电力变电站与输电通道-红外火情监测预警物联网解决方案.pdf

电力变电站与输电通道-红外火情监测预警物联网解决方案.pdf

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1电力变电站与输电通道红外火情监测预警物联网解决方案重庆英卡电子有限公司2016年12月5日2目录1针对问题.-1-1.1通道山火问题.-1-1.2技防手段问题.-1-2.解决方案.-3-2.1总体方案.-3-2.2一张网.-9-2.2.1输变电站：

监测预警传感网解决方案.-10-2.2.2输电通道：

监测预警传感网解决方案.-10-2.2.3红外监测与铁塔组网.-11-2.2.4物联网关与互联接入.-16-2.3一张图.-17-2.3.1设备部署.-17-2.3.2诊断维护.-17-2.3.3共享接口.-18-2.4一平台.-18-2.4.1监测预警.-19-2.4.2预警分发.-19-2.4.3处置决策.-20-2.4.4授权访问.-20-3.方案优势.-21-3.1技术优势.-21-3.2工程优势.-21-3.3造价优势.-21-3.4运维优势.-22-3.5环境优势.-22-4.售后服务.-22-4.1质保服务.-22-4.2运维服务.-23-4.3技术支持.-23-1-11针对问题针对问题1.1通道山火问题通道山火问题电力输电电网，是现代生活的基础、工业和信息化社会的脊梁。

输电线路是电网运行的命脉，关系到国计民生的“生命线”，影响着国家能源安全和国民经济发展，切实有效地监测与预警山火、冰灾、雷电、台风等自然灾害，对保障我国输电线路安全运行具有十分最要的现实意义。

我国输电线路大多跨越丘陵、高山等地带，所处环境异常复杂，与林区和农作区重叠区域较多，一旦输电通道发生山火，高温离子层形成将严重破坏输电线路的放电特性和空气间隙绝缘强度，造成输电线路“跳闸”事故，将给工业和信息化社会造成极大影响。

特别是高压（35220kV）和超高压（3301000kV）输电线路对高强度火灾的应对能力均较弱，山火中火焰中心最高温度可达l200，边界最高温度可达1100，热气温度可超过520，火焰柱高度最高可达2030m，一旦山火距离边线50m范围，将诱发放电导致高压电线路短路和跳闸，造成多相和单相故障，且单相故障重合闸成功比例较低。

跳闸事故往往会持久、高频和大范围爆发，恢复难度较大，从而造成大面积停电甚至电网瓦解。

近年来，全国范围内输电线路因山林火灾、村民烧荒、居民祭祀等野外火灾引起的跳闸停电停运事故越来越多。

据某输电公司近五年统计数据表明：

在220kV及以上输电线路中，引起跳闸停电事故的山火年均发生3-29次，最高达到59次/年；距边线50m范围内山火年均跳闸率为7.4%-14.5%，最高达75%。

同时，国内国内统计数据表明统计数据表明：

随着我国森林面积覆盖率的持续增长和国家电网的持续扩大，我国林区山火爆发次数和输电线路山火跳闸事故总体呈逐年上升趋势，已经成为自然灾害影响输电线路安全运行的首要因素。

1.2技防技防手段手段问题问题为了加强对输电线路的自然灾害监测预警能力，提高电网智能化水平及应对自然灾害的保障能力，确保电网安全、可靠、经济运行，20152015年国家发展改革年国家发展改革-2-委和国家能源局正式发布了发改运行委和国家能源局正式发布了发改运行2015151820151518号号关于促进智能电网发展的关于促进智能电网发展的指导意见指导意见，明确提出明确提出：

“建立电网对冰灾、山火、雷电、台风等自然灾害的自动识别、应急、防御和恢复系统;鼓励云计算、大数据、物联网、移动互联网、骨干光纤传送网、能源路由器等信息通信技术在电力系统的应用支撑，建立开放、泛在、智能、互动、可信的电力信息通信网络”。

近年来，国内外诸多学者、研究机构、科技企业相续开展了针对电网山火监测预警的新技术研究及成果应用，主要采用卫星遥感、无人飞机、视频监控、红外热成像等科技手段。

从近10年的实际应用情况来看，各种技防方案都暴露一些具体的实际问题：

1卫星遥感是全球范围内最主流的林火监测预警技防方案，主要利用我国或国外高分系列遥感卫星图像进行林火监测预警，具有低成本、高效率、大尺度范围监测预警的技术优势，但对早期小面积林火监测不敏感，只能发现大面积的成灾林火。

对电力输电通道山火监测预警而言，需要实现“早发现、早响应”目标，显然不具有适用性。

2航空（无人机）巡航是全球范围内主要的季节性补充技防方案，主要用于直升机或无人飞机进行林火巡航监测预警，具有发现准确、响应及时的技术优势，但直升机运维成本太高，一般适用于林业领域的季节性巡护，但不太适用于电力领域。

无人机巡航具有运维成本低的显著优势，但当前无人机在数据链传输方面还存在技术瓶颈，还有待我国“天通”系列民用卫星数据链正式商用（预计2017年3月）后才能打通无距离限制的数据链问题。

3视频监控是全球范围内新兴的技防方案，主要利用高清长焦视频监控设备获得视频图像，再利用人工智能烟火识别算法发现出林烟火现象，具有视觉直观的显著特点，但受野外自然环境干扰影响较大、误报率极高，图像传输依赖较好的移动通信信号条件，安装部署受到条件限制。

4红外热成像是全球范围内新兴的技防方案，主要利用远红外热成像技术及人工智能识别-3-技术探测热点图像，具有比高清视频监控更好的山火探测能力，但由于远红外对300以下热源都敏感，存在很高的误报率问题，信号传输仍然依赖较好的移动通信信号条件，安装部署受到条件限制，且每跨铁塔投资建设成本高达8-16万元，建设投入、通信传输、运维成本均较高。

综上所述综上所述，我国电力输电通道、变电站等野外环境火情监测预警问题，面临野外环境复杂、分布地域广泛、人工管理困难等现实问题，但目前又缺乏行之有效、成本适宜的高技术解决方案。

但随着我国输电网络持续扩大，电力输电防火监测预警压力将会越来越大。

2.2.解决方案解决方案2.1总体总体方案方案2.1.1拓扑结构拓扑结构本解决方案综合运用物联网、云计算、大数据、人工智能、移动计算等新一代信息技术，集成“一张网”、“一张图”、“一平台”为一体，主要面向电力输配电站和输电通道两种应用场景，提供自然灾害监测预警综合性解决方案。

-4-如图所示，总体解决方案由传感网、互联网、测控平台、管控平台四部分组成，其中：

传感网由输变电站监测预警传感网和输电通道监测预警传感网共同构成一张物联网络，即“一张网”，实时对输变电站（火灾现象、气象参数、雷电现象、冰冻现象、强风气候等）、输电通道（早期火情）和铁塔腐蚀程度进行远程监测预警；通过部署在输变电站或输电通道的物联网网关，采用GSM移动通信网或WIFI或RJ45接入物联网运营服务商部署在阿里云上的“窄带物联网关”，实现网络互联；可在电力部门或物联网运营商的平台上基于GIS“一张图”呈现设备的分布式部署情况；可在电力部门或物联网运营商的平台上基于SaaS云计算部署“一平台”，对传感网监测数据进行大数据智能分析处理，实现对火情现象、强风气候、冰冻天气、雷电天气的人工智能监测预警，并通过“短信网关”向责任巡线人员手机发送定位预警信息，为电力安全生产运行提供决策支持。

2.1.2产品介绍产品介绍11、红外红外火灾探测器火灾探测器

（1）产品简介-5-是集红外、温度、湿度、光照、气压、能耗、位置等多种微功耗数字传感器于一体的复合传感智能终端，具有火灾探测、设备防盗、故障诊断、无线通信（RF、LoRa）、自组网络、自动路由等功能。

（2）适用范围主要适用于旅游景区、国家森林公园、自然保护区、生态保护区、林场等高火险林区的林下火情监测预警。

红外火灾探测器产品实物图红外火灾探测器产品实物图（3）功能性能火灾预警：

300m范围内，可探测不大于16m2的火焰，响应时间小于30秒；输出信息：

编号、火警、火势大小参数。

跌落防盗：

内置三维位置传感器，设备固定安装后，若被人为摘取或外力作用跌落，均会在5秒内向传感网发出防盗预警信息，以便及时响应处理。

故障诊断：

内置温度、湿度、光照、气压、能耗等传感器，随时监测产品内部工作条件情况，若出现腔内环境异常或供电异常，将向传感网发出故障预警，从而可远程自动掌握设备故障并维护。

远程测控：

可远程测控产品内部传感器及工作参数，远程维护管理和诊-6-断产品故障，实现远程管理与保养维护。

雷击抗扰：

采用人工智能算法，可抗太阳、雷电、电磁等干扰，只要雷电不直接击中产品，均不会造成故障。

无线传输：

RF433MHz无线通信，最远通信距离800m（空旷）。

自动路由：

自动寻找物联网网关，并“接力”跳传。

外壳保护：

IP67（野外曝晒雨淋）。

工作温度：

常温型-2070度；宽温型-4070度。

工作湿度：

1%100%RH（无凝结）。

（44）结构说明结构说明产品结构如下图所示，由天线、探测器壳体、遮阳罩、太阳能板、探测窗口、不锈钢支架、不锈钢螺栓、复合传感器、红外传感器、LED指示灯等构成。

其中：

探测器壳体为铝压铸外壳并喷涂防紫外及抗环境老化防护粉漆；太阳能支架为抗紫外老化工程材料，适应野外环境及扰动影响；腔体内部充有惰性气体，防止大范围温度变化产生压力影响及外部热容量影响。

-7-探测器结构示意图探测器结构示意图天线;探测器壳体;遮阳罩;太阳能板;探测窗口;不锈钢支架；螺栓;环境传感器;红外传感器;LED指示灯探测器结构参数：

外形尺寸：

245*85*230mm（无遮光罩）壳体材质：

铝合金太阳能板：

工程塑料安装支架：

不锈钢产品净重：

1.2Kg-8-探测器结构三视图探测器结构三视图（55）规格型号规格型号1）单红外产品：

包括常温标准型、常温增强型、宽温标准型、宽温增强型，均只配置1只红外传感器，抗扰力弱于双红外，误报率约5%。

2）双红外产品：

包括常温标准型、常温增强型、宽温标准型、宽温增强型，均只配置2只红外传感器，抗扰力强于单红外，误报率约1.5%。

3）选型建议：

南方地区选用常温型，北方地区选用宽温型。

基础信息产品型号JTG-HW100BNJTG-HW100SNJTG-HW200BNJTG-HW200SN产品中文名单通道标准型单通道增强型双通道标准型双通道增强型-9-传感识别红外通道数单通道单通道双通道双通道水平视场角110110110110探测距离300m（3.96*3.96m2）300m（3.96*3.96m2）300m（3.96*3.96m2）300m（3.96*3.96m2）响应时间15s10s15s10s通信载波频率433Mhz/LoRa无线技术433Mhz/LoRa无线技术433Mhz/LoRa无线技术433Mhz/LoRa无线技术组网规模250个节点250个节点250个节点250个节点结构尺寸245*85*230mm（无遮光罩）245*85*230mm（无遮光罩）245*85*230mm（无遮光罩）245*85*230mm（无遮光罩）重量1.2Kg1.2Kg1.2Kg1.2Kg外壳材质压铸铝合金ADC12压铸铝合金ADC12压铸铝合金ADC12压铸铝合金ADC12防护等级IP67IP67IP67IP67工作环境常温-20+70-20+70-20+70-20+70宽温-40+70-40+70-40+70-40+70湿度1%100%（无凝结）1%100%（无凝结）1%100%（无凝结）1%100%（无凝结）2.2一张网一张网指由各输变电站由各输变电站、各输电通道传感网共同组成的一张物联网测控网络各输电通道传感网共同组成的一张物联网测控网络，主要实现输变电站和输电通道的火情监测预警，也可支持其他气象灾害传感器接入网络，实施对冰灾、山火、雷电、台风等自然灾害的监测预警。

-10-2.2.12.2.1输变电站输变电站：

监测预警监测预警传感网传感网解决方案解决方案如图所示，输变电站主要存在野外火灾、暴雨雷电、冰冻天气、强风气候等自然灾害影响安全生产运行问题。

因此，可在站内部署1台物联网网关和若干台红外火灾探测器、多因子气象监测仪（温度、湿度、光照、风力、风向、雨量）、铁塔腐蚀程度传感器（含采集器）等智能传感设备，通过RF433MHz窄带无线通信与物联网网关自动组网，形成输变电站监测预警传感网络。

同时，与站内已有的视频监控或其他传感器融合，测控平台可通过复合传感智能和数据智能进行自然灾害监测预警。

（注：

气象、冰冻、视频、铁塔腐蚀程度等传感为集成组件，本方案不详述）2.2.22.2.2输电通道输电通道：

监测预警传感网监测预警传感网解决方案解决方案如图所示，输电通道存在林下火情灾害影响，可选择一处移动通信信号较好的铁塔安装部署1台野外型物联网网关，采用太阳能供电可保证持续工作，约每-11-3年更换一次蓄电池或太阳能板（50W）；在每座铁塔上安装部署2台或4台红外火灾探测器，可分别朝向铁塔两个方向或四个方向进行林火监测预警，从而形成一个链状的林火监测预警传感网，每台红外火灾探测器探测距离300m，探测视场角110度，响应时间小于15秒。

各红外火灾探测器间采用免费频段RF433MHz无线通信自组网通信，不依赖任何通信网络；采用野外弱光能供电，持续生命周期至少5年，不依赖任何供电设施。

2.2.32.2.3红外监测红外监测与与铁塔铁塔组网组网如图所示为红外火灾探测器，不需要电源供电，不需要网络设施，只需要固定安装在铁塔上距离地面至少10m以上高处，即可自动与相邻铁塔上红外火灾探测器自动组成传感网络，自动寻找到物联网网关所在位置，通过物联网网关接入互联网络上的测控平台，从而实现对输电通道（或输配电站）全自动、无人值守的7*24小时火情监测与预警，适应野外-20至70度或-40至70度（1%-100%HR）工作环境，生命周期达5年以上，具有高灵敏火灾探测、窄带无线通信、自组网自路由、野外光能长寿命供能、野外复杂环境适应等显著特点。

11.探测原理探测原理利用地球表面的“红外窗口”现象（即地面因空气中的O2、CO2等分子要吸收太阳光中4.1-4.5um红外光，使地面根本不存在此波段红外光谱），探测地面燃烧物高温达300度以上才释放出的中红外光谱信号，并识别红外光闪烁信号特征识别火情现象。

-12-利用此原理，若在地面探测发现4.1-4.5um红外光谱，通过人工智能算法，即可识别出火焰燃烧及其火光闪烁现象，并进而区识别出自然起火现象，可达到100%报警，低于1.5%的误报率。

地面“红外窗口”现象及火灾探测原理地面“红外窗口”现象及火灾探测原理22探测范围探测范围1）视场范围：

小于110度，呈锥体状视场范围。

2）探测范围：

超过视场范围，通过物体反射、折射等作用，实际探测范围大于110度，包括探测器后方10m范围内均可探测到火焰现象。

3）探测距离：

50m范围内，可探测到65cmX65cm面积火焰；100m范围内，可探测到132cmX132cm面积火焰；200m范围内，可探测到263cmX264cm火焰；50100200110132cm*165cm*65264cm*2-13-300m范围内，可探测到396cmX396cm火焰。

4）响应时间：

小于15秒。

探测距离探测距离过火面积（过火面积（cm2）5m打火机闪烁火焰10m13*1325m33*3350m66*6675m99*99100m132*132200m264*264300m396*39633.部署间距部署间距综合考虑探测距离、通信条件及地形地貌等情况，输电通道铁塔上的安装部署距离不超过600m，两座铁塔之间通过对射探测，可覆盖最远600m间距，从而形成传感监测预警网络。

若实际间距超过600m，则可通过以下两种方式部署：

（11）铁塔超距分段组网方案铁塔超距分段组网方案若铁塔间隔超过600m，可采用分段传感组网方式部署多个传感网络，从而解决铁塔间距过大的组网及探测问题。

如下图所示，两座铁塔间距超过600m，可再部署一台物联网网关，然后继续部署红外火灾探测器，自动形成分段组网方案。

（22）塔下林区部署组网方案塔下林区部署组网方案-14-若铁塔间距普遍超过600m，或者线路安全要求更高，则均可结合铁塔下林区部署探测器组网方案，形成更高精度的传感组网，如下图所示，当铁塔间距超过600m时，或者现场林火高发时，为达到早期预警效果，可在林下树上安装部署红外火灾探测器，既可解决铁塔超间距问题，也可达到更好的监测预警效果。

44.全全向部署向部署由于红外火灾探测器探测角度受限于110度，可能存在铁塔周边林区发生火情影响铁塔安全运行问题，可在铁塔上与通道垂直方向的两侧各安装部署一台探测器，从而解决径向火情监测预警问题。

如下图所示，由于探测器价格较为便宜，可从四个方向部署形成全向覆盖，从而避免周边火情影响生产安全。

铁塔全向部署解决方案铁塔全向部署解决方案5.5.死角死角探测探测由于红外火灾探测器利用红外光谱探测火情，即使在铁塔正下方出现火情，只要铁塔或周边树木形成光线反射或散射，均可探测到下方、背后的火情现象，只是探测距离大幅度缩短，只能达到20m左右距离（视火情大小有别），从而可解决死角问题，如下图所示。

-15-铁塔下死角铁塔下死角火情探测火情探测6.6.设备防盗设备防盗（自然跌落自然跌落）为防止探测器人为盗取或自然跌落，探测器内置位移传感器，10秒内可发出设备移位预警信息。

77.设备内部及外部环境监测设备内部及外部环境监测为防止探测器外壳泄漏故障，探测器内置温度、湿度、气压、光照传感器，既可监测设备故障，也可监测外部环境的湿度和光照。

88.通信组网通信组网为克服林区环境组网通信困难，采用全球免费频段的433MHz低功耗窄带无线通信技术，单点通信距离可超过800m，数据速率可达到10Kbps。

采用自主知识产权的自动组网路由算法，可支持任意拓扑结构组网，使各探测器之间可自动“接力”跳传，自动路由寻找到物联网网关，安装部署十分简便。

当环境存在同频干扰时，可通过跳频技术克服干扰。

99.野外供电野外供电为克服野外环境长期供能困难，采用自主知识产权的弱光能收集、存储、供电技术，可在500lux光照强度下获得电能工作，使探测器可长期在林下阴暗环境下可持续工作；可在超过1000lux时，向内部储能元件存储电能，保证探测器在夜间无光照情况下持续工作。

为防止特殊气候情况影响能量存储，探测器内置一只生命周期可长达10年的高能锂离子电池（不可充电），为光照不足条件下补充供能。

1010.环境适应环境适应为适应野外复杂气候及环境，探测器外壳为高强度防暴铝压铸外壳，外壳保-16-护等级达到IP67标准，腔内密闭保护，充满惰性气体，设计寿命周期5年以上。

常温型探测器工作环境温度为-20-70度（南方地区），宽温型工作环境温度为-40-70度（北方地区）。

2.2.42.2.4物联物联网关网关与与互联互联接接入入如图所示，物联网网关具有RF433MHz、移动通信、LAN组网通信能力，通过RF433MHz无线通信管理红外火灾探测传感网（或其他传感网），通过移动通信物联网或LAn网络接入互联网络，从而实现远端物联网测控平台对输变电站、输电通道的传感网测控管理，以及转发来自传感网的监测预警信息。

物联网网网关分为室内型和野外型两个系列产品：

1.1.室内型物联网网关室内型物联网网关采用AC220V/30W交流供电，内置蓄电池支持24小时不间断监测预警工作。

安装部署需要LAN网络环境或移动通信信号环境，即可部署工作。

内置SIM移动通信卡为物联网网卡，每月通信数据流量为30MB,月通信费用为10元。

2.2.野外型物联网网关野外型物联网网关采用24V/50W太阳能板和内置充电控制模块与铅酸电池供电（太阳能板尺寸约为50cmx50cm），可支持野外型物联网网关24小时不间断监测预警工作，太阳能板及电源组件生命周期约为3年左右。

野外型物联网网关为野外型铝压铸外壳-17-防护，达到IP65保护等级，可直接安装部署铁塔上工作，但需要选择中国联通或中国移动通信信号较好处安装，内置SIM移动通信卡为物联网网卡，每月通信数据流量为30MB,月通信费用为10元。

注注：

若特定通道均无移动通信条件的，可在2017年3月后选择具有“天通”卫星通信功能的野外型物联网网关，可利用中国“天通”卫星数据链到达地面，通过中国电信网络提供的互联网进行互联接入。

2.3一张图一张图指基于基于GISGIS电子地图可电子地图可视化展现的视化展现的各输变电站各输变电站、各输电通道传感网各输电通道传感网设备共设备共同组成的同组成的一张物联网测控一张物联网测控部署图部署图，主要呈现变电站、输电通道、传感器、物联网网关等设施设备部署布局情况，以便可视化测控、诊断预警、运维管理、远程维护，实施对测控设备、监测数据、历史数据的查询和观察。

2.3.12.3.1设备设备部署部署支持在GIS电子地图上部署探测器、传感器、物联网网关等设备，以及编辑设备信息，定位数据及地名，以便事件预警时定位位置。

若电力部门需要在自主平台上进行部署，则可在自主平台上进行设备部署，可由物联网运营方提供共享交换接口，进行数据共享部署。

主要部署信息包括：

设备编号、设备名称、部署单位、监测类别、部署区域、通道区段、通道电压、铁塔高度、经度、纬度、负责巡线人、负责管理者、负责部门、应急单位、协同单位等。

2.3.22.3.2诊断维护诊断维护基于一张图可视化管理模式，可对传感网设备进行远程诊断和维护。

传感网设备均为智能化终端，内部具有多达数十项测控技术参数，可分别用于通信、组网、传感、监测、知识、预警、供能、电路、软件等方面的测控管理，以及各设备的故障诊断，甚至可远程开关控制每一台传感器。

因此，远程测控具有很强的专业性，均由物联网运营服务方的测控平台负责远程测控，并保障各设备正常工-18-作，为电力部门提供“保姆式”运维服务，不需要电力部门人员具有任何专业知识，只管实际应用。

主要诊断测控功能与服务内容包括：

1.工作模式：

可在四种工作模式中进行测控和切换，以便在不同条件下节能工作，支持运维管理。

2.故障诊断：

可主动诊断出模块故障、电路故障、软件故障、参数故障、供电欠能等故障，并发出预警信息。

3.跌落监测：

可诊断出探测器跌落现象（风吹掉或人为摘取），防止设备丢失，并主动发出预警。

4.参数测控：

可远程测控探测器内部温度、湿度、光照、压力等参数，既可用于环境气候监测评估，也可发现探测器是否保持腔内严格气密，主动发现设备外壳是否存在问题，防止设备异常条件下工作。

5.参数配置：

可根据实际工作情况及评估情况，对设备进行远程参数配置，以便设备或网络达到最优测控性能。

2.3.32.3.3共享接口共享接口物联网运营服务方可向电力部门开放共享交换接口，并提供开放协议支持电力部门开发共享接口，实现一张图内容的共享交换。

注注：

若电力部门不希望投入管控平台建设，可减少投资，直接应用物联网运营服务方提供的SaaS云计算管控平台工作，授权访问，则不需要相互接口及技术开发。

2.4一平台一平台指基于基于J2EEJ2EE技术标准技术标准、大数据数据大数据数据库库、LINUXLINUX操作系统操作系统、GISGIS电子地图电子地图开开发的电力自然灾害物联网管理平台发的电力自然灾害物联网管理平台，主要由测控物联ICT网关、短信网关、“一张图”等支撑的Web管理软件系统，基于互联网络面向省级省级、地市地市、区县区县、责任责任部门部门等部门提供属地化属地化、分级化分级化、协同化协同化的灾害监测预警管控与应急响应指挥决策。

-19-2.4.12.4.1监测监测预警预警可融合火情监测、气象监测、环境监测等传感数据，以及视频监控图像，进行数据智能融合处理，主要识别解决以下问题：

1.1.火情监测