基于機(jī)器視覺技術(shù)的高壓輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)方法

金 瑜,馬三龍,馮靖凱

(1.國網(wǎng)固原供電公司輸電運(yùn)檢中心,寧夏 固原 756000;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司固原供電公司,寧夏 固原 756000)

0 引言

覆冰災(zāi)害是影響高壓輸電線路正常運(yùn)行的主要因素之一,進(jìn)而致使電力系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患。輸電線路覆冰會(huì)極大地消減線路的電氣與機(jī)械性能,極易導(dǎo)致輸電線路擺動(dòng)、墜落和斷裂等危險(xiǎn)事故發(fā)生。另外,線路覆冰密度與厚度超出閾值不僅影響線路覆蓋區(qū)域的安全用電,還會(huì)造成電力經(jīng)濟(jì)損失。

為了對(duì)線路覆冰災(zāi)情及時(shí)作出預(yù)警,需采取針對(duì)性的除冰措施,目前已有多種方法通過線路覆冰在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的冰災(zāi)防治。徐志鈕等[1]根據(jù)溫度滯后相位原理對(duì)導(dǎo)線溫度變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),通過比較導(dǎo)線溫度與環(huán)境溫度的差值,分別對(duì)導(dǎo)線在覆冰狀態(tài)和正常狀態(tài)下的參數(shù)特性進(jìn)行提取與分析,并通過構(gòu)建覆冰與融冰預(yù)測(cè)模型,完成在線監(jiān)測(cè)。但該方法沒有考慮到導(dǎo)線初始溫度與頻移之間的關(guān)系對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,且缺少溫度標(biāo)定流程;黃歡等[2]利用弧垂測(cè)量原理分析冰荷載與導(dǎo)線之間的線性關(guān)系,借助覆冰厚度的數(shù)值模型,采用有限元分析軟件對(duì)線路覆冰進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于模擬導(dǎo)線的覆冰監(jiān)測(cè),此方法屬于間接測(cè)量,因此監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度還有待提高。

為彌補(bǔ)上述方法存在的缺陷,本文利用機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高壓輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)方法,通過獲取線路雙目圖像,根據(jù)線路覆冰力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)線路覆冰的在線監(jiān)測(cè)。

1 高壓輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 線路覆冰力學(xué)模型建立

線路覆冰力學(xué)模型如圖1所示。圖1中:X軸表示線路水平方向;Y表示線路豎直方向;A、B分別表示線路的兩個(gè)端點(diǎn);σ0、σ1分別表示導(dǎo)線重力比與軸向應(yīng)力值;σ2表示重力荷載;σ3、σ4分別表示H0為導(dǎo)線與軸向力的耦合系數(shù)與正交系數(shù);β表示導(dǎo)線起始懸掛端與水平方向的夾角;H0表示懸掛終點(diǎn)端到地面的距離;在導(dǎo)線上任取一點(diǎn)C,該點(diǎn)與導(dǎo)線下垂最低端O的距離為H1;L1表示導(dǎo)線兩個(gè)懸掛點(diǎn)之間的距離;L2表示C點(diǎn)與A點(diǎn)的距離;L3表示C點(diǎn)與O點(diǎn)的距離。

圖1 輸電線力學(xué)分析

在高壓輸電線路中,導(dǎo)體的長(zhǎng)度比導(dǎo)體的外徑大。因此,在分析中,導(dǎo)體的外徑可以視為無窮小,導(dǎo)體剛度對(duì)導(dǎo)體弧垂的影響可以忽略不計(jì)[3]。根據(jù)這一原理,文章將導(dǎo)體僅在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中受到的軸向應(yīng)力作為已知條件,假設(shè)在導(dǎo)線上的任何點(diǎn)施加到導(dǎo)線負(fù)載的應(yīng)力是恒定的,則該線路段的應(yīng)力方程為:

σ0cosβ=σ4sinβ

(1)

文章將導(dǎo)線上所有點(diǎn)的軸向應(yīng)力分解,得到水平和垂直方向的力,并且任何點(diǎn)的垂直力和水平力與從該點(diǎn)到最低點(diǎn)O的線路長(zhǎng)度乘以載荷的值是相同的[4],即:

(2)

式(2)中:θ表示C點(diǎn)與水平方向的夾角。

當(dāng)σ3/σ0值一定時(shí),導(dǎo)線上隨機(jī)一點(diǎn)的斜率會(huì)隨著弧垂度的增加而增大,故可得導(dǎo)線斜率的變化過程為:

y0=f(x)×(L2+L3)+tanθ

(3)

式(3)中:f(x)表示線路運(yùn)行狀態(tài)判別函數(shù)。

假設(shè)導(dǎo)線上的應(yīng)力是均勻的,即導(dǎo)線的比載荷是恒定的,懸鏈線上任何一點(diǎn)的彎矩都為0,則導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的彎矩平衡公式如下:

(4)

文章在線路中對(duì)弧長(zhǎng)作微分處理,得:

(5)

文章計(jì)算輸電線長(zhǎng)度的公式如下:

(6)

式(6)中:L表示導(dǎo)線弧垂長(zhǎng)度。

在高壓輸電線路上,導(dǎo)線的長(zhǎng)度隨著負(fù)載和溫度的變化而變化,從而導(dǎo)致弧垂上的應(yīng)力變化。文章假設(shè)外部施加的拉力為α0,當(dāng)前環(huán)境溫度為t0,則從彈性變形和溫度變形獲得的線路長(zhǎng)度變化ΔL′為:

(7)

式(7)中:l0表示檔距。

文章對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算,得到:

(8)

式(8)中:Lx表示當(dāng)前導(dǎo)線初始長(zhǎng)度;t表示工作狀態(tài)溫度。

導(dǎo)線的原始長(zhǎng)度是固定的,因此可以將導(dǎo)線初始長(zhǎng)度與其隨溫度和應(yīng)力變化后的最終長(zhǎng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并與原始長(zhǎng)度進(jìn)行比較,以獲得反映導(dǎo)線狀態(tài)的方程,即輸電線路的力學(xué)模型,表達(dá)如下:

(9)

式(9)中:γ0表示應(yīng)力水平分量。

1.2 利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)線路覆冰監(jiān)測(cè)

文章通過對(duì)線路真實(shí)坐標(biāo)(x,y)賦值的方式,對(duì)其位置進(jìn)行視覺立體標(biāo)定。文章將左視圖與右視圖中某一像素點(diǎn)(x′,y′)按照設(shè)定基線旋轉(zhuǎn),得到線路的顏色索引參數(shù)為:

R=(RL+RR)1/2

(10)

式(10)中:RL、RR分別表示左右相機(jī)坐標(biāo)。

文章利用輸電線路力學(xué)模型構(gòu)造圖像像素點(diǎn)的變換矩陣Pr,如下:

Pr=G[e1,e2,e3]

(11)

式(11)中:G表示輸電線路力學(xué)模型;e1、e2、e3分別表示3個(gè)左極點(diǎn)的方向向量。

文章通過變換矩陣對(duì)顏色索引矩陣進(jìn)行分解,完成左右相機(jī)的立體校正,公式如下:

r=v0Pr+W0

(12)

式(12)中:v0表示放大系數(shù);W0表示左右視圖對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的連接權(quán)重。

文章獲取到雙目立體矯正圖片后,對(duì)圖像進(jìn)行輪廓提取,分割圖像主體區(qū)域與背景區(qū)域,得到圖片的深度信息。

下一步是計(jì)算圖像的視差,基于導(dǎo)線輪廓,以掃描方式掃描每行像素的最左邊和最右邊的輪廓像素點(diǎn),以獲得水平像素位置差,計(jì)算公式為:

(13)

式(13)中:V表示相鄰兩根輸電線間距;cx、cy分別表示圖像主點(diǎn)x和y的坐標(biāo)。

文章根據(jù)視差求取結(jié)果,計(jì)算覆冰線路質(zhì)量。由于0 ℃時(shí)的彈性模量為53 MPa,遠(yuǎn)小于輸電線路在該溫度下的彈性模量,因此導(dǎo)體密度的增加相當(dāng)于覆冰質(zhì)量的增加,覆冰時(shí)線路的總重量可以表示為:

(14)

式(14)中:m1表示線路覆冰重量;m2表示單位距離線路的重量;k表示覆冰作用系數(shù)。

文章計(jì)算導(dǎo)線單位長(zhǎng)度無覆冰荷載為:

(15)

式(15)中:S1、S2分別表示線路的綜合彈性系數(shù)與膨脹系數(shù)。

文章根據(jù)輸電線路覆冰厚度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),假設(shè)覆冰為均勻的圓柱形,輸電線路的等效覆冰厚度g可利用下式計(jì)算:

(16)

式(16)中:qice表示導(dǎo)線覆冰荷載;ρice表示覆冰密度,通常取0.9×10-3kg/(m·mm2)。

文章通過上述分析與計(jì)算,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓輸電線路覆冰情況的監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)線等值覆冰厚度值。

2 實(shí)驗(yàn)論證

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)線受力部分長(zhǎng)度為10 cm,最大屈服張力為259 kN。絕緣子串類型為雙極性懸垂串。此次實(shí)驗(yàn)使用溫度和濕度傳感器來收集輸電線路的傳輸信息參數(shù),選擇1 250 nm作為溫度感測(cè)帶,選擇1 524 nm作為應(yīng)力感測(cè)帶。實(shí)驗(yàn)對(duì)位于中間測(cè)量塔之間的四條高壓輸電線路的結(jié)冰情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,利用本文提出的基于機(jī)器視覺線路覆冰監(jiān)測(cè)方法對(duì)測(cè)試高壓輸電線路覆冰情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到的覆冰厚度與實(shí)際覆冰值較為接近,在不同線路弧垂長(zhǎng)度下,均能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出線路表面覆冰厚度,監(jiān)測(cè)誤差為0～0.2 mm。因此,本文所提方法具有較高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性,可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2.3 監(jiān)測(cè)誤差對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析

為進(jìn)一步體現(xiàn)本文所提方法在輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)越性能,實(shí)驗(yàn)將溫度滯后相位原理(方法1)、弧垂測(cè)量方法(方法2)與本文方法作對(duì)比測(cè)試,對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)誤差結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果可以看出,本研究方法可以提高高壓輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,監(jiān)測(cè)效果較好。

3 結(jié)語

本文以機(jī)器視覺技術(shù)為依托,獲取線路雙目圖像,根據(jù)線路覆冰力學(xué)模型,通過識(shí)別高壓輸電線路狀態(tài)與構(gòu)建線路覆冰力學(xué)模型,計(jì)算出線路覆冰等效厚度,具有較高的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。本研究能為高壓輸電線路的運(yùn)維管理工作提供建議與幫助。