基于圖像和應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)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術研究院，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害，可能引起導線舞動、絕緣子閃絡、桿塔傾斜甚至斷線、倒塔等重大事故，嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1-5]。

人工巡視檢測、觀冰站等傳統(tǒng)線路覆冰檢測方法，存在勞動強度大、時間長，檢測結(jié)果準確度不高等問題[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，導致設備無法正常工作；②圖像監(jiān)測的鏡頭也會產(chǎn)生覆冰，導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)，施工復雜，安全風險較大；④現(xiàn)有圖像覆冰監(jiān)測往往不能自動預警，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行具有重要的實際意義。

本文研究一種安裝于輸電線路導線的覆冰監(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，基于鏡頭加熱技術及圖像處理技術，實現(xiàn)高可靠性、具備自動預警功能的覆冰圖像監(jiān)測，同時通過內(nèi)置式應變片采集導線表面應變來推算線路應力及比載，計算等值覆冰厚度，實現(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線上，采集導線表面應力、溫度及導線圖像等數(shù)據(jù)，通過GPRS傳輸至主站系統(tǒng)。基于導線應力監(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，基于感應能量加熱防凍，保障鏡頭在覆冰期間的正常工作；附加紅外閃光和IRCUT功能，可實現(xiàn)夜視功能。覆冰在線監(jiān)測裝置實物圖如圖2所示。

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

1.2 傳輸網(wǎng)絡

傳輸網(wǎng)絡采用GPRS及先進通信技術，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)對采集到的導線特征數(shù)據(jù)及圖像進行處理分析，主站專家系統(tǒng)基于覆冰圖像識別結(jié)果及應力法等值覆冰厚度計算結(jié)果，對線路覆冰情況給出監(jiān)測預警。當超過設置的閾值后，自動通過手機及Web向用戶發(fā)送覆冰狀態(tài)預警信息。

2 在線監(jiān)測裝置關鍵技術

2.1 耦合取能和鋰電池聯(lián)合供電技術

覆冰在線監(jiān)測裝置安裝在導線上，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，綜合電源管理技術進行充電和供電，實現(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)電磁感應原理，通過取能線圈從輸電線路導線上進行空間耦合，輸出交流電流，然后經(jīng)過前端沖擊保護電路、整流濾波電路、過壓保護電路和DC-DC電壓轉(zhuǎn)換后對負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。當線路負荷電流較小時，感應取能電源不對備用電池充電，當負荷電流較高時，對備用電池充電；當線路因故障停電時，則由備用電池給負載供電。該方法可以實現(xiàn)感應取能電源在輸電線路負荷電流較小時啟動，且滿足在線監(jiān)測設備功率較大時能夠可靠地工作的需求；當線路停電時，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

為了克服覆冰期鏡頭覆冰對監(jiān)測效果的影響，考慮對鏡頭進行加熱處理。現(xiàn)有的加熱技術耗能較大，在輸電線路上不具備實用性。本文提出一種基于磁芯電流感應發(fā)熱的加熱除冰技術，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)控制實現(xiàn)一種適用于鏡頭加熱除冰的線圈加熱器的設計與制作，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，在導線感應電流的交變磁場下，磁芯能夠通過電磁感應產(chǎn)生相應的磁場，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，將熱量傳導給鏡頭，實現(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

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，便可實現(xiàn)異常的正確報警。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，當沒有覆冰時，前一個時間節(jié)點和后一個時間節(jié)點采集到的圖像不會發(fā)生變化，相應的各像素點也不會發(fā)生改變，前后兩幅視頻圖像的對應像素相減之差為零。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)域進行識別運算，得知覆冰存在并及時報警。具體的識別算法步驟如下：

（a）設置時間間隔 Tgap（Tgap一般取 1min～30min，若Tgap過小，由于運算速度的限制，容易出現(xiàn)計算差錯；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，分別進行預處理；

（b）設置最小像素變化值Pmin，采用減法運算計算出前后兩幅視頻圖像對應像素點的差值，統(tǒng)計發(fā)生改變的像素點個數(shù)，公式如下：

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

（c）設置檢驗圖像狀態(tài)發(fā)生改變的最小閾值Nmin和最大閾值Nmax（根據(jù)視頻圖像采集設備的放大倍數(shù)和異常區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果設置）。然后將N與Nmin和Nmax進行比較：

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

②當N≥Nmax時，則認為是由于視頻采集設備的監(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致監(jiān)控視頻發(fā)生較大范圍的改變，也無需發(fā)出報警信號，直接排除干擾，避免誤報警；

③只有當Nmin≤N≤Nmax時，才認為是監(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，需要進行后續(xù)的報警處理；

（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 應力法等值冰厚計算技術

基于導線表面應力的等值覆冰厚度計算模型，是根據(jù)架空輸電導線在不同覆冰厚度時的應力，實時輸出導線等值冰厚。

導線在不同的覆冰厚度下其水平應力是不等的，隨著覆冰厚度的增加其應力也隨之增加。從設計標準狀態(tài)下的應力計算另一不同覆冰厚度下的導線應力時，要利用2種狀態(tài)下導線長度間的關系來建立它們之間的應力關系。

假設導線為理想的柔線，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行應力計算。因此，如果把覆冰荷載看成是分成n個階段逐級加上去的，則導線的應力與變形之間應滿足胡克定律。

當導線因覆冰而應力增加Δδ時其長度相應伸長ΔL，有如下關系：

假設環(huán)境溫度為t，導線比載為g1時最低點應力為δ1，長度為L1；當導線因覆冰比載為 g2時最低點應力為 δ2，長度為 L2，由式（2）有：

而導線長度L的計算公式為

式中：l為水平檔距。將L2、L1各自的計算公式帶入式（3）中，并且考慮到檔距l(xiāng)與原狀態(tài)下導線長度L相差比較小（相差千分之幾），因此，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線最低點的應力。最后，根據(jù)架空輸電導線在不同覆冰厚度時的應力，實時輸出導線等值覆冰厚度值。

5 現(xiàn)場應用分析

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)生嚴重覆冰災害，引發(fā)地線竄移、地線支架變形、導地線短路故障，造成嚴重影響。

為驗證本文研發(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，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)測裝置安裝在導線上，采集導線應力等特征參數(shù)，并可對線路覆冰現(xiàn)場進行拍照；覆冰圖像、導線的特征參數(shù)可利用GPRS傳輸至主站系統(tǒng)，主站專家系統(tǒng)基于導線應力計算等值覆冰厚度，結(jié)合覆冰圖像識別結(jié)果給出覆冰預警。用戶可通過Web、手機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、預警信息等進行實時監(jiān)測，對覆冰程度進行直觀的了解，監(jiān)控人員可根據(jù)覆冰情況做好應急的措施和準備，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 手機端預警信息Fig.9 Mobile phone warning information

圖10 導線覆冰現(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和應力法等值覆冰厚度計算技術的新型覆冰監(jiān)測方法，它能夠在線路運行中實現(xiàn)自動的覆冰厚度監(jiān)測和預警。

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，綜合電源管理技術進行充電和供電，實現(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，實現(xiàn)間歇性拍攝、圖像分割、現(xiàn)場識別、實時預警，解決覆冰監(jiān)測系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量傳輸及智能預警的問題；基于導線表面應力監(jiān)測量的等值覆冰厚度計算模型，根據(jù)架空導線在不同覆冰厚度時的應力，實時輸出導線等值冰厚。

本文的研究可用于對架空線路覆冰監(jiān)測預警，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。