基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

蔡光柱，李軍輝，倪康婷，鄭鵬超，王志興，王力學(xué)，王 陽(yáng)

(北京國(guó)網(wǎng)富達(dá)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，北京 100070)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)輸電線路的覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象十分普遍。受溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、強(qiáng)風(fēng)、微氣候等多因素影響，線路覆冰和積雪會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械和電氣性能急劇下降，引起覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象，造成桿塔傾斜甚至倒塌、線路斷線以及絕緣子閃絡(luò)等重大電力事故，給國(guó)家電力設(shè)施造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于輸電線路的覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象，傳統(tǒng)的人工巡線、觀冰站等監(jiān)測(cè)方法不僅效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且監(jiān)測(cè)精度無(wú)法量化，不利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)維管理。從現(xiàn)有的覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)前的測(cè)量方式主要有稱重法監(jiān)測(cè)、模擬導(dǎo)線監(jiān)測(cè)、圖像監(jiān)測(cè)、光纖光柵監(jiān)測(cè)等，傳統(tǒng)方法是通過(guò)測(cè)量拉力與傾角獲得導(dǎo)線冰荷載，進(jìn)而計(jì)算覆冰質(zhì)量和估算覆冰厚度，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)模型參數(shù)的處理會(huì)大大影響結(jié)果的精度。

現(xiàn)有基于拉力的等值覆冰監(jiān)測(cè)需要解開絕緣子串，施工復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；模擬導(dǎo)線覆冰監(jiān)測(cè)易受導(dǎo)線材質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向等影響，易導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異?！，F(xiàn)有的覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用太陽(yáng)能供電，經(jīng)常出現(xiàn)供能不足導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作的情況；舞動(dòng)檢測(cè)儀采用高能電池供電，更換電池困難，存在施工風(fēng)險(xiǎn)；覆冰舞動(dòng)圖像監(jiān)測(cè)面臨更嚴(yán)重的問(wèn)題，由于攝像機(jī)采用間隙上電工作模式，鏡頭極易結(jié)冰導(dǎo)致無(wú)法拍到現(xiàn)場(chǎng)的覆冰舞動(dòng)情況。

綜合來(lái)看，視頻或圖片是覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象監(jiān)測(cè)最直觀的手段，輔助圖像識(shí)別技術(shù)能較好地實(shí)現(xiàn)覆冰監(jiān)測(cè)。據(jù)國(guó)網(wǎng)湖南省防災(zāi)減災(zāi)中心統(tǒng)計(jì)，圖像類覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置較其他幾種方式的監(jiān)測(cè)效果要好，因此，急需開發(fā)一種覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置，以解決現(xiàn)存的監(jiān)測(cè)難題，滿足超(特)高壓輸電線路運(yùn)檢工作需求。

1 覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置

覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置主要由圖像采集模塊、舞動(dòng)報(bào)警模塊、在線取能模組、通信模組、控制主板等部分組成，其架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。該裝置安裝在特高壓交流輸電線路導(dǎo)線上，采用在線取電模式；在本地通過(guò)同步串行通信協(xié)議(serial peripheral interface，SPI)、無(wú)線LoRa模塊與現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)感知層的通信匯聚和邊緣計(jì)算。

1.1 硬軟件配置

1.1.1 硬件配置

裝置基于國(guó)產(chǎn)化低功耗SoC芯片，內(nèi)置視頻采集模組、2TOPS低功耗AI加速器，可控制模組處理圖像采集模組所采集的導(dǎo)線圖片信息，可精確算出覆冰厚度和舞動(dòng)強(qiáng)度，解決原有裝置測(cè)量不準(zhǔn)確的難題，同時(shí)滿足低碳要求。為防止鏡頭被冰覆蓋后完全無(wú)法監(jiān)測(cè)導(dǎo)線覆冰的情況，攝像機(jī)鏡頭采用高分子有機(jī)薄膜加熱技術(shù)，CPU可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度進(jìn)行加熱防凍操作，徹底避免了冬季鏡頭積冰的可能。采用超低功耗芯片處理電路設(shè)計(jì)，引入電源管理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)，與現(xiàn)有覆冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比大大提高了圖像監(jiān)測(cè)功能的穩(wěn)定性、可靠性。

1.1.2 軟件配置

裝置內(nèi)置了AI圖像分析能力，可對(duì)導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)進(jìn)行舞動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和覆冰厚度測(cè)量；對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密技術(shù)研究以防數(shù)據(jù)泄露，滿足國(guó)家電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸安全的要求；微氣象傳感器準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)線附近的環(huán)境參數(shù)，為覆冰舞動(dòng)模型計(jì)算提供更準(zhǔn)確的參數(shù)，結(jié)合桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置、三軸加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)輸電覆冰舞動(dòng)場(chǎng)景下監(jiān)測(cè)類傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，為圖像識(shí)別覆冰舞動(dòng)提供數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或北斗短報(bào)文的傳輸方式向中心站發(fā)送覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)圖像、傳感器和狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，具備定時(shí)拍攝、召回拍攝兩種工作方式。當(dāng)相關(guān)信息超過(guò)設(shè)置的閾值后，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)向用戶推送覆冰舞動(dòng)狀態(tài)預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)覆冰舞動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

1.2 覆冰厚度圖像識(shí)別算法設(shè)計(jì)

圖像視頻終端模塊對(duì)設(shè)備視頻、圖片數(shù)據(jù)流接入后，調(diào)用設(shè)備本地計(jì)算資源進(jìn)行解碼，同時(shí)對(duì)輸電線路覆冰厚度進(jìn)行邊緣AI圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)圖像識(shí)別的輸電線路覆冰厚度識(shí)別，其工作流程如下。

1) 啟動(dòng)采集溫度傳感器數(shù)據(jù)供電開關(guān)，判斷是否需要啟動(dòng)加熱，接收、解析物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)下發(fā)的配置管理信息、視頻實(shí)時(shí)操作命令。

2) 控制加熱模塊供電，按照ONVIF/RTSP協(xié)議或GB/T 28181—2022《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術(shù)要求》連接到攝像機(jī)。

3) 啟動(dòng)攝像頭模塊供電開關(guān)，拍攝導(dǎo)線圖片；同時(shí)，加速度傳感器采集數(shù)據(jù)、啟動(dòng)舞動(dòng)算法，處理加速度傳感數(shù)據(jù)。

4) 將H.264/H.265視頻流解碼成YUV原始圖像；按照業(yè)務(wù)后臺(tái)配置的間隔周期，對(duì)解碼后的YUV視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行圖片抽取。

5) 啟動(dòng)AI加速器，對(duì)預(yù)處理后的圖片進(jìn)行AI分析計(jì)算，獲取導(dǎo)線覆冰分析結(jié)果。

6) 啟動(dòng)通信模塊，撥號(hào)連接后臺(tái)成功后發(fā)送識(shí)別后的圖片生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、報(bào)警信息，并將處理后的數(shù)據(jù)推送至遠(yuǎn)程媒體接口模塊；控制通信模塊、主控模組進(jìn)入待機(jī)模式。

基于圖像識(shí)別的覆冰厚度算法可以做成APP置于覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置主板中，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量導(dǎo)線覆冰厚度，采用可生成深度信息的攝像頭模組進(jìn)行圖像采集。模組拍攝多張具有位置偏差的圖片傳輸至主控模塊，由主控模塊計(jì)算獲得圖像深度信息，可有效地去除背景，完成輸電線路導(dǎo)線覆冰厚度計(jì)算。

針對(duì)輸電線路導(dǎo)線覆冰圖像各種噪聲的影響、圖像灰度級(jí)交錯(cuò)、對(duì)比度低的復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行輸電線路覆冰厚度圖像識(shí)別方法研究，提取覆冰輸電線路的邊緣，再利用霍夫(Hough)變換直線檢測(cè)得到覆冰導(dǎo)線邊緣，并通過(guò)所檢測(cè)的兩邊緣直線相應(yīng)位置距離的像素值與實(shí)際幾何距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求得輸電線路導(dǎo)線覆冰厚度。

1.3 在線取能模組設(shè)計(jì)

裝置正常工作時(shí)最大功耗(覆冰監(jiān)測(cè)、舞動(dòng)監(jiān)測(cè)、鏡頭加熱、數(shù)據(jù)接收、通信等)可達(dá)7 W，依靠太陽(yáng)能充電難以保證設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間全功率工作，為防止鏡頭被冰覆蓋后完全無(wú)法監(jiān)測(cè)導(dǎo)線覆冰的情況，采用高效交流感應(yīng)取電技術(shù)進(jìn)行供電。該方式取電功率大，適合不同電壓等級(jí)的負(fù)荷線路，有效解決了覆冰期間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供能不足的難題。為保證在導(dǎo)線突然停電狀態(tài)下設(shè)備正常工作，蓄電池備用容量需根據(jù)功耗進(jìn)行選擇，保證設(shè)備持續(xù)工作時(shí)間不低于8 h。

輸電線路電流為30 A，電源輸出為12 V,45 W；具備蓄電池自動(dòng)浮充電能、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等管理功能，并具備根據(jù)溫度變化自動(dòng)調(diào)整充電電壓的功能；具備電量與負(fù)載分級(jí)管理以及調(diào)整監(jiān)控裝置工作模式的功能。根據(jù)當(dāng)前輸電線路負(fù)荷情況，按其重要性分級(jí)切斷負(fù)載；具備對(duì)蓄電池電量、電池電壓、充電電壓、充電電流、負(fù)載電流、工作溫度等供電電源狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能。

1.4 舞動(dòng)監(jiān)測(cè)模組設(shè)計(jì)

舞動(dòng)監(jiān)測(cè)模組匯集現(xiàn)場(chǎng)微氣象裝置采集數(shù)據(jù)，如果達(dá)到觸發(fā)舞動(dòng)采集的條件，便開啟導(dǎo)線舞動(dòng)采集流程，否則進(jìn)入休眠模式。舞動(dòng)監(jiān)測(cè)模組依次讀出x、y、z坐標(biāo)軸加速度值和角加速度值。首先，利用電路中的低通濾波器去掉異常的波形數(shù)據(jù)，利用多次均值法對(duì)采集到的加速度值進(jìn)行數(shù)字濾波處理；其次，對(duì)角加速度值進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)四元素算法轉(zhuǎn)換成加速度值，再利用均值濾波和最小二乘法，經(jīng)過(guò)二次積分，將加速度值轉(zhuǎn)換為舞動(dòng)位移值；最后，對(duì)采集到的舞動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換算法得到導(dǎo)線舞動(dòng)特征量頻率和幅值等，導(dǎo)線舞動(dòng)特征量經(jīng)過(guò)校正后發(fā)送到控制主芯片，當(dāng)超過(guò)舞動(dòng)設(shè)定閾值時(shí)，將觸發(fā)導(dǎo)線舞動(dòng)報(bào)警信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.5 通信模組設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)特高壓輸電線路往往要經(jīng)過(guò)偏遠(yuǎn)地區(qū)，甚至是無(wú)人區(qū)，為保證設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸，不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失、中斷等現(xiàn)象，通信模組采用4G或北斗短報(bào)文雙通信模式。北斗短報(bào)文主要用于偏遠(yuǎn)地區(qū)通信，具備消息發(fā)送功能，且不需要基站作為消息載體，可在無(wú)基站信號(hào)地區(qū)完成消息收發(fā)。

北斗短報(bào)文系統(tǒng)采用雙向短報(bào)文通信功能，芯片高度集成，其中短報(bào)文、基帶、射頻、天線以及主控板集成為一體，芯片體積小、功耗低，外殼采用防水設(shè)計(jì)，滿足IP66級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和野外使用環(huán)境。

2 應(yīng)用驗(yàn)證

2.1 后臺(tái)微應(yīng)用

目前，覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置接收數(shù)據(jù)較為單一，導(dǎo)致計(jì)算模型準(zhǔn)確度不足，進(jìn)而影響最后的計(jì)算結(jié)果。因此，研究基于圖像識(shí)別的覆冰舞動(dòng)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)技術(shù)，覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置主板作為邊緣物聯(lián)代理模塊，可以接收氣象傳感器、溫度傳感器、桿塔傾斜傳感器等設(shè)備的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；綜合各類傳感器數(shù)據(jù)，開發(fā)基于圖像識(shí)別的覆冰舞動(dòng)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)APP，納入覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)分析裝置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線覆冰厚度測(cè)量、舞動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能，以及后臺(tái)可視化展示、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、舞動(dòng)預(yù)警等功能，可提高覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)的展示效果及精確度。

覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)裝置的有效性、穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，在重慶500 kV張州線對(duì)該覆冰舞動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該設(shè)備自安裝投入使用以來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸正常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無(wú)丟包現(xiàn)象，有效減輕了線路巡檢人員的工作強(qiáng)度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)論

綜合監(jiān)測(cè)分析裝置設(shè)計(jì)方案解決了以下問(wèn)題。

1) 采用高效交流感應(yīng)取電技術(shù)供電，解決了覆冰期間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供能不足的難題。

2) 攝像機(jī)鏡頭采用高分子有機(jī)薄膜加熱技術(shù)；CPU可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度進(jìn)行加熱防凍操作，徹底避免冬季鏡頭積冰的可能；采用超低功耗芯片處理電路設(shè)計(jì)，引入電源管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全天候監(jiān)測(cè)。

3) 結(jié)合微氣象傳感器、桿塔傾斜監(jiān)測(cè)裝置、舞動(dòng)傳感器，為覆冰舞動(dòng)模型計(jì)算提供更準(zhǔn)確的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸電覆冰舞動(dòng)場(chǎng)景下監(jiān)測(cè)類傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，為圖像識(shí)別覆冰舞動(dòng)提供了數(shù)據(jù)支撐。

4) CPU內(nèi)置AI處理器，基于導(dǎo)線正常狀態(tài)與覆冰舞動(dòng)狀態(tài)圖片，通過(guò)覆冰舞動(dòng)圖像信息精確算出覆冰厚度和舞動(dòng)強(qiáng)度，解決了覆冰厚度和舞動(dòng)強(qiáng)度測(cè)量不準(zhǔn)確的難題。

5) 通過(guò)4G模塊和北斗短報(bào)文雙通信模塊向后臺(tái)發(fā)送覆冰舞動(dòng)監(jiān)測(cè)圖像、傳感器和狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置閾值后，自動(dòng)向用戶推送覆冰舞動(dòng)狀態(tài)預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)了覆冰舞動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

6) 裝置外觀采用圓柱體并進(jìn)行圓滑處理，以及防電暈、抗干擾、抗疲勞設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP66級(jí)，實(shí)現(xiàn)了惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。