基于圖像采集與識別的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)

曹翊軍 董興輝 曹年紅 吳 虹 祈永濤

（1.國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，南京 210003；2.華北電力大學，北京 102206；3.福建省電力公司，福州 350003）

1 引言

針對輸電線路覆冰厚度測量的研究，目前很多工作大多集中在電氣特性的測量方面，例如測量導線應力、導線弧垂、絕緣子傾角等[1-4]，通過這些測量值與覆冰厚度之間的關系算法確定當前覆冰的厚度。這些方式要求在線上安裝傳感器，安裝困難，現(xiàn)場維護極為不便，尤其是此類傳感器的可靠性目前普遍都不高，因此大范圍的推廣應用受到了很大的限制。

本文提出了一種從覆冰圖像入手，采取通過圖像識別直接得出覆冰厚度的方法。其基本思路是，根據(jù)現(xiàn)場在線監(jiān)測裝置拍攝傳回的實時覆冰照片，通過包括圖像灰度化、二維圖像分割、濾波、區(qū)域標記等方法的圖像預處理，獲取輸電線覆冰邊界，進而計算、分析輸電線覆冰的基本形態(tài)特征參數(shù)。當輸電導線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時，自動進行報警，提示管理部門及時采取除冰措施，保障電力系統(tǒng)安全運行。

2 總體參數(shù)及功能簡介

在線監(jiān)測裝置采用20W太陽能板+25Ah蓄電池浮充供電方式，能保證20日無日照正常工作。在線監(jiān)測裝置實現(xiàn)了圖像、氣象六要素（風速、風向、氣溫、濕度、氣壓、雨量）的自動采集。

其中，六要素氣象數(shù)據(jù)采集嚴格按照相關規(guī)范算法實現(xiàn)[5-6]，風速、風向數(shù)據(jù)的采樣間隔為2min，3s滑動平均值做為瞬時值，氣溫、濕度、氣壓的采樣間隔為10min，1min算術(shù)平均值做為瞬時值，雨量的采樣間隔為1min，采樣的為雨量累計值。

系統(tǒng)采用自報與應答兼容工作方式。在整10min時刻，在線檢測裝置向中心站主動上送風速、風向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時值及雨量累計值，此外，在氣溫和濕度達到一定條件后系統(tǒng)系統(tǒng)還將拍攝并遠傳一副圖片；在整點時刻，在線檢測裝置向中心站主動上送風速、風向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時值、風速、風向的10min平均值，極大值，圖像，RTU狀態(tài)，同時，監(jiān)測裝置還將每 2min采集的風速、風向瞬時值進行整編同時發(fā)送到中心站。在任何時刻，在線監(jiān)測裝置在接收到遠程平臺發(fā)送的招測命令或遠程提取圖像命令時，在線監(jiān)測裝置會立即啟動采樣或抓拍動作，并將采集的氣象瞬時值數(shù)據(jù)或圖像遠傳到中心站。

遠程傳輸采用 GPRS信道，ACS300-MM內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，通過控制GPRS MODEM的方式進行GPRS收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用空閑下線的工作方式。通過避免一直在線一方面可以節(jié)省系統(tǒng)功耗，另一方面還節(jié)省了通信費用，提高了系統(tǒng)可靠性[7]。

3 在線監(jiān)測裝置關鍵技術(shù)

3.1 低功耗設計技術(shù)

針對輸電線路無有效供電、無人值守的特點，在線監(jiān)測裝置采用南京南瑞集團公司的新型ACS300-MM 微功耗、高可靠數(shù)據(jù)采集器作為核心數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部實現(xiàn)了各種能耗的統(tǒng)一調(diào)度，靜態(tài)功耗小于 100uA，工作功耗約為30mA[8]。在線監(jiān)測裝置以ACS300-MM為核心實現(xiàn)了供電電源的動態(tài)統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的低功耗解決方案。

3.2 圖像與數(shù)據(jù)一體化傳輸

ACS300-MM 數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)了多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)的一體化傳輸。這主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸；另一方面，傳感數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)相互關聯(lián)。

多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸主要需要解決的是在 GPRS/CDMA這種帶寬下如何快速、可靠地進行圖像的傳輸。為此，ACS300-MM基于 GPRS/CDMA信道的特點專門設計了以 UDP協(xié)議為基礎的文件傳輸控制協(xié)議。

覆冰只在少數(shù)氣溫、濕度均達到一定條件后才會發(fā)生，因此，絕大多數(shù)情況下是無需遠程傳輸圖片的，而在滿足一定條件后，又需要密切關注當前覆冰狀態(tài)，因此定時報的方式無法完全滿足這種需求。為此，系統(tǒng)增加了條件報的工作方式，在氣溫和濕度達到一定條件后，自動啟動圖像抓拍遠傳功能，而在平時，只進行少量的圖像傳輸實現(xiàn)系統(tǒng)平安報功能，從而一方面節(jié)省了流量費用，另一方面也節(jié)省了功耗。

4 圖像識別關鍵技術(shù)

圖1給出了系統(tǒng)的功能設計。分為5個子功能：①圖像讀取，②圖像預處理，③圖像分割，④圖像輪廓提取，⑤線路特性值計算。

圖1 系統(tǒng)功能設計圖

4.1 圖像讀取

圖像分為兩種類型處理，初次覆冰計算前，要先對該攝像頭下的裸線進行處理分析，獲取該攝像頭對應的拍攝參數(shù)（圖像比例系數(shù)以及圖像傾斜角度）。基于獲取的兩個值再對該攝像頭所拍其他圖像進行覆冰厚度識別計算。

4.2 圖像預處理

圖像預處理的目的是去除干擾、噪聲及差異，將原始圖像變成適于計算機進行特征提取的形式和質(zhì)量圖像，它包括圖像的變換、旋轉(zhuǎn)、增強和濾波等。

圖像變換通常是利用傅里葉變換、余弦/正弦變換、沃爾什變換、哈達碼變換、小波變換等的性質(zhì)和特點，將圖像轉(zhuǎn)換到頻域或空域中進行處理，以改善圖像質(zhì)量，同時還能提高運算處理速度。

圖像的旋轉(zhuǎn)主要是對構(gòu)成圖像的所有像素點進行一定角度的旋轉(zhuǎn)已達到數(shù)據(jù)分析的要求。

圖像的增強主要是指利用各種數(shù)學方法和變換手段提高圖像中人們感興趣部分的清晰度，突出一幅圖像中的某些信息，同時削弱另一些無用信息，包括圖像灰度修正、噪聲去除、圖像平滑、腐蝕、銳化、圖像邊緣增強等。

4.3 圖像分割與邊界輪廓提取

圖像分割與邊界輪廓提取是整個圖像識別算法的核心。

圖像分割的目的是對感興趣的目標提取或測量。首先對圖像進行邊緣檢測，考慮到覆冰輸電線圖像的無規(guī)則性，系統(tǒng)采用閾值處理進行邊緣輪廓檢測。并進一步對覆冰圖像進行輪廓提取。圖像特征提取的作用是對圖像信息進行整理、分析、歸納，抽取能反映圖像本質(zhì)邊界的特征，得到可用于判決的參量。判決或分類是指通過對特征量/參量與閾值進行計算、比較和分析，判斷出圖像的狀態(tài)或本質(zhì)，得到最終的輸出結(jié)果。

圖像邊界輪廓提取所做的工作是從識別出的邊緣提取出來，便于進一步的處理計算。經(jīng)過閾值二值化處理后的覆冰圖像，由于光線等因素影響，在覆冰輸電線輪廓中可能出現(xiàn)一些干擾區(qū)域，對線路特性值計算產(chǎn)生較大影響。通過對覆冰圖像分析，在提取的所有輪廓中，覆冰輸電線輪廓始終為最大。同時，輸電線輪廓無法通過固定的特征進行匹配識別。因此，將包含區(qū)域面積最大的輪廓作為覆冰輸電線輪廓，用背景灰度值填充其他輪廓區(qū)域，這樣就能順利將覆冰輸電線提取出來。

5 結(jié)論

以這種方式建立的覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)已在福建建寧縣泰舟線上成功應用，系統(tǒng)提供兩種覆冰識別方式，一種是通過系統(tǒng)安裝調(diào)試后內(nèi)置的算法進行自動識別，覆冰厚度識別精度可以達到85%，能滿足初步的應用需求，如需更精確的數(shù)據(jù)或適應一些惡劣天氣條件的覆冰識別，可以進入專家模式選擇相應的識別算法及參數(shù)進行精細化識別。

與傳統(tǒng)的覆冰荷載應力等監(jiān)測方式相比，基于圖像采集與識別的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)具有安裝維護方便、直觀有效的優(yōu)點，具有較大的推廣應用前景。

[1]付斌,李仲夫,姚勇等.輸電線路上冰風荷載的實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國電力,2001,34(4).

[2]汪江,田萬軍.輸電線路覆冰重量和厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].華東電力,2009.37(9).

[3]吳婭,張峰,馮欽華.廣東電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用[J].廣東電力,2009,22(5).

[4]張予.架空輸電線路導線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù),2008,34(9).

[5]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范.北京∶氣象出版社,2003.11.

[6]國家電網(wǎng)公司.架空輸電線路氣象環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)導則.2009.6.

[7]曹翊軍,曹年紅,周海等.一種新型的 GPRS/CDMA水情自動測報系統(tǒng)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2009(2).

[8]南京南瑞集團公司.ACS300-MM用戶手冊.