电气工程学报, 2019, 14(1): 30-34 doi: 10.11985/2019.01.006

新一代气象雷达回波探测在输电线路防山火中的应用

吴永利, 林洪文

国网龙岩供电公司 龙岩 364000

Application of New Generation Weather Radar Echo Detection in Mountain Fire Prevention of Transmission Lines

WU Yongli, LIN Hongwen

State Grid Longyan Power Supply Company,Longyan 364000 China

收稿日期: 2018-06-2   网络出版日期: 2019-03-25

Received: 2018-06-2   Online: 2019-03-25

作者简介 About authors

吴永利,男,1987年生,工程师,主要从事输电线路运行与检修、电网智能巡检方面的工作。E-mail： 695111807@qq.com

摘要

为了有效弥补传统山火监测方法的不足,准确研判火场发展态势,将新一代气象雷达应用于山火监测中,开辟了火灾监测新领域。该气象雷达能对周边120 km范围内的地形环境进行扫描,基于多普勒原理技术对着火点进行判别与判定,能在火灾发生后6 min内迅速识别着火点经纬度坐标,同时开发出手机客户端APP软件,当接收到雷达系统传送来的着火点经纬度时,软件检索查询出着火点附近一定范围内的杆塔和护线员、线路巡视人员,并能及时根据预警信息进行应对处理。同时,该雷达探测对闷烧型火灾的监测效果比其他方法要好,具有全天候监测、监测连续性好、发现早、预警早、定位更精准等特点,更能检测到其他监测系统不能预警的火灾。案例表明,在清明节、冬季等山火易发时节,该应用极大地促进了山火防治工作,有助于减少因山火造成的跳闸事故。

关键词： 新一代气象雷达 ; 回波探测 ; 输电线路 ; 防山火

Abstract

To effectively make up for the inadequacy of traditional fire monitoring method, and accurately analyze fire development situation, a new generation of weather radar is applied in fire monitoring, and it will open up a new field of fire monitoring. The weather radar can scan the scope of the terrain environment around 120 km. On the basis of the principle of Doppler technology criterion of ignition, the weather radar can quickly identify latitude and longitude coordinates after the fire ignition in six minutes. A mobile client APP is developed. When the APP receive the ignition of the latitude and longitude which are transmitted from radar system, the software searches and sinds that the line patrol personnel of the pole tower and the line guard within a certain range near the fire point who could respond to the early warning information in a timely manner. At the same time, the radar to detect the smoldering fire monitoring effect is better than other methods. It has good all-weather monitoring, monitoring of continuity, found early, early warning and more accurate positioning, and it can detects more fire that other monitoring system can’t early warning of fire. The application case shows that in the Qingming festival, winter and other vulnerable mountain fires, the work of mountain fires prevention and control is greatly promoted, which is helpful to reduce the number of jumping accidents caused by mountain fires.

Keywords： New generation of weather radar ; echo detection ; transmission lines ; fire prevention

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本文引用格式

吴永利, 林洪文. 新一代气象雷达回波探测在输电线路防山火中的应用. 电气工程学报[J], 2019, 14(1): 30-34 doi:10.11985/2019.01.006

WU Yongli. Application of New Generation Weather Radar Echo Detection in Mountain Fire Prevention of Transmission Lines. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(1): 30-34 doi:10.11985/2019.01.006

1 引言

火灾是森林最可怕的灾害,它会给森林带来毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁森林资源,威胁人民群众的生命和财产安全,同时对建设在林区的基础设施也造成了一定程度的破坏,如电力设施和通信设施等。龙岩地处山区,90%的所辖线路经过森林、墓场等山火高发区,每年清明节前后因火灾事故导致线路跳闸的事件屡有发生,农耕活动也容易造成森林火灾,输电线路防火灾形势十分严峻。国内外专家学者对森林火灾监测进行了长期的研究,取得了一定的成果。其中,美国、加拿大和欧洲国家在森林火灾监测方面的研究一直处于世界领先水平,与之相比我国还有一定的差距[1,2,3,4,5,6,7]。

在输电线路山火监测方面,主要有常规的人工巡检、瞭望塔观测和巡逻飞机巡视,以及近二十年不断发展和兴起的基于视频的监测技术、基于无线传感器的监测技术、基于雷达的监测技术和基于卫星遥感的监测技术。通常采用以下基本的防治措施[8,9,10]：

(1) 加强护线员培训及动员工作。一是通过当面对接、电话联系布置或集中召开动员会等方式,对全体护线员进行一次防山火工作动员布置,进一步明确协助看护线路专责段及职责要求,强调奖励激励制度,并做好相关记录。二是通过短信平台等向全体护线员发送防山火预警短信。重点时段每周应不少于1次,其他时段每个月应不少于1次。

(3) 开展线路防山火警示宣传。开展防山火警示宣传,完善警示宣传标示,向线路沿线居民通报火情报送联系电话和奖励机制,主动倡导文明祭祀、规范用火。

系统研发成功后,在国网龙岩供电公司投入运行,在2017年清明节期间,龙岩市新罗区适中镇中溪村发生森林火灾,火灾发生5 min后,气象局值班人员在15点07分监控到适中镇(经度117.115,纬度24.901)发生火灾,龙岩供电公司线路值班人员利用该山火预警系统手机APP快速查询到着火点附近2 000 m范围内有输电线路杆塔30基,其中最近一基杆塔110 kV适春线3#杆距离着火点仅349 m,同时利用该系统护线员查询功能,查询到着火点附近的护线员,电话通知护线员前往现场查看线路火情,护线员仅用10 min到达现场,查看线路火情并汇报领导,所幸火情没有对线路造成影响。

(2) 开展线路山火隐患排查及治理工作。在山火高发期之前完成所有防山火重点区段的特巡、通道清理工作,重点针对重要输电通道线路,及时砍伐、清理超高树木、杂草等。

(4) 开展重点区段和时段特巡与蹲守。在各防山火重点时段,Ⅰ级防山火区段,通道巡视每日应不少于2次,护线员应每日不间断巡视,跨区电网线路还应安排专人24 h蹲守;Ⅱ级防山火区段,通道巡视每日应不少于1次,护线员应每日巡视不少于2次,跨区电网线路通道巡视每日应不少于2次。

(5) 提高线路山火预警及应急处置水平。在获取线路火情信息后,第一时间向本级调控中心和运检部汇报。根据处置原则,及时提出退重合闸或转热备用申请。

(6) 与当地林业部门合作,砍伐和清理线路通道上的可燃物,并且保持互通火灾信息等,同时提出了建立山火预警系统和输电线路防山火应急预案的建议。

上述防治措施存在火灾警情与线路运维人员信息知晓的不同步性,运维人员火灾信息的获取是通过村民汇报、95598反馈等途径。在发生火灾后,山火信息的获取往往存在滞后性、描述范围不具体、响应迟缓等问题,对人员调控和预警形成极大的问题,往往在火势难以控制,严重危急到线路杆塔安全运行,最终致使线路跳闸时,线路运行人员一般要3~4 h才得知杆塔火灾险情,但此时己为时已晚。而卫星监测山火无法实现全天候监测,每天过境只有17次,对初发火情也难以及时精确监测,且投入成本巨大。针对现有输电线路山火防控方面存在的不足,本文将新一代多普勒气象雷达应用于输电线路山火监测当中,可实现全面掌握监测区域内的山火发生动态,弥补卫星监控和传统防山火等手段的不足,准确研判火场发生发展态势,为输电线路山火提供预警,并及时采取措施,为电网调度赢取处理时间,避免发生大面积的停电。

2 新一代气象雷达回波探测原理

气象雷达是专门用于大气探测的雷达,属于主动式微波大气遥感设备,用于警戒和预报中、小尺度天气系统的主要探测工具之一。中国新一代气象雷达采用相干体制的脉冲多普勒天气雷达,不仅具有常规天气雷达测定降水粒子的功能,还能测定降水粒子的径向速度。将气象雷达用于探测输电线路区域发生的山火,其原理在于雷达与烟雾颗粒及大气分子之间的相互作用,使雷达继续向前传播的能量和回波信号的能量或性质发生改变[11,12,13,14]。

发生山火时,生物质(如树枝等易燃物)的燃烧会在空气中产生大量烟雾和微小颗粒物,烟雾属于气溶胶,雷达系统以雷达为半径,向空气中发送电磁波,电磁波在空气中遇到烟雾和微小颗粒物发生反射,反射后的回波信号被雷达系统接收,雷达系统根据发射波与回波的时间差,获得目标至电磁波发射点的距离,根据多普勒效应的频率差,测定距离变化率(径向速度),根据发射波束的方向、方位,测出被测目标(烟雾和微小颗粒物,即山火发生地)的方向、高度等信息,从而达到监测山火的目的。

气象雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波,它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如大气中水汽凝结物(云、雾、降水)对雷达发射波的散射和吸收,以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生多普勒效应等。气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性,还可以根据回波信号的振幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性、大气湍流、降水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等[15,16,17]。

当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时,如遇到活动目标,回波的频率与发射波的频率出现频率差,称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小,可测出目标对雷达的径向相对运动速度;根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线,滤除干扰杂波的谱线,可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强,能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

3 新一代气象雷达输电线路防山火应用方案

本文经过分析,最终确定以GPS坐标计算的方法判定杆塔与着火点的距离,从而初步判定山火是否危及杆塔的正常运行。并制定一套有效的山火预警流程,在山火刚发生时,能确定着火点附近有哪些线路、哪基杆塔,及时安排线路运维人员和护线员到达现场,并通知调控中心将线路退出重合闸,必要时,线路退出运行,减少因火灾造成的事故损失。

3.1 系统拓扑

该输电线路山火预警系统由新一代气象雷达(包括发射机、接收机)、服务器、手机客户端APP组成,系统拓扑图如图1所示。其中,气象雷达发射机发射电磁波对山火产生的颗粒物进行扫描,接收机接收反射回来的电磁波,服务器根据多普勒效应的频率差对发射波、接收波进行分析,测定山火点目标、方位等经纬度地理信息,同时将该信息发送到手机客户端APP中,依据地理坐标查询附近杆塔进行山火预警,通知护线员前往山火发生地查看火情。

图1

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图1   山火预警系统实现拓扑图


3.2 实现过程

该输电线路山火预警系统实现流程如图2所示。

图2

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图2   山火预警系统实现流程图


(1) 气象雷达识别模块。基于气象雷达识别的回波探测技术,该雷达可以对雷达100 km区域内进行扫描,依据山火产生的碳颗粒建立山火预警值,并进行识别和判定,而且可以不受昼夜的影响,实现了全天候对线路附近的山火进行探测。

(2) 手机客户端APP预警模块。手机客户端APP后台连接电网杆塔、护线员数据库,当接收到雷达系统传送来的着火点经纬度时,系统进行检索,查询出着火点附近一定范围内的杆塔和护线员,将山火发生的具体位置准确地标注在地图上,使得山火的精确定位图像化、直观化,并及时通知护线员前往山火现场查看线路火情,同时向部门领导汇报情况,实现部门领导对山火事故的应急指挥处理的及时性。

4 应用效果

该系统及时、准确地向值班人员、护线员等相关人员发送了山火预警信息,有效避免了重大山火事故的发生,证明了该系统的实效性和有效性。

5 结论

通过将新一代气象雷达应用在输电线路防山火工作中,可将原来输电线路需要4 h甚至更长时间才能知晓的火灾警情缩短到6 min内,火灾对线路的影响进行快速研判,在清明节、冬季等山火易发时节,极大地促进山火防治工作,有助于减少因山火造成的跳闸事故,改变了以往对山火只能依靠人防的局面,真正意义上实现了对山火“早发现、早应对、早处理”的目标,解决了线路山火防控由“人防”到“技防”的技术难题,在输电线路方面具有很大的发展空间和应用前景。

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