輸電線路交叉跨越距離在線監測系統設計

張廣新 穆景龍 馬暉 張海

關鍵詞： 輸電線路; 交跨距離; 在線監測; 圖像處理; 上位機; 系統設計

中圖分類號： TN931+.3?34; TM726.3 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0014?04

Design of cross?span distance online monitoring system for power transmission lines

ZHANG Guangxin1， MU Jinglong2， MA Hui2， ZHANG Hai2

（1. Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China; 2. State Grid Fushun Electric Power Supply Company， Fushun 113008， China）

Abstract： Since the current monitoring system has low accuracy in cross?span distance measurement results of power transmission lines， the machine vision software and image processing algorithm are used to design the cross?span distance online monitoring system of power transmission lines. The main body of the designed system includes two parts of the monitor and motion mechanism. The motion mechanism of the system can implement position adjustment， position fixing and line recovery of cross?span long?distance power transmission lines in a rolling manner. For the monitor of the system， the PCI bus is used to control the image acquisition for power transmission lines of the power grid. The collected power transmission line images are stored in the image processing module. The image processing results are packaged and stored to generate pre?warning data by using the machine vision software and a series of image processing algorithms. The software part of the system includes two parts of the terminal monitoring upper computer for cross?span distances of power transmission lines and the computation and analysis upper computer for cross?span distances of power transmission lines. The former， as the software part core of the entire monitoring system， is deployed on the master server for the monitoring center of the entire system， and is responsible for analysis and status display of image data statistics of power transmission lines. The latter includes the calculation and analysis functions often used in the process of planning， laying， repairing and maintenance for cross?span distances of power transmission lines. The results of the simulation experiment show that the monitoring results of the system are in high accuracy.

Keywords： power transmission line; cross?span distance; online monitoring; image processing; upper computer; system design;

0 ?引 ?言

隨著我國城市化進程的大跨步邁進，各種大容量、超高壓、長距離輸電線路鋪設越來越多，如今現有的輸電走廊資源變得日趨緊張，使得輸電線路交叉跨越現象越來越普遍[1?2]。由于在規劃和建設電網輸電線路交跨距離時，測量結果不準確而引發的放電事故也時有發生，給人們的生命和財產安全帶來了極大威脅。這使人們充分認識到依靠原有的人工維修保養來進行長距離交叉跨越輸電線路的監測和維修已經不能完全保證供電安全[3]。需要設計一種監測系統對長距離交叉跨越輸電線路進行實時監測，并在發現問題后及時預警報修。

文獻[4]提出并設計了一種基于5.8 GHz光纖融合通信的電網輸電線路交跨距離監測系統，在5.8 GHz光纖融合通信模式基礎上設計了輸電線路交叉跨越距離在線監測系統及其具體工作流程。該系統得到的監測結果與現場測量結果偏差較大，可靠性不高。鑒于此，研究利用機器視覺軟件和圖像處理算法實現了輸電線路交跨距離在線監測系統設計。

1 ?輸電線路交叉跨越距離在線監測系統設計實現

1.1 ?系統總體架構設計框圖

研究設計的系統主要包括監測器和運動機構兩大部分，同時要在監測系統視場范圍內的交叉跨越輸電線路等間距設置與背景顏色差異較大的5個特征標記點[5]。其中，系統監測器能夠實現電壓級不同的交叉跨越距離輸電線路的在線監測，主要由輸電線路圖像采集模塊、圖像處理模塊、系統通信模塊、電源模塊和遠程監測模塊五個部分構成。系統運動機構能夠以滾動的方式實現對交叉跨越長距離輸電線路的位置調整、位置固定以及線路回收，便于巡檢工作人員的日常維修和保養[6]。系統運動機構的設計采用現在廣泛應用的輸電線路巡檢機器人的簡易抓線運動機構，能夠實現機器人抓線遠程操控。通常情況下，監測系統安裝在電網輸電線路交叉跨越位置垂直正上方的固定輸電線路上[7]。輸電線路交叉跨越距離在線監測系統設計的總體架構如圖1所示。

1.2 ?輸電線路交叉跨越距離在線監測系統硬件設計

系統監測器硬件部分的工作原理主要是通過利用PCI總線控制電網輸電線路圖像的采集，將采集的輸電線路圖像存儲到圖像處理模塊中。經過機器視覺軟件以及一系列圖像處理算法，將圖像處理結果打包、存儲生成預警數據。一方面將生成的預警數據發送給系統前端蜂鳴裝置進行蜂鳴報警;另外一方面則由監測器通信模塊發送給遠程監測模塊，供輸電線路巡檢工作人員的瀏覽和分析，實現系統硬件設計[8]。

1） 系統監測器圖像采集模塊又包括輸電線路圖像傳感器單元和圖像采集單元。輸電線路圖像傳感器單元選取現如今廣泛應用的CCD傳感器，用其將輸電線路圖像數據轉化為數字數據。另外，選取的CCD傳感器的鏡頭為定長焦距鏡頭，能夠獲得長距離高清晰輸電線路圖像。輸電線路圖像采集單元選取能夠實現輸電線路信號的數字化轉化、抗混疊濾波，以及場同步信號提取的SAA71xx系列專用芯片。對于輸電線路圖像壓縮部分，則由DSP處理器依據JPEG標準對采集獲得的輸電線路圖像進行壓縮處理。該方法具有壓縮比較大、失真率較低、便于實現的優點。另外，如果要對輸電線路圖像進行夜間采集，則另外需要紅外技術的輔助。

2） 系統圖像處理模塊設計。采用一個ARM處理器、一個DSP處理器和一個VPSS處理器的雙核處理器作為系統圖像處理模塊的主處理器，具有較好的資源分配性能，且有利于提高輸電線路圖像處理效率。

3） 系統太陽能供電模塊。采用具有高穩定性、高效率，耐老化性、阻水性、免維護以及較強抗干擾性能的光伏供電方式，由太陽能電池板、太陽能蓄電池以及電能管理單元三部分構成。整個太陽能供電模塊采用全封閉式設計，同時具有電能使用狀態顯示功能。

1.3 ?系統上位機設計

輸電線路交叉跨越距離在線監測系統軟件部分包括輸電線路交叉跨越距離終端監測上位機和輸電線路交叉跨越距離計算與分析上位機兩部分[9]。其中，前者是整個監測系統軟件部分的核心，部署于整個系統的監控中心總服務器上，負責輸電線路圖像數據的統計、分析以及狀態顯示;后者則包含了輸電線路交叉跨越距離從規劃到鋪設，再到檢修保養過程中經常用到的計算以及分析功能[10]。

系統終端監測上位機作為系統軟件部分的核心，主要用于實現電能輸送線路交跨距離測量數據的接收、分析、計算、存儲等，輸電線路傾角監測子系統主要用于上位機與系統遠程監測模塊的接口連接、通信，包括電能輸送線路交跨距離測量數據采集、時間校準、閾值更新等;預警子系統主要用于輸電線路交叉跨越距離實際測量值與國家標準監測值的比較，判斷規劃建設的歷史電能輸送線路交跨距離是否危險發出預警;預警信息收發系統則根據預警子系統的監測判斷結果，將預警消息發送給輸電線路巡檢管理工作人員;專家決策系統通過對輸電線路交叉跨越距離歷史監測數據的統計分析，對其未來趨勢進行預測。

2 ?系統性能測試與結果分析

根據上述理論分析，設計并構建電能輸送線路交跨距離監測系統數據庫，實現輸電線路交叉跨越距離測量數據批量導入功能，模擬生成測量區域三維立體輸電線路。將研究設計系統安裝在模擬輸電線路上，對測量區域三維立體電能輸送線路交跨距離進行在線監測考察，考察結果如表1所示。

將圖2和圖3的監測結果與某設計院出具的某線路某區段的應力弧垂曲線進行對比分析，結果如圖4所示。

根據圖2～圖4可以看出，在該區域最高溫度為41 ℃，輸電線路監測檔距為419.2 m時，輸電線路弧垂為13.36 m，將其進行換算，得到該區域溫度為30 ℃時輸電線路實測弧垂為12.36 m。已知待測量區域輸電線路導線檔距上限為165.4 m，采用基于機器視覺的輸電線路交叉跨越距離在線監測系統監測得到的輸電線路檔距為412.38 m，該區域溫度為30 ℃時的導線弧垂為12.24 m。根據計算可知，待測量區域輸電線路導線實測弧垂與監測弧垂之間的差值為12.36-12.24=0.12 m。

3 ?結 ?論

研究借鑒近年來電網企業開展輸電線路交叉跨越距離實際測量經驗，利用機器視覺軟件和圖像處理算法進行輸電線路交跨距離在線監測系統設計。通過模擬工程實例分析，證明了該系統得到的輸電能輸送線路交跨距離監測結果與現場實測結果相差很小，測量結果準確率較高，能夠為測量區域輸電線路的安全運行、管理及維護提供技術支撐。

參考文獻

[1] 孫斌，趙曉龍，馬維青，等.輸電線路交叉跨越三維模型算法的研究與應用[J].煤炭技術，2016，35（4）：303?306.

SUN Bin， ZHAO Xiaolong， MA Weiqing， et al. Study and application on three?dimensional model algorithm for transmission line crossing [J]. Coal technology， 2016， 35（4）： 303?306.

[2] 廖圣龍，安居白.輸電線路對絕緣子破損航拍圖像檢測仿真[J].計算機仿真，2016，33（4）：176?179.

LIAO Shenglong， AN Jubai. Defect detection of aerial insulator images in transmission line [J]. Computer simulation， 2016， 33（4）： 176?179.

[3] 楊忠炯，王卉，董棟.無人機輸電線路巡線系統及應用研究[J].電子設計工程，2017，25（4）：162?166.

YANG Zhongjiong， WANG Hui， DONG Dong. The application and research of line communication system based on microwave transmission [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（4）： 162?166.

[4] 仝杰，劉艷麗，楊德龍，等.5.8 GHz光纖融合通信在輸電線路監測系統中的應用[J].電信科學，2016，32（7）：166?174.

TONG Jie， LIU Yanli， YANG Delong， et al. Application of 5.8 GHz optical fiber converged communication in transmission line monitoring system [J]. Telecommunications science， 2016， 32（7）： 166?174.

[5] 雒億平，曾明正，周小亮，等.輸電塔靜力風載響應研究[J].科技通報，2017，33（11）：52?55.

LUO Yiping， ZENG Mingzheng， ZHOU Xiaoliang， et al. Study on static force wind load response of transmission tower [J]. Bulletin of science and technology， 2017， 33（11）： 52?55.

[6] 李紅軍，曲振軍，李鵬.基于LabVIEW軟件的輸電線路覆冰舞動災害在線監測系統[J].現代電子技術，2016，39（2）：147?150.

LI Hongjun， QU Zhenjun， LI Peng. LabVIEW software based online monitoring system for overhead transmission line disaster caused by line icing and galloping [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（2）： 147?150.

[7] 楊耀權，楊朔.基于數字圖像處理的單條輸電線路曲線提取[J].科學技術與工程，2016，16（28）：90?94.

YANG Yaoquan， YANG Shuo. Curve extraction of single transmission line based on digital image processing [J]. Science technology and engineering， 2016， 16（28）： 90?94.

[8] 黃新波，廖明進，徐冠華，等.采用光纖光柵傳感器的輸電線路鐵塔應力監測方法[J].電力自動化設備，2016，36（4）：68?72.

HUANG Xinbo， LIAO Mingjin， XU Guanhua， et al. Stress monitoring method applying FBG sensor for transmission line towers [J]. Electric power automation equipment， 2016， 36（4）： 68?72.

[9] 王禮田，邵鳳瑩，蕭寶瑾.基于雙目視覺稀疏點云重建的輸電線路弧垂測量方法[J].太原理工大學學報，2016，47（6）：747?751.

WANG Litian， SHAO Fengying， XIAO Baojin. Measurement of sag of power transmission line based on sparse point cloud reconstruction using binocular stereo [J]. Journal of Taiyuan University of Technology， 2016， 47（6）： 747?751.

[10] 王威，岳靈平，楊吉，等.基于嵌入式Linux的輸電線路桿塔傾斜度自動化測試系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2016，24（9）：70?73.

WANG Wei， YUE Lingping， YANG Ji， et al. Design and implementation of the automated test systems about online monitoring system based on embedded Linux for tilt of power transmission line tower [J]. Computer measurement & control， 2016， 24（9）： 70?73.