 

S4控制器通过计算散射的激光信号的散射系数和消光系数得到烟雾的距离和浓度信息，控制器根据所述烟雾的距离和浓度信息判断输电线路周围是否发生山火。 

所述S4中控制器通过计算散射的激光信号的散射系数和消光系数得到烟雾的距离和浓度信息，具体通过激光雷达方程求解，得到散射系数和消光系数； 

所述激光雷达方程： $P\left(z\right)=P_0\frac{c^{\mathrm{\τ}}}{2}\mathrm{\β}\left(z\right)\frac{A\left(z\right)}{z^2}\exp [-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}],$ 其中 

P(z)为接收到的功率、z是观测点距离、P₀为激光发射功率、c是光速、τ是激光器发射脉冲的脉宽、λ₀是激光器发射脉冲的波长、β(z)是后向散射系数、A(z)是望远镜接收向后散射光的有效面积、α(z)是消光系数。 

本发明的有益效果： 

（1）利用激光雷达监测输电线路山火，克服了现有的山火监测技术的诸多缺点； 

（2）现场设备无需断电，不影响电力系统的稳定运行； 

（3）可实现中、远距离的大范围山火监测，精度高； 

（4）采用的532nm进口激光发射器，对人眼安全。 

附图说明

图1为本发明一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统的结构示意图； 

图2为本发明的现场安装图； 

图中示出： 

1-激光器，2-准直器，3-脉冲激光束，4-烟雾，5-向后散射的光信号，6-牛顿望远镜，7-光子计数器，8-制冷片，9-数据采集器，10-控制器，11-激光套筒，12-电机，14-遮雨板，15-承重台，16-太阳能板，17-风力发电机，18-输电线路杆塔。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。 

实施例 

本实施例采用波长为532nm的二极管泵浦Nd：YAG，有效探测距离为0.03～20km，空间分辨率15m的激光器；电机采用步进旋转式电机。 

如图1所示，一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统，包括 

准直器2、激光器1、牛顿望远镜6、光子计数器7、数据采集器9、控制器10及电机12； 

所述激光器1、准直器2、牛顿望远镜6和光子计数器7安装在防护等级为IP6的套筒里，即激光套筒11内，所述激光套筒11内还包括制冷片8； 

所述激光套筒11、控制器10及步进旋转式电机集成在防护等级为IP6的保护箱内； 

安装时，激光器1、准直器2与牛顿望远镜6平行，保证发射的激光与向后 散射的光信号5在同一平面上，且激光器1发射的脉冲激光束垂直于准直器2，准直器2对激光进行准直，使得激光光束更加平行去除散射角； 

所述牛顿望远镜6、光子计数器7、数据采集器9、控制器10依次连接，所述控制器、电机及激光套筒依次连接。所述电机12与激光套筒11相连并控制激光套筒的水平旋转，牛顿望远镜6与光子计数器7的连接是电气连接。 

控制器包括工控机和计算机，工控机用于激光器、激光套筒旋转电机、制冷片、光子计数器等设备的检测和控制，计算机用于数据的后台处理和分析。 

如图2所示，所述监测系统的现场安装图，监测系统安装在输电线路杆塔18塔腰上端杆塔三分之二处（尽量选择的杆塔为该区域的局部制高点，尽量覆盖更广的范围），安装在杆塔上端，由承重台15为其支撑（承重台的面积为1m²），系统上端用遮雨板14为设备遮风挡雨（遮雨板的面积为2m²）。 

所述监测系统的功耗为300W，考虑到实际环境采用功率为400W功耗风光互补加蓄电池的供电设备，供电设备安装在与监测系统同一水平面的塔腰上，太阳能板16安装在塔腰的一侧，风力发电机17安装在塔腰的一个角上，蓄电池安装在铁塔的内部，由于蓄电池质量大，需另设承重台。 

所述的供电设备包括：太阳能板16两块，每块尺寸1350*808*35mm；蓄电池两个，容量：200Ah，重量：58kg，尺寸：520*240*245mm；风力发电机17，叶片直径1.5m。 

工作时激光套筒升出保护箱，激光套筒通过电机旋转，进行0°～360°的水平旋转扫描，可监测到半径为0.03～20km方圆内的烟雾信息，激光器1经过准直器2准直，水平发射脉冲激光束3； 

发生山火时，烟雾4对激光产生散射，牛顿望远镜6接收经过向后散射的光信号5，并将激光信号通过光子计数器7转化为电信号发送到数据采集器9，数据采集器9发送到控制器进行数据处理； 

控制器通过激光雷达方程计算散射的激光信号的散射系数和消光系数得到烟雾的距离和浓度信息，控制器根据所述烟雾的距离和浓度信息判断输电线路周围是否发生山火。 

激光器发出一束波长为λ₀，宽度为τ的脉冲激光束3，经准直器准直扩束后射入大气，光脉冲在通过烟雾颗粒时受到散射和衰减，其后向散射光被接受面积为A(z)的望眼镜系统接收，距离为z处的后向散射信号功率的激光雷达的方程为： 

所述激光雷达方程： $P\left(z\right)=P_0\frac{c^{\mathrm{\τ}}}{2}\mathrm{\β}\left(z\right)\frac{A\left(z\right)}{z^2}\exp [-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}],$ 其中 

散射系数：β_a(z)，消光系数：α_a(z)。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统，其特征在于，包括

准直器、激光器、牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器及电机；

所述激光器、准直器、牛顿望远镜和光子计数器安装在激光套筒内；

所述激光套筒、控制器及电机集成在保护箱内；

安装时，激光器、准直器与牛顿望远镜平行，且激光器发射的脉冲激光束垂直于准直器，并通过准直器准直后射向大气；

所述激光器、牛顿望远镜、光子计数器、数据采集器、控制器依次连接，所述控制器、电机及激光套筒依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统，其特征在于，所述电机为步进式电机。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统，其特征在于，所述激光套筒内还包括制冷片。

4.应用权利要求1-3任一项所述的一种基于激光雷达技术的输电线路山火监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1所述监测系统安装在塔腰上端杆塔三分之二处，供电设备安装在与所述监测系统同一水平面的塔腰上；

S2工作时，激光套筒升出保护箱，在电机控制下进行0-360度水平旋转扫描，激光器经过准直器准直，水平发射脉冲激光束；

S3发生山火时，烟雾对脉冲激光束产生散射，牛顿望远镜接收经过散射的激光信号，并将激光信号通过光子计数器转化为电信号发送到数据采集器，数据采集器发送到控制器进行数据处理；

S4控制器通过计算散射的激光信号的散射系数和消光系数得到烟雾的距离和浓度信息，控制器根据所述烟雾的距离和浓度信息判断输电线路周围是否发生山火。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述S4中控制器通过计算散射的激光信号的散射系数和消光系数得到烟雾的距离和浓度信息，具体通过激光雷达方程求解，得到散射系数和消光系数；

所述激光雷达方程： $P\left(z\right)=P_0\frac{c^{\mathrm{\τ}}}{2}\mathrm{\β}\left(z\right)\frac{A\left(z\right)}{z^2}\exp [-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}],$ 其中

P(z)为接收到的功率、z是观测点距离、P₀为激光发射功率、c是光速、τ是激光器发射脉冲的脉宽、λ₀是激光器发射脉冲的波长、β(z)是后向散射系数、A(z)是望远镜接收向后散射光的有效面积、α(z)是消光系数。

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