基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)研究

葉輝　廖志斌　李慶興　吳翔　吳偉

摘要：隨著市場經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國電力系統(tǒng)不斷完善，電力科學(xué)技術(shù)也獲得了較快發(fā)展?，F(xiàn)階段我國工業(yè)的快速發(fā)展對于電力的需求量越來越大，電力企業(yè)為了滿足市場的需求，必須要不斷提升自身運營水平，提高斷輸電線路的安全性和可靠性。文章對基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)進行了研究。

關(guān)鍵詞：輸電線路；在線巡視系統(tǒng)；智能預(yù)警系統(tǒng)；電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM726 文章編號：1009-2374（2016）26-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.007

隨著我國電力企業(yè)的不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)已成為電力行業(yè)新的發(fā)展方向，高壓輸電線路逐漸增多，輸電線路途經(jīng)的地理環(huán)境復(fù)雜、氣候多變，這就增加了輸電線路故障發(fā)生的可能性。為了保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全、高效運行，必須不斷加強電力系統(tǒng)中輸電線路的巡視工作。傳統(tǒng)的人工巡視工作量大、效率低，當(dāng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時人工巡視難以實現(xiàn)。為了彌補人工巡視的不足，電力人員綜合運用可視監(jiān)控技術(shù)、紅外線的監(jiān)控技術(shù)以及光纖通信技術(shù)，研發(fā)了基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)，以實現(xiàn)對輸電線路工作狀態(tài)和故障的實時、全面監(jiān)測，為輸電線路的檢修和維護提供依據(jù)。

1 基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)工作原理

輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警是采用可視監(jiān)控、紅外成像等技術(shù)，實現(xiàn)逐塔配置代替人工巡視，并采用OPGW光電分離和EPON通信技術(shù)實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸過程，實行分級結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。以下針對電力系統(tǒng)中的輸電線路在線巡視結(jié)構(gòu)以及智能預(yù)警系統(tǒng)的原理進行分別闡述：

1.1 輸電線路在線巡視結(jié)構(gòu)

輸電線路在線巡視結(jié)構(gòu)主要分為三個部分：光纖通信網(wǎng)絡(luò)、桿塔終端系統(tǒng)以及后臺主機系統(tǒng)。光電分離技術(shù)和通信技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)紅外圖像信息以及可見視頻圖像的傳輸。桿塔終端系統(tǒng)包括六個模塊，分別為可見視頻監(jiān)控模塊、紅外感知模塊、桿塔功能模塊、紅外成像模塊、桿塔終端機模塊以及氣象監(jiān)測模塊。它主要用于實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和處理。后臺主機系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及全線桿塔終端設(shè)備的統(tǒng)一管理、調(diào)度、控制工作，并記錄控制中心的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和操作狀況，當(dāng)出現(xiàn)故障時進行警告，防止意外事故的發(fā)生。

1.2 基于輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)原理

在輸電線路在線巡視系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用光纖通信網(wǎng)絡(luò)采集的可見光視頻圖像、紅外圖像等監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建智能預(yù)警系統(tǒng)。智能預(yù)警系統(tǒng)基本工作原理，輸電線路根據(jù)輸電任務(wù)進行結(jié)構(gòu)分級，桿塔的終端主機位置為第一級，主要用來對輸電線路是否存在故障進行初級判斷；第二級位置為后臺主機系統(tǒng)，主要用來對輸電線路的故障類型進行準(zhǔn)確判斷。

輸電線路在線巡視系統(tǒng)中桿塔終端將的測量單位將采集的信息傳輸至桿塔終端主機，輸電線路正常情況下，桿塔終端主機通過ONU定時向后臺主機發(fā)送數(shù)據(jù)信息。桿塔終端主機中央處理單元通過監(jiān)測信息的分析對比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時會向后臺主機傳送警告信號，同時將連續(xù)采集視頻或者紅外圖像的信息上傳至后臺主機的命令傳送至測量單元，為后臺主機系統(tǒng)的故障分析提供信息基礎(chǔ)，比如采用圖像差分法對可見光視頻或者紅外圖像識別比較。后臺主機接收到預(yù)警信號，預(yù)警信號的接受以圖像識別為基礎(chǔ)，采用綜合分析法以及系統(tǒng)建模，將系統(tǒng)上傳的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，判斷輸電線路是否存在故障以及故障類型，比如一些自然災(zāi)害，臺風(fēng)、地震、雷擊等對輸電線路機器設(shè)備產(chǎn)生影響時，可以根據(jù)在線巡視智能預(yù)警系統(tǒng)反饋的監(jiān)測畫面以及數(shù)據(jù)分析，及時針對輸電線路狀態(tài)進行預(yù)警。

2 智能預(yù)警任務(wù)

輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)可以通過單桿塔終端采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行故障的識別和判斷，也可以通過多桿塔終端采集的數(shù)據(jù)信息進行故障類型的識別和判斷。輸電線路在線巡視智能預(yù)警的基本信息單元為單桿塔終端數(shù)據(jù)采集和處理。它所承擔(dān)的任務(wù)主要分為數(shù)據(jù)的預(yù)處理、故障判斷、知識庫的管理、結(jié)果執(zhí)行以及學(xué)習(xí)能力等，以下針對這五個任務(wù)進行詳細說明：

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

輸電線路的每個桿塔都裝設(shè)多個測量設(shè)備，分別負(fù)責(zé)可見光視頻圖像、紅外探測信號、紅外圖像以及微氣象數(shù)據(jù)的采集工作。智能預(yù)警系統(tǒng)第一級目的在于紅外圖像和可見光視頻圖像進行常規(guī)圖像的預(yù)處理，按照一定的格式組織進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，將數(shù)據(jù)傳送給后臺主機系統(tǒng)。

2.2 故障判斷

桿塔終端主機中央處理單元將紅外圖像、可見光視頻圖像信息進行綜合判斷輸電線路的故障的初步判斷。后臺主機系統(tǒng)通過對各項檢測數(shù)據(jù)的綜合分析，例如采用模板配算法、閾值目標(biāo)提取算法和紋理識別算法等，實現(xiàn)輸電線路故障類型的判斷，加以運用層次分析法和模糊理論實現(xiàn)對輸電線路故障判斷的精準(zhǔn)度。

2.3 知識庫的管理

故障判斷算法規(guī)則、歷史數(shù)據(jù)整理存儲均屬于知識庫的內(nèi)容。知識庫的管理是針對知識庫內(nèi)容的錄入、修改、刪除等操作，以實現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)線路故障的診斷情況進行預(yù)警處理及檢修后形成新的算法規(guī)則，同樣可以利用用戶手冊進行知識庫的管理。

2.4 結(jié)果執(zhí)行

確定輸電線路的故障類型后，后臺主機會根據(jù)故障類型發(fā)出警告信號，并將故障的位置和類型等相關(guān)信息以短信形式發(fā)送至相關(guān)工作人員的手機上。

2.5 學(xué)習(xí)能力

智能預(yù)警系統(tǒng)由于具備一定的學(xué)習(xí)能力，可以實現(xiàn)以往檢修的相關(guān)數(shù)據(jù)以及結(jié)果進行判斷，使得其環(huán)境適應(yīng)能力不斷增強。桿塔終端安裝的檢測設(shè)備類型進行更新時，要及時對故障的算法規(guī)則進行修改，以增強故障異常判斷的準(zhǔn)確率。

3 預(yù)警系統(tǒng)故障判斷方法

在線巡視智能預(yù)警系統(tǒng)在故障判斷過程中，需要綜合利用各種故障判斷方法。以下針對圖像差分法和輸電線路覆冰綜合算法進行詳細說明：

3.1 圖像差分法的故障異常算法

位于桿塔終端主機的中央處理單元式智能預(yù)警系統(tǒng)的第一級判斷單位。第一級判斷單元根據(jù)紅外圖像和可見光視頻圖像進行輸電線路是否出現(xiàn)故障的初級判斷，這一判斷過程不要求對故障類型進行精準(zhǔn)判斷，圖像差分法具有運算量小、易于實現(xiàn)的特點，所以在第一級判斷單元采用圖像差分法。圖相差分法運動目標(biāo)的檢測是根據(jù)相鄰兩幀圖像之間的顯著性差異的判斷實現(xiàn)的。最常用的圖像差分法是兩幀差分法。該方法具有算法簡單、實用性較強的特點，但運動目標(biāo)的檢測的精準(zhǔn)度不高。兩幀差分法檢測的運動目標(biāo)包括真正的運動目標(biāo)和變化的背景區(qū)域兩部分，所以在自然條件比較惡劣或者光照過強時，此法不宜采用。由于輸電線路所處的地理位置條件復(fù)雜、自然環(huán)境條件多變，所以本文提出了一種更加適用于輸電線路的圖像差分算法，即三幀差分算法。它與兩幀差分算法相比，雖然算法的難度有所增加，但是可以減小圖片背景變化對線路故障異常的判斷，提高了故障判斷的準(zhǔn)確性。三幀差分算法是對連續(xù)的三幀圖像做前后兩幀差分圖像進行相與運算，根據(jù)圖像運動變化的檢測和識別及時向后臺主機傳送故障異常預(yù)警信號。

3.2 輸電線路覆冰綜合算法

輸電線路覆冰是影響電網(wǎng)安全運行的重要問題之一。常用的輸電線路覆冰在線監(jiān)測方法忽略了微氣象和導(dǎo)線覆冰之間的聯(lián)系，針對導(dǎo)線覆冰判斷精準(zhǔn)性不足，所以現(xiàn)在多采用以圖像監(jiān)測方法為基礎(chǔ)，利用在線巡視系統(tǒng)檢測為氣象參數(shù)和紅外圖像，采用模糊算法提出了綜合算法。綜合算法是利用圖像識別和處理技術(shù)，對采集的圖像和無覆冰模板圖像進行區(qū)域像素數(shù)比值的計算。輸電線路采用像素比值、風(fēng)速、溫度、濕度作為描述輸電線路覆冰情況的因素。利用模糊評判法判斷輸電線路是否覆冰，具體操作：（1）將影響輸電線路覆冰的四個因素設(shè)為一個因素集X={X1、X2、X3、X4}，分別代表像素比值、溫度、風(fēng)速、濕度；（2）評語集設(shè)為V={1、2、3、4}，對每一因素的狀態(tài)進行描述。A=（a1、a2、a3、a4）為因素集中各因素在綜合評價中所占的比重；（3）對于上述四個因素求出因素評判矩陣R，R的元素表示對因素的評價等級所占的比重；（4）對評判空間（X，V，R）進行綜合評價，等到因素集X的最后綜合評價結(jié)果B=A*R=（b1、b2、b3、b4）；（5）根據(jù)加權(quán)法求得v0=，將v0和V中的元素進行比較，根據(jù)接近程度判斷輸電線路是否覆冰。輸電線覆冰的綜合算法可以實現(xiàn)輸電線路的故障異常判斷的準(zhǔn)確性，為故障類型的精準(zhǔn)判斷提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

輸電線路作為電力系統(tǒng)中的重要工作之一，承擔(dān)著輸電的重要任務(wù)。文章對輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)的基本工作原理以及輸電在線巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了詳細說明，通過對輸電線路的任務(wù)以及故障判斷方法進行了闡述，可知智能預(yù)警系統(tǒng)有效地提高了輸電線路的故障診斷的準(zhǔn)確性?；谳旊娋€路在線巡視智能預(yù)警系統(tǒng)，通過采用圖像差分算法和綜合算法，以分層結(jié)構(gòu)的方式完成輸電線路故障的識別和類型的診斷，可以為輸電線路檢修和維護提供重要依據(jù)，推動了我國電力行業(yè)輸電的安全性和穩(wěn)定性的提升，從而推動電力企業(yè)朝著健康的方向發(fā)展。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）