基于紅外熱成像技術(shù)的架空輸電線路高溫監(jiān)測方法

王兵

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川 750004）

0 引言

架空輸電線路作為電網(wǎng)的“血脈”，其運行狀況關(guān)系到電網(wǎng)的安全與效率，一旦發(fā)生故障將會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在電力系統(tǒng)中許多電力系統(tǒng)的失效都與高溫有關(guān)［1］。在大量斷電事件中，由設(shè)備局部發(fā)熱引起的斷電維修是經(jīng)常出現(xiàn)的情況。例如，由于電纜接口等連接部分老化或因接觸電阻增大產(chǎn)生高溫，使鄰近的連接部件工作狀態(tài)惡化，嚴(yán)重時會發(fā)生故障。架空輸電線路長期暴露在自然環(huán)境中，線路的老化、磨損及環(huán)境因素等都可能引發(fā)線路故障，導(dǎo)致溫度異常升高［2］。傳統(tǒng)的架空輸電線路高溫監(jiān)測方法主要依賴人工定期對線路進(jìn)行巡視和檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況立即處理。然而，這種方法工作量大、效率低，而且在惡劣天氣和復(fù)雜地形條件下，人工巡檢存在一定的安全風(fēng)險。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)有較多研究者通過高新技術(shù)與計算機(jī)算法，實現(xiàn)對架空輸電線路的高溫監(jiān)測。麻衛(wèi)峰［3］提出采用機(jī)載激光雷達(dá)對架空輸電線路進(jìn)行巡檢，通過點云數(shù)據(jù)，獲取輸電線路三維空間信息，實現(xiàn)對輸電線路的高溫監(jiān)測。曾繁祎等［4］提出采用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測輸電線路運行，分析光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境及特征，選擇合適的布設(shè)方案對輸電線路運行過程中的振動、溫度和光學(xué)反應(yīng)進(jìn)行全方位監(jiān)測。這種方法可通過分析光時域反射儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)，但容易受到環(huán)境影響而導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果降低。李勇輝等［5］基于射頻技術(shù)設(shè)計一種輸電線路智能測溫巡檢方法，通過安裝射頻裝置，實時在線監(jiān)測輸電線路導(dǎo)線和線夾節(jié)點的溫度，實現(xiàn)輸電線路的溫度監(jiān)測。

紅外熱成像技術(shù)能快速、準(zhǔn)確地檢測出線路中的熱異常，提高監(jiān)測效率和準(zhǔn)確度。架空輸電線路高溫監(jiān)測首先需要具備實時監(jiān)控的能力，在監(jiān)控過程中，一旦發(fā)現(xiàn)任何異常發(fā)熱情況，能立即發(fā)出警報；其次，應(yīng)具備遠(yuǎn)程指揮、調(diào)度、調(diào)節(jié)的能力，以便在不同的架空輸電線路上進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制；最后，由于架空輸電線覆蓋范圍較廣，在監(jiān)測點較多的情況下，需要選擇通信速率和響應(yīng)時間更快的通信方式，以確保對每一個監(jiān)測點進(jìn)行及時數(shù)據(jù)傳輸和查詢。為此，本文提出一種基于紅外熱成像技術(shù)的架空輸電線路高溫監(jiān)測方法，旨在實現(xiàn)對架空輸電線路高效、準(zhǔn)確和穩(wěn)定監(jiān)測。

1 設(shè)計方案

1.1 架空輸電線路紅外熱成像掃描

一切物體的表面溫度高于絕對零度時，都會向外發(fā)射外輻射紅外能量，物體溫度越高，發(fā)射的外輻射紅外能量越多，該能量又稱紅外線，物體溫度的空間分布可以用紅外線表示［6］。紅外熱成像技術(shù)就是利用該原理，將溫度的空間分布以圖像的形式呈現(xiàn)。目標(biāo)發(fā)熱和散熱等參數(shù)是影響紅外熱成像效果的重要因素，這些參數(shù)的獲取直接決定了成像效果，掃描目標(biāo)裝置發(fā)出的紅外線并將其轉(zhuǎn)化為電信號，形成物體的紅外熱圖像。鑒于紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)勢，本文采用該項技術(shù)對架空輸電線路進(jìn)行高溫監(jiān)測。通過對架空輸電線路進(jìn)行紅外熱成像掃描，獲取架空輸電線路紅外熱圖像信息［7］。根據(jù)架空輸電線路高溫監(jiān)測的需求，此次采用型號為IYHFA-A4F88 的紅外熱像儀，選擇UKFA-AFGA8 型無人機(jī)作為紅外熱像儀搭載裝置，將紅外熱像儀安裝在無人機(jī)上，按表1 的數(shù)值對紅外熱像儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

表1 紅外熱成像技術(shù)參數(shù)

在對架空輸電線路進(jìn)行紅外熱成像掃描之前，利用紅外熱像儀以不同的掃描方式掃描架空輸電線路不同的空間。紅外熱像儀將架空輸電線路的掃描空間劃分為多個面元，按順序?qū)ζ溥M(jìn)行幀圖像掃描，掃描時間為

其中：td表示架空輸電線路第d個面元紅外熱成像掃描時間；T表示紅外熱成像掃描周期；x表示第d個架空輸電線路面元；g表示紅外熱像儀掃描幀頻。按照公式（1）更新紅外熱像儀掃描時間的參數(shù)。為保證紅外熱成像的精度，對架空輸電線路掃描時應(yīng)盡量避開人體熱源等紅外輻射，掃描環(huán)境溫度不能低于3.5 ℃，最佳相對濕度在10%～50%。將紅外熱像儀探頭對準(zhǔn)架空輸電線路，逐個掃描架空輸電線路面元，掃描到的紅外熱圖像通過以太網(wǎng)發(fā)送到計算機(jī)上，用于后續(xù)線路的高溫識別監(jiān)測。

1.2 紅外熱圖像非線性平滑濾波

紅外熱像儀對架空輸電線路掃描期間，周圍環(huán)境的溫度會對生成的紅外熱圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，使輸電線路的紅外熱圖像中出現(xiàn)噪聲分量，需通過對紅外熱圖像非線性平滑濾波，去除圖像中的噪聲分量。非線性平滑濾波是利用圖像概率密度函數(shù)區(qū)分圖像中的噪點，假設(shè)架空輸電線路紅外熱圖像為y，概率密度函數(shù)用公式表示為

其中：p(y)表示架空輸電線路紅外熱圖像概率密度函數(shù)；pa表示與黑噪點相對應(yīng)的概率；m表示架空輸電線路紅外熱圖像灰度值；a表示黑噪點；pb表示與白噪點相對應(yīng)的概率；b表示白噪點。根據(jù)架空輸電線路紅外熱圖像像素點的灰度值，計算出架空輸電線路紅外熱圖像的灰度中值，計算公式為

其中：B表示架空輸電線路紅外熱圖像灰度中值；Zxy表示架空輸電線路紅外熱圖像素坐標(biāo)灰度值；Zmax表示紅外熱圖像中灰度的最大值；Zmin表示紅外熱圖像中灰度的最小值。將計算得到的紅外熱圖像灰度中值代替公式（2）中黑噪點的灰度值，保留架空輸電線路紅外熱圖像概率密度函數(shù)中的白噪點，以此降低架空輸電線路紅外熱圖像的信噪比，進(jìn)而消除紅外熱圖像的噪聲，為后續(xù)架空輸電線路相對溫差判斷監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1.3 架空輸電線路相對溫差判斷監(jiān)測

在消除紅外熱圖像噪聲的基礎(chǔ)上，利用相對溫差判斷法對架空輸電線路進(jìn)行高溫識別與監(jiān)測，判斷架空輸電線路是否存在高溫現(xiàn)象。本次研究中，基于相對溫差判斷法的架空輸電線路高溫監(jiān)測機(jī)理如下：通過圖像中某一架空輸電線路結(jié)構(gòu)單元的溫升與溫差，計算出該結(jié)構(gòu)單元的相對溫差，從而識別架空輸電線路的高溫狀態(tài)。溫升指的是物體在吸收或釋放熱量的過程中，溫度出現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象［8］，這個過程可以是快速的也可以是緩慢的，取決于吸收或釋放的熱量以及物體本身的性質(zhì)，溫升計算公式為

其中：αi表示架空輸電線路第i個結(jié)構(gòu)單元的溫升；εi表示紅外熱圖像中架空輸電線路第i個結(jié)構(gòu)單元的溫度；gi表示紅外熱圖像中架空輸電線路環(huán)境溫度參照物的表面溫度。溫差為兩個不同物體之間或同一物體不同部分之間的溫度差異，在熱量傳遞過程中，熱量會從高溫物體向低溫物體傳遞，直到兩者達(dá)到熱平衡狀態(tài)，溫差計算公式為

其中：ηi表示架空輸電線路第i個結(jié)構(gòu)單元的溫差；hi表示正常情況下架空輸電線路第i個結(jié)構(gòu)單元的最高溫度［9］。根據(jù)架空輸電線路的溫升與溫差，確定架空輸電線路的相對溫差，計算公式為

公式（6）中：K表示架空輸電線路的相對溫差［10］，相對溫差越高，說明架空輸電線路高溫程度越大，如果架空輸電線路的相對溫差在20%內(nèi)，說明此時架空輸電線路溫度正常，不存在高溫現(xiàn)象；如果架空輸電線路的相對溫差超過20%，但不超過70%，監(jiān)測結(jié)果顯示為此時架空輸電線路存在一般高溫；如果架空輸電線路的相對溫差超過70%，但不超過90%，監(jiān)測結(jié)果顯示為此時架空輸電線路存在重大高溫；如果架空輸電線路的相對溫差超過90%，監(jiān)測結(jié)果顯示為此時架空輸電線路為緊急高溫［11］。按照以上規(guī)則，確定架空輸電線路的高溫程度，生成監(jiān)測報告并輸出，以此實現(xiàn)基于紅外熱成像技術(shù)架空輸電線路的高溫監(jiān)測。

2 實驗與分析

2.1 實驗設(shè)計

選擇基于機(jī)載激光點云的監(jiān)測方法和基于光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測方法進(jìn)行實驗測試。以某區(qū)域架空輸電線路為實驗對象，架空輸電線路采用HFAAF-A58F 型號的電纜，形狀為圓形，纖芯絞合方式為對絞，表面鍍鋅處理，纖芯導(dǎo)體材質(zhì)為純無氧銅。實驗環(huán)境內(nèi)架空輸電線路總長為8 645.42 m，根據(jù)實際情況，準(zhǔn)備一臺紅外熱成像儀和一臺無人機(jī)，通過對架空輸電線路進(jìn)行紅外熱成像掃描，采集到2 000 張紅外熱圖像，通過圖像非線性平滑濾波處理，圖1 為隨機(jī)抽選的1 張架空輸電線路紅外熱圖像。

圖1 架空輸電線路紅外熱成像示意圖

紅外熱圖像中識別到的輸電線路發(fā)熱點為2 000個，對發(fā)熱點進(jìn)行相對溫差判斷，得到相應(yīng)的監(jiān)測結(jié)果。表2 為隨機(jī)抽選的10 根輸電線路發(fā)熱點的高溫監(jiān)測結(jié)果。

表2 架空輸電線路高溫監(jiān)測結(jié)果

本次實驗共監(jiān)測到該架空輸電線路一般高溫1 148 個，重大高溫652 個，緊急高溫200 個?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析實驗結(jié)果。

2.2 實驗結(jié)果與討論

實驗指標(biāo)：Recall（查全率）與F1是監(jiān)測方法性能評價的2個重要指標(biāo)，Recall計算公式為

其中：TF表示正確監(jiān)測架空輸電線路高溫的數(shù)量；TP表示錯誤監(jiān)測架空輸電線路高溫的數(shù)量。Recall值越高，說明監(jiān)測精度越高。F1是用于綜合評估監(jiān)測方法性能的指標(biāo)，結(jié)合了Recall與精確率，用來衡量方法在保持精確率和召回率之間平衡時的性能，其計算公式為

公式（8）中，precision表示架空輸電線路高溫監(jiān)測的精確率。F1值越高，說明架空輸電線路高溫監(jiān)測的精確性越高，方法的監(jiān)測性能越好。以上2 個指標(biāo)實驗結(jié)果分別見表3和圖2。

圖2 架空輸電線路F1曲線圖

表3 架空輸電線路高溫Recall值（單位：%）

如表3 和圖2所示，本文方法對架空輸電線路高溫監(jiān)測的Recall值未低于95%，處于一個比較高的水平，比應(yīng)用機(jī)載激光點云的方法高將近45%，比應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的方法高將近55%，基本實現(xiàn)對架空輸電線路高溫的全面監(jiān)測；本文方法的F1 值在0.75以上，最高值可達(dá)0.86，比應(yīng)用機(jī)載激光點云的方法高將近0.25，比應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的方法高將近0.31。因為本文方法采用了紅外熱成像技術(shù)，紅外熱成像技術(shù)對溫度的靈敏度較高，所以能精準(zhǔn)掃描和識別問題線路的溫度，保證了架空輸電線路高溫監(jiān)測的精度。通過以上對比分析，證明本文方法具有良好的高溫監(jiān)測性能，相比目前的監(jiān)測方法，適用性和可靠性更強(qiáng)。

3 結(jié)語

架空輸電線路高溫是電力系統(tǒng)中一項重要的監(jiān)測項目，通過檢測輸電線路的表面溫度，發(fā)現(xiàn)輸電線路中存在的潛在故障，預(yù)防事故的發(fā)生，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。紅外熱成像技術(shù)具有高靈敏度、高分辨率、非接觸等特點，可快速、準(zhǔn)確地檢測出輸電線路的微小溫度變化，并通過分析和計算溫度，對輸電線路的健康狀況進(jìn)行評估，預(yù)防潛在的故障。本文介紹的基于紅外熱成像技術(shù)的架空輸電線路高溫監(jiān)測方法，經(jīng)實驗證明，具有較高的效率和安全性。然而，本文方法仍存在一些不足之處，例如監(jiān)測設(shè)備的成本較高，在惡劣天氣和復(fù)雜地形條件下的應(yīng)用受限。未來的研究方向可以包括開發(fā)更經(jīng)濟(jì)實用的監(jiān)測設(shè)備，或研究更智能化的監(jiān)測方法，提高設(shè)備在惡劣天氣和復(fù)雜地形條件下的應(yīng)用能力。