基于圖像和應(yīng)力的輸電線路覆冰監(jiān)測方法研究

趙建利 ，張曉妍，趙建坤，鄧 潔，陳沛琳

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010020；3.武漢三相電力科技有限公司，武漢 430074）

架空輸電線路跨度大、走廊環(huán)境惡劣，在特殊地理地形環(huán)境下，容易造成輸電線路覆冰災(zāi)害，可能引起導(dǎo)線舞動、絕緣子閃絡(luò)、桿塔傾斜甚至斷線、倒塔等重大事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-5]。

人工巡視檢測、觀冰站等傳統(tǒng)線路覆冰檢測方法，存在勞動強(qiáng)度大、時間長，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度不高等問題[2-3]。近年來，為降低電網(wǎng)覆冰事故損失，各研究單位開展了大量輸電線路覆冰在線監(jiān)測研究[6-12]，但現(xiàn)有的覆冰監(jiān)測裝置一般存在以下一些問題：①監(jiān)測裝置一般安裝在鐵塔上，采用太陽能供電，在覆冰期往往由于長期陰雨天氣不能正常供電，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作；②圖像監(jiān)測的鏡頭也會產(chǎn)生覆冰，導(dǎo)致拍攝圖像模糊不清，極大影響了圖像監(jiān)測的效果；③基于拉力的覆冰監(jiān)測方法需要解開絕緣子串，改變原有結(jié)構(gòu)，施工復(fù)雜，安全風(fēng)險較大；④現(xiàn)有圖像覆冰監(jiān)測往往不能自動預(yù)警，依賴人工查看覆冰厚度，效率低。因此，研究更為優(yōu)越的覆冰監(jiān)測系統(tǒng)對提高輸電線路安全運(yùn)行具有重要的實(shí)際意義。

本文研究一種安裝于輸電線路導(dǎo)線的覆冰監(jiān)測裝置，通過輸電線路高電位耦合取能和高儲能鋰電池相結(jié)合的方式供電，基于鏡頭加熱技術(shù)及圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、具備自動預(yù)警功能的覆冰圖像監(jiān)測，同時通過內(nèi)置式應(yīng)變片采集導(dǎo)線表面應(yīng)變來推算線路應(yīng)力及比載，計(jì)算等值覆冰厚度，實(shí)現(xiàn)對輸電線路覆冰的定量監(jiān)測，在重大覆冰前期給出預(yù)警信息，及時采取措施消除覆冰隱患。

1 覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)

覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)包括覆冰在線監(jiān)測裝置（終端）、傳輸網(wǎng)絡(luò)及主站系統(tǒng)。覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Icing online monitoring system structure

1.1 覆冰在線監(jiān)測裝置

覆冰在線監(jiān)測裝置，直接安裝于輸電線路導(dǎo)線上，采集導(dǎo)線表面應(yīng)力、溫度及導(dǎo)線圖像等數(shù)據(jù)，通過GPRS傳輸至主站系統(tǒng)。基于導(dǎo)線應(yīng)力監(jiān)測覆冰厚度，避免了拉力法需要解開絕緣子串的安全隱患，且施工簡單。通過輸電線路高電位耦合取能和高儲能鋰電池相結(jié)合的方式供電，供電可靠性高；鏡頭采用接觸式加熱技術(shù)，基于感應(yīng)能量加熱防凍，保障鏡頭在覆冰期間的正常工作；附加紅外閃光和IRCUT功能，可實(shí)現(xiàn)夜視功能。覆冰在線監(jiān)測裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 覆冰在線監(jiān)測裝置實(shí)物圖Fig.2 Icing online monitoring device figure

1.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)采用GPRS及先進(jìn)通信技術(shù)，具備定時采集、召回采集2種工作方式，將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及圖像信息傳輸至主站系統(tǒng)。

1.3 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)對采集到的導(dǎo)線特征數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行處理分析，主站專家系統(tǒng)基于覆冰圖像識別結(jié)果及應(yīng)力法等值覆冰厚度計(jì)算結(jié)果，對線路覆冰情況給出監(jiān)測預(yù)警。當(dāng)超過設(shè)置的閾值后，自動通過手機(jī)及Web向用戶發(fā)送覆冰狀態(tài)預(yù)警信息。

2 在線監(jiān)測裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 耦合取能和鋰電池聯(lián)合供電技術(shù)

覆冰在線監(jiān)測裝置安裝在導(dǎo)線上，采用輸電線路高電位耦合取能和高儲能鋰電池相結(jié)合的方式，綜合電源管理技術(shù)進(jìn)行充電和供電，實(shí)現(xiàn)不間斷供電的高性能電源系統(tǒng)。

輸電線路高電位耦合取能電源系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過取能線圈從輸電線路導(dǎo)線上進(jìn)行空間耦合，輸出交流電流，然后經(jīng)過前端沖擊保護(hù)電路、整流濾波電路、過壓保護(hù)電路和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換后對負(fù)載供電和鋰電池充電。耦合取能系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 耦合取電模塊系統(tǒng)框圖Fig.3 Coupled power take-off module system diagram

鋰電池充、供電管理方法以高性能鋰電池作為備用的冗余電源。當(dāng)線路負(fù)荷電流較小時，感應(yīng)取能電源不對備用電池充電，當(dāng)負(fù)荷電流較高時，對備用電池充電；當(dāng)線路因故障停電時，則由備用電池給負(fù)載供電。該方法可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)取能電源在輸電線路負(fù)荷電流較小時啟動，且滿足在線監(jiān)測設(shè)備功率較大時能夠可靠地工作的需求；當(dāng)線路停電時，監(jiān)測終端仍然能夠在高性能備用鋰電池的供電方式下可靠工作數(shù)十小時，很好地解決了現(xiàn)有同類產(chǎn)品存在的技術(shù)缺陷。

另外，采用2種不同類型的電池作為后備電源，兩類電池分別在高溫環(huán)境與低溫環(huán)境具有比較好的特性，由電源管理模塊進(jìn)行冬夏模式的切換，從而保證在寬溫度范圍內(nèi)供電系統(tǒng)的溫度性。其控制框圖如圖4所示。

圖4 冬夏模式電源控制示意Fig.4 Winter and summer mode power control schematic

2.2 鏡頭加熱除冰技術(shù)

為了克服覆冰期鏡頭覆冰對監(jiān)測效果的影響，考慮對鏡頭進(jìn)行加熱處理?，F(xiàn)有的加熱技術(shù)耗能較大，在輸電線路上不具備實(shí)用性。本文提出一種基于磁芯電流感應(yīng)發(fā)熱的加熱除冰技術(shù)，研究基于耦合電流線圈的加熱器，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)一種適用于鏡頭加熱除冰的線圈加熱器的設(shè)計(jì)與制作，評估除冰所需的能量以及加熱器的體積，使其能夠滿足基于導(dǎo)線耦合取能的覆冰監(jiān)測裝置，同時不影響系統(tǒng)的可靠性。

其基本原理是利用磁芯的磁滯損耗和渦流損耗，在導(dǎo)線感應(yīng)電流的交變磁場下，磁芯能夠通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場，通過合理選擇磁芯材料的磁損參數(shù)及最大工作磁密，可以使磁芯在線路電流流過時產(chǎn)生比較大的熱量，通過與鏡頭的接觸，將熱量傳導(dǎo)給鏡頭，實(shí)現(xiàn)鏡頭的加熱除冰。

覆冰監(jiān)測裝置鏡頭加熱開啟前后，現(xiàn)場拍攝圖像對比如圖5所示。

圖5 覆冰圖像對比Fig.5 Icing image comparison

3 覆冰圖像識別技術(shù)

輸電線路覆冰是從無冰到有冰的厚度與形態(tài)變化過程，在算法處理過程中可歸并為“從正常狀態(tài)到異常狀態(tài)”的問題，只要算法能夠有效識別異常的特性，便可實(shí)現(xiàn)異常的正確報(bào)警。無論監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的場景是輸電線路還是桿塔周圍，當(dāng)沒有覆冰時，前一個時間節(jié)點(diǎn)和后一個時間節(jié)點(diǎn)采集到的圖像不會發(fā)生變化，相應(yīng)的各像素點(diǎn)也不會發(fā)生改變，前后兩幅視頻圖像的對應(yīng)像素相減之差為零。一旦發(fā)生覆冰，覆冰所在的局部區(qū)域就會產(chǎn)生變化，視頻圖像中對應(yīng)區(qū)域的像素也會隨之改變。此時，前后兩幅視頻圖像的對應(yīng)像素之差就不會為零，如圖6所示。

圖6 識別算法原理Fig.6 Identification algorithm schematic

識別算法基于圖6所示的原理，對相減得到的變化區(qū)域進(jìn)行識別運(yùn)算，得知覆冰存在并及時報(bào)警。具體的識別算法步驟如下：

（a）設(shè)置時間間隔 Tgap（Tgap一般取 1min～30min，若Tgap過小，由于運(yùn)算速度的限制，容易出現(xiàn)計(jì)算差錯；若Tgap過大，則不能及時有效發(fā)現(xiàn)線路覆冰動態(tài)），循環(huán)截取兩幅視頻圖像Pi和Pj，分別進(jìn)行預(yù)處理；

（b）設(shè)置最小像素變化值Pmin，采用減法運(yùn)算計(jì)算出前后兩幅視頻圖像對應(yīng)像素點(diǎn)的差值，統(tǒng)計(jì)發(fā)生改變的像素點(diǎn)個數(shù)，公式如下：

式中：N為總的像素改變點(diǎn)數(shù)。將像素點(diǎn)變化值大于Pmin的點(diǎn)賦值為1，小于Pmin的點(diǎn)賦值為0。創(chuàng)建一維數(shù)組X［N］和Y［N］，分別用于統(tǒng)計(jì)每個發(fā)生像素變化的點(diǎn)的x軸和y軸坐標(biāo)；

（c）設(shè)置檢驗(yàn)圖像狀態(tài)發(fā)生改變的最小閾值Nmin和最大閾值Nmax（根據(jù)視頻圖像采集設(shè)備的放大倍數(shù)和異常區(qū)域統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)置）。然后將N與Nmin和Nmax進(jìn)行比較：

①當(dāng)N≤Nmin時，認(rèn)為圖像中線路直徑變化不大，不發(fā)出報(bào)警信號，直接排除干擾，避免誤報(bào)警；

②當(dāng)N≥Nmax時，則認(rèn)為是由于視頻采集設(shè)備的監(jiān)測場景發(fā)生轉(zhuǎn)移，或者由于其他外力因素使其顫動而導(dǎo)致監(jiān)控視頻發(fā)生較大范圍的改變，也無需發(fā)出報(bào)警信號，直接排除干擾，避免誤報(bào)警；

③只有當(dāng)Nmin≤N≤Nmax時，才認(rèn)為是監(jiān)測線路覆冰狀態(tài)異常，引起視頻監(jiān)控圖像中的局部發(fā)生了異常改變，需要進(jìn)行后續(xù)的報(bào)警處理；

（d）通過上述步驟檢測出監(jiān)控場景中的覆冰情況時，則可以初步判定線路產(chǎn)生了覆冰。

4 應(yīng)力法等值冰厚計(jì)算技術(shù)

基于導(dǎo)線表面應(yīng)力的等值覆冰厚度計(jì)算模型，是根據(jù)架空輸電導(dǎo)線在不同覆冰厚度時的應(yīng)力，實(shí)時輸出導(dǎo)線等值冰厚。

導(dǎo)線在不同的覆冰厚度下其水平應(yīng)力是不等的，隨著覆冰厚度的增加其應(yīng)力也隨之增加。從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的應(yīng)力計(jì)算另一不同覆冰厚度下的導(dǎo)線應(yīng)力時，要利用2種狀態(tài)下導(dǎo)線長度間的關(guān)系來建立它們之間的應(yīng)力關(guān)系。

假設(shè)導(dǎo)線為理想的柔線，且具有均勻的覆冰分布載荷，可將其等價于完全彈性體單一金屬線來進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。因此，如果把覆冰荷載看成是分成n個階段逐級加上去的，則導(dǎo)線的應(yīng)力與變形之間應(yīng)滿足胡克定律。

當(dāng)導(dǎo)線因覆冰而應(yīng)力增加Δδ時其長度相應(yīng)伸長ΔL，有如下關(guān)系：

假設(shè)環(huán)境溫度為t，導(dǎo)線比載為g1時最低點(diǎn)應(yīng)力為δ1，長度為L1；當(dāng)導(dǎo)線因覆冰比載為 g2時最低點(diǎn)應(yīng)力為 δ2，長度為 L2，由式（2）有：

而導(dǎo)線長度L的計(jì)算公式為

式中：l為水平檔距。將L2、L1各自的計(jì)算公式帶入式（3）中，并且考慮到檔距l(xiāng)與原狀態(tài)下導(dǎo)線長度L相差比較?。ㄏ嗖钋Х种畮祝虼?，令l=L，整理后得到：

已知在某個環(huán)境溫度狀態(tài)下比載，就可以由上式求得在此氣溫條件下任何覆冰厚度的導(dǎo)線最低點(diǎn)的應(yīng)力。最后，根據(jù)架空輸電導(dǎo)線在不同覆冰厚度時的應(yīng)力，實(shí)時輸出導(dǎo)線等值覆冰厚度值。

5 現(xiàn)場應(yīng)用分析

近年來，內(nèi)蒙古電網(wǎng)大青山地區(qū)架空輸電線路多次發(fā)生嚴(yán)重覆冰災(zāi)害，引發(fā)地線竄移、地線支架變形、導(dǎo)地線短路故障，造成嚴(yán)重影響。

為驗(yàn)證本文研發(fā)的覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能及有效性，以大青山地區(qū)500 kV輸電線路為試點(diǎn)，安裝了多套覆冰在線監(jiān)測裝置。覆冰在線監(jiān)測裝置經(jīng)塔下調(diào)試及塔上安裝、調(diào)試完成后，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及所拍攝圖像能夠成功傳輸?shù)街髡鞠到y(tǒng)。覆冰在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝效果如圖7所示。

圖7 覆冰在線監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝圖Fig.7 Icing online monitoring device on-site installation diagram

覆冰在線監(jiān)測裝置安裝在導(dǎo)線上，采集導(dǎo)線應(yīng)力等特征參數(shù)，并可對線路覆冰現(xiàn)場進(jìn)行拍照；覆冰圖像、導(dǎo)線的特征參數(shù)可利用GPRS傳輸至主站系統(tǒng)，主站專家系統(tǒng)基于導(dǎo)線應(yīng)力計(jì)算等值覆冰厚度，結(jié)合覆冰圖像識別結(jié)果給出覆冰預(yù)警。用戶可通過Web、手機(jī)等方式對輸電線路的狀態(tài)，如在線監(jiān)測裝置拍攝的最新圖像、等值覆冰厚度變化趨勢、預(yù)警信息等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對覆冰程度進(jìn)行直觀的了解，監(jiān)控人員可根據(jù)覆冰情況做好應(yīng)急的措施和準(zhǔn)備，有效減少線路冰閃、斷線、倒塔等事故的發(fā)生，監(jiān)測及預(yù)警信息如圖8～圖10所示。

圖8 Web端主站系統(tǒng)Fig.8 Web-side master station system

圖9 手機(jī)端預(yù)警信息Fig.9 Mobile phone warning information

圖10 導(dǎo)線覆冰現(xiàn)場采集圖像Fig.10 Wire icing scene capture image

6 結(jié)語

本文研究了一種基于智能圖像識別技術(shù)和應(yīng)力法等值覆冰厚度計(jì)算技術(shù)的新型覆冰監(jiān)測方法，它能夠在線路運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)自動的覆冰厚度監(jiān)測和預(yù)警。

安裝在線路上的圖像監(jiān)測裝置，通過輸電線路高電位耦合取能和高儲能鋰電池相結(jié)合的方式，綜合電源管理技術(shù)進(jìn)行充電和供電，實(shí)現(xiàn)不間斷供電的高性能電源系統(tǒng)；通過智能圖像識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)間歇性拍攝、圖像分割、現(xiàn)場識別、實(shí)時預(yù)警，解決覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量傳輸及智能預(yù)警的問題；基于導(dǎo)線表面應(yīng)力監(jiān)測量的等值覆冰厚度計(jì)算模型，根據(jù)架空導(dǎo)線在不同覆冰厚度時的應(yīng)力，實(shí)時輸出導(dǎo)線等值冰厚。

本文的研究可用于對架空線路覆冰監(jiān)測預(yù)警，亦可用于對線路融冰系統(tǒng)的自動控制，使得線路融冰系統(tǒng)在最佳時間投入和退出，確保輸電線路的穩(wěn)定和安全。