基于圖像處理的輸電線路覆冰厚度計(jì)算方法

菅瑞琴， 王玲桃， 王偉

(1.山西大學(xué) 電力工程系，山西 太原 030013；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 宿州供電公司，安徽 宿州 234000)

0 引 言

今后10年到20年是我國(guó)電力工業(yè)高速發(fā)展的時(shí)期，輸電線路的電壓等級(jí)逐步提高，輸電線路沿線經(jīng)過(guò)的地區(qū)更為復(fù)雜[1]，一些主導(dǎo)因素如溫度、濕度等的影響，導(dǎo)致在輸電線路上很容易形成覆冰。

世界各地由輸電線路覆冰引發(fā)的電網(wǎng)事故很多，例如，1932年在美國(guó)首次出現(xiàn)有記錄的輸電線路覆冰事故；1998年加拿大遭受史無(wú)前例的暴冰事故，輸電線路遭到不同程度的破壞，該區(qū)域內(nèi)30%以上的電網(wǎng)設(shè)施遭到破壞；2007年美國(guó)遭受嚴(yán)重冰災(zāi)，變電站損壞18座。我國(guó)在1954年出現(xiàn)有記錄的輸電線路覆冰事故；1984年云南、貴州電網(wǎng)發(fā)生大面積冰災(zāi)，使貴州電網(wǎng)瓦解為4個(gè)部分；2008年低溫雨雪冰凍災(zāi)害造成浙江、安徽等19個(gè)省不同程度受災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)537億元；2012年南方電網(wǎng)受強(qiáng)冷空氣影響，輸電線路覆冰114條[2]。

綜上所述，輸電線路覆冰主要與溫度、濕度等因素有關(guān)，而覆冰事故的發(fā)生主要與覆冰體積與厚度的變化有關(guān)，一旦發(fā)生輸電線路過(guò)負(fù)載事故，很容易導(dǎo)致大面積停電甚至電網(wǎng)癱瘓，由此帶來(lái)不可估量的損失[3]，因此國(guó)內(nèi)外很多工作人員在覆冰方面開展了大量的研究工作，這些研究主要針對(duì)塔線系統(tǒng)，包括理論方面的探索以及實(shí)際工作中的一些試驗(yàn)，由此也建立了大量的觀冰站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集，輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)技術(shù)得到廣泛的關(guān)注[4]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及視頻技術(shù)的發(fā)展，圖像技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普遍，逐漸將圖像裝置安裝于桿塔上從而進(jìn)行覆冰線路實(shí)時(shí)圖像的采集，用這種方法可以很方便地實(shí)現(xiàn)人工觀測(cè)，同時(shí)對(duì)了解輸電線路的覆冰過(guò)程和發(fā)展?fàn)顩r也起著不容忽視的作用[5]。

采用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)以下兩項(xiàng)功能，第一，采用溫濕度傳感器來(lái)測(cè)量輸電線路周圍的溫度和濕度；第二，利用攝像頭來(lái)采集輸電線路覆冰的實(shí)時(shí)圖像，將這兩者結(jié)合來(lái)判定覆冰的程度，同時(shí)驗(yàn)證將圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用到輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)中的可靠性與準(zhǔn)確性。

1 輸電線路覆冰采集系統(tǒng)

圖1 輸電線路覆冰采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是輸電線路覆冰采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)系統(tǒng)中主要包含4個(gè)部分，分別是溫濕度傳感器、攝像頭、中央處理器、用于顯示數(shù)據(jù)的設(shè)備[6-7]，該系統(tǒng)通過(guò)采集輸電線路周圍的溫濕度對(duì)輸電線路是否覆冰進(jìn)行一個(gè)初始判斷，同時(shí)通過(guò)采集覆冰圖像，來(lái)對(duì)覆冰情況作進(jìn)一步判斷。

用單片機(jī)進(jìn)行控制，將溫濕度傳感器采集到的溫度與濕度通過(guò)藍(lán)牙傳到手機(jī)上進(jìn)行顯示，將攝像頭采集到的輸電線路圖像通過(guò)液晶屏進(jìn)行顯示，同時(shí)設(shè)置溫度小于0 ℃和濕度大于80%時(shí)按鍵觸發(fā)拍照，對(duì)手機(jī)上采集到的溫濕度數(shù)據(jù)和攝像機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行處理和分析。

這個(gè)系統(tǒng)中用來(lái)測(cè)量溫度和濕度的傳感器選用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，此傳感器包括一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接安裝在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)測(cè)溫測(cè)濕；現(xiàn)場(chǎng)使用CCD攝像頭進(jìn)行圖像采集，其具有屏蔽現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾、防雨防塵等優(yōu)點(diǎn)，并且CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真；系統(tǒng)中使用STM32F407單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。

2 輸電線路覆冰圖像處理

2.1 對(duì)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理

具體處理過(guò)程如下[8]：

(1)將彩色圖像進(jìn)行灰度化處理；

(2)處理圖像得到其直方圖；

(3)采用圖像直方圖均衡化來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)；

(4)采用中值濾波對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。

2.2 對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)

對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，使用的邊緣檢測(cè)算法主要從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行[9-10]。

1)設(shè)指定標(biāo)準(zhǔn)差為σ，在此處對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理可以使用高斯濾波器，這樣可以使噪聲污染得到一定程度的改善；

2)選取具有典型特征的點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行梯度的幅值大小和方向的計(jì)算，具體如下：

使用分?jǐn)?shù)階差分方法來(lái)計(jì)算梯度幅值[16]。

設(shè)n為分?jǐn)?shù)階差分階數(shù)，m為濾波器長(zhǎng)度，令：

(1)

(2)

則圖像水平方向的差分為：

(3)

圖像垂直方向的差分為：

(4)

J(x,y)=(mag)(f)

(5)

α(x,y)=arctan[gy/gx]

(6)

在水平方向上運(yùn)用式(3)來(lái)計(jì)算差分，在垂直方向上運(yùn)用式(4)來(lái)計(jì)算差分，將式(3)和式(4)分別代入式(5)和式(6)中，可以得到梯度方向與幅值計(jì)算公式。

3)先搜索局部極大值，從而來(lái)抑制非極大值元素，然后使用帶有滯后作用的閾值來(lái)處理，此處理方法是使用閾值Ta和Tb，其中Ta

梯度方向的示意圖如圖2所示。

圖2 梯度方向的示意圖

局部最大值可以使用相鄰像素點(diǎn)的梯度與梯度的差值來(lái)進(jìn)行判斷，據(jù)此設(shè)置梯度的閾值Ta和Tg，在梯度幅值圖像中Ta為所有像素點(diǎn)灰度值的平均，當(dāng)對(duì)梯度求平均后的值大于中心像素點(diǎn)的梯度值時(shí)，將其去掉；在梯度方向上Tg取相鄰兩點(diǎn)與中心像素點(diǎn)差值的平方差進(jìn)行平方，局部區(qū)域的最大值G(x,y)具備以下條件[11]：

(1)

(7)

或者

(8)

(2)中心像素點(diǎn)梯度方向在1區(qū)中

4)將弱像素執(zhí)行到強(qiáng)像素來(lái)執(zhí)行邊緣連接，并進(jìn)行閾值計(jì)算，按以下步驟來(lái)確定閾值：

(1)選擇一個(gè)初始估計(jì)閾值T1，通過(guò)分析直方圖，確定T1的具體數(shù)值；

(2)使用閾值T1來(lái)將圖像分成若干個(gè)特定的區(qū)域，將所有灰度值大于T1的像素組成G1，所有灰度值小于等于T1的像素組成G2；

(3)G1中像素灰色程度的平均值為m1，G2中像素灰色程度的平均值為m2；

(5)重復(fù)步驟2到4，直到在后續(xù)迭代過(guò)程中預(yù)定義的ΔT值大于等于T的差值為止；

(6)分割圖像。

2.3 覆冰厚度計(jì)算

采用攝像機(jī)標(biāo)定方法[12-13]計(jì)算輸電線路覆冰厚度，把攝像機(jī)所在的圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)輸電線路覆冰前與覆冰后的圖像進(jìn)行分析，并計(jì)算覆冰前輸電線路外圍之間的距離d1與覆冰后輸電線路外圍之間的距離d2，將兩者作差，則輸電線路平均覆冰厚度計(jì)算公式為：

(9)

3 工程應(yīng)用及分析

在某220 kV線路中運(yùn)行此系統(tǒng)，可以得到輸電線路周圍的溫度、濕度數(shù)值和相應(yīng)的圖像及計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表中“有無(wú)覆冰1”表示對(duì)輸電線路是否覆冰作初步判斷；“有無(wú)覆冰2”表示對(duì)是否覆冰作進(jìn)一步判斷。根據(jù)溫度、濕度等數(shù)值對(duì)輸電線路是否覆冰作初步判斷，然后對(duì)所得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)等操作，并利用攝像機(jī)標(biāo)定方法計(jì)算輸電線路外圍之間的距離d1和d2，據(jù)此來(lái)對(duì)覆冰情況作進(jìn)一步判斷，采集了九組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 對(duì)某220 kV輸電線路信息的采集結(jié)果

由表1可知，僅由采集到的溫度、濕度數(shù)值來(lái)判斷有無(wú)覆冰并不全面，還需要借助圖像采集裝置對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理與計(jì)算，最終可以準(zhǔn)確判斷有無(wú)覆冰以及覆冰程度。

根據(jù)表1中采集到的數(shù)據(jù)，可以看到表1中有覆冰的是序號(hào)3、5、6、7、8、9，對(duì)其進(jìn)行平均覆冰厚度的計(jì)算，并與實(shí)際冰厚作比較分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 圖像處理計(jì)算冰厚與實(shí)際冰厚的比較

由表2可知：與實(shí)際覆冰厚度進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)誤差在1 mm以內(nèi)，該誤差在工程允許的范圍內(nèi)。

圖3 計(jì)算冰厚與實(shí)際冰厚的折線圖

為了更直觀地比較計(jì)算冰厚與實(shí)際冰厚，繪制了二者的折線圖，如圖3所示，可以看出兩者的偏差很小，所以將圖像裝置與溫濕度采集裝置結(jié)合運(yùn)用于輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)中的方法可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用傳感器和攝像頭來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成輸電線路周圍溫度和濕度以及覆冰實(shí)時(shí)圖像的采集。同時(shí)介紹了輸電線路覆冰圖像處理方法，對(duì)采集到的覆冰實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣檢測(cè)等操作，并利用攝像機(jī)標(biāo)定方法計(jì)算輸電線路外圍之間的距離，據(jù)此判斷覆冰程度，并計(jì)算覆冰線路的平均覆冰厚度。

為了驗(yàn)證輸電線路覆冰信息采集系統(tǒng)的可行性，將此系統(tǒng)放在某220 kV線路中進(jìn)行采集，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)溫濕度以及覆冰實(shí)時(shí)圖像的采集，而相應(yīng)的圖像處理方法也可以實(shí)現(xiàn)較小誤差的計(jì)算。因此將圖像裝置與溫濕度采集裝置結(jié)合運(yùn)用于輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)中的方法可行且具有較好的應(yīng)用前景。