菅瑞琴， 王玲桃， 王偉

(1.山西大學 電力工程系，山西 太原 030013；2.國網(wǎng)安徽省電力公司 宿州供電公司，安徽 宿州 234000)

0 引 言

今后10年到20年是我國電力工業(yè)高速發(fā)展的時期，輸電線路的電壓等級逐步提高，輸電線路沿線經(jīng)過的地區(qū)更為復雜[1]，一些主導因素如溫度、濕度等的影響，導致在輸電線路上很容易形成覆冰。

世界各地由輸電線路覆冰引發(fā)的電網(wǎng)事故很多，例如，1932年在美國首次出現(xiàn)有記錄的輸電線路覆冰事故；1998年加拿大遭受史無前例的暴冰事故，輸電線路遭到不同程度的破壞，該區(qū)域內(nèi)30%以上的電網(wǎng)設施遭到破壞；2007年美國遭受嚴重冰災，變電站損壞18座。我國在1954年出現(xiàn)有記錄的輸電線路覆冰事故；1984年云南、貴州電網(wǎng)發(fā)生大面積冰災，使貴州電網(wǎng)瓦解為4個部分；2008年低溫雨雪冰凍災害造成浙江、安徽等19個省不同程度受災，造成經(jīng)濟損失達537億元；2012年南方電網(wǎng)受強冷空氣影響，輸電線路覆冰114條[2]。

綜上所述，輸電線路覆冰主要與溫度、濕度等因素有關(guān)，而覆冰事故的發(fā)生主要與覆冰體積與厚度的變化有關(guān)，一旦發(fā)生輸電線路過負載事故，很容易導致大面積停電甚至電網(wǎng)癱瘓，由此帶來不可估量的損失[3]，因此國內(nèi)外很多工作人員在覆冰方面開展了大量的研究工作，這些研究主要針對塔線系統(tǒng)，包括理論方面的探索以及實際工作中的一些試驗，由此也建立了大量的觀冰站進行現(xiàn)場觀測和數(shù)據(jù)采集，輸電線路覆冰在線監(jiān)測技術(shù)得到廣泛的關(guān)注[4]。

近年來，隨著計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)以及視頻技術(shù)的發(fā)展，圖像技術(shù)應用越來越普遍，逐漸將圖像裝置安裝于桿塔上從而進行覆冰線路實時圖像的采集，用這種方法可以很方便地實現(xiàn)人工觀測，同時對了解輸電線路的覆冰過程和發(fā)展狀況也起著不容忽視的作用[5]。

采用設計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)以下兩項功能，第一，采用溫濕度傳感器來測量輸電線路周圍的溫度和濕度；第二，利用攝像頭來采集輸電線路覆冰的實時圖像，將這兩者結(jié)合來判定覆冰的程度，同時驗證將圖像采集系統(tǒng)應用到輸電線路覆冰監(jiān)測中的可靠性與準確性。

1 輸電線路覆冰采集系統(tǒng)

圖1 輸電線路覆冰采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1是輸電線路覆冰采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這個系統(tǒng)中主要包含4個部分，分別是溫濕度傳感器、攝像頭、中央處理器、用于顯示數(shù)據(jù)的設備[6-7]，該系統(tǒng)通過采集輸電線路周圍的溫濕度對輸電線路是否覆冰進行一個初始判斷，同時通過采集覆冰圖像，來對覆冰情況作進一步判斷。

用單片機進行控制，將溫濕度傳感器采集到的溫度與濕度通過藍牙傳到手機上進行顯示，將攝像頭采集到的輸電線路圖像通過液晶屏進行顯示，同時設置溫度小于0 ℃和濕度大于80%時按鍵觸發(fā)拍照，對手機上采集到的溫濕度數(shù)據(jù)和攝像機拍攝的圖片進行處理和分析。

這個系統(tǒng)中用來測量溫度和濕度的傳感器選用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，此傳感器包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，具有超快響應、抗干擾能力強等優(yōu)點，可直接安裝在單片機中實現(xiàn)測溫測濕；現(xiàn)場使用CCD攝像頭進行圖像采集，其具有屏蔽現(xiàn)場強電磁干擾、防雨防塵等優(yōu)點，并且CCD的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時不會失真；系統(tǒng)中使用STM32F407單片機來實現(xiàn)控制功能。

2 輸電線路覆冰圖像處理

2.1 對攝像頭采集到的圖像進行預處理

具體處理過程如下[8]：

(1)將彩色圖像進行灰度化處理；

(2)處理圖像得到其直方圖；

(3)采用圖像直方圖均衡化來對圖像進行增強；

(4)采用中值濾波對圖像進行濾波處理。

2.2 對圖像進行邊緣檢測

對預處理后的圖像進行邊緣檢測，使用的邊緣檢測算法主要從以下幾個方面來進行[9-10]。

1)設指定標準差為σ，在此處對圖像進行濾波處理可以使用高斯濾波器，這樣可以使噪聲污染得到一定程度的改善；

2)選取具有典型特征的點，并對其進行梯度的幅值大小和方向的計算，具體如下：

使用分數(shù)階差分方法來計算梯度幅值[16]。

設n為分數(shù)階差分階數(shù)，m為濾波器長度，令：

(1)

(2)

則圖像水平方向的差分為：

(3)

圖像垂直方向的差分為：

(4)

J(x,y)=(mag)(f)

(5)

α(x,y)=arctan[gy/gx]

(6)

在水平方向上運用式(3)來計算差分，在垂直方向上運用式(4)來計算差分，將式(3)和式(4)分別代入式(5)和式(6)中，可以得到梯度方向與幅值計算公式。

3)先搜索局部極大值，從而來抑制非極大值元素，然后使用帶有滯后作用的閾值來處理，此處理方法是使用閾值Ta和Tb，其中Ta

梯度方向的示意圖如圖2所示。

圖2 梯度方向的示意圖

局部最大值可以使用相鄰像素點的梯度與梯度的差值來進行判斷，據(jù)此設置梯度的閾值Ta和Tg，在梯度幅值圖像中Ta為所有像素點灰度值的平均，當對梯度求平均后的值大于中心像素點的梯度值時，將其去掉；在梯度方向上Tg取相鄰兩點與中心像素點差值的平方差進行平方，局部區(qū)域的最大值G(x,y)具備以下條件[11]：

(1)

(7)

或者

(8)

(2)中心像素點梯度方向在1區(qū)中

4)將弱像素執(zhí)行到強像素來執(zhí)行邊緣連接，并進行閾值計算，按以下步驟來確定閾值：

(1)選擇一個初始估計閾值T1，通過分析直方圖，確定T1的具體數(shù)值；

(2)使用閾值T1來將圖像分成若干個特定的區(qū)域，將所有灰度值大于T1的像素組成G1，所有灰度值小于等于T1的像素組成G2；

(3)G1中像素灰色程度的平均值為m1，G2中像素灰色程度的平均值為m2；

(5)重復步驟2到4，直到在后續(xù)迭代過程中預定義的ΔT值大于等于T的差值為止；

(6)分割圖像。

2.3 覆冰厚度計算

采用攝像機標定方法[12-13]計算輸電線路覆冰厚度，把攝像機所在的圖像坐標系與世界坐標系進行轉(zhuǎn)換，對輸電線路覆冰前與覆冰后的圖像進行分析，并計算覆冰前輸電線路外圍之間的距離d1與覆冰后輸電線路外圍之間的距離d2，將兩者作差，則輸電線路平均覆冰厚度計算公式為：

(9)

3 工程應用及分析

在某220 kV線路中運行此系統(tǒng)，可以得到輸電線路周圍的溫度、濕度數(shù)值和相應的圖像及計算結(jié)果，如表1所示。

表中“有無覆冰1”表示對輸電線路是否覆冰作初步判斷；“有無覆冰2”表示對是否覆冰作進一步判斷。根據(jù)溫度、濕度等數(shù)值對輸電線路是否覆冰作初步判斷，然后對所得到的圖像進行預處理、邊緣檢測等操作，并利用攝像機標定方法計算輸電線路外圍之間的距離d1和d2，據(jù)此來對覆冰情況作進一步判斷，采集了九組數(shù)據(jù)進行分析。

表1 對某220 kV輸電線路信息的采集結(jié)果

由表1可知，僅由采集到的溫度、濕度數(shù)值來判斷有無覆冰并不全面，還需要借助圖像采集裝置對采集到的圖像進行處理與計算，最終可以準確判斷有無覆冰以及覆冰程度。

根據(jù)表1中采集到的數(shù)據(jù)，可以看到表1中有覆冰的是序號3、5、6、7、8、9，對其進行平均覆冰厚度的計算，并與實際冰厚作比較分析，其結(jié)果如表2所示。

表2 圖像處理計算冰厚與實際冰厚的比較

由表2可知：與實際覆冰厚度進行比較可以發(fā)現(xiàn)誤差在1 mm以內(nèi)，該誤差在工程允許的范圍內(nèi)。

圖3 計算冰厚與實際冰厚的折線圖

為了更直觀地比較計算冰厚與實際冰厚，繪制了二者的折線圖，如圖3所示，可以看出兩者的偏差很小，所以將圖像裝置與溫濕度采集裝置結(jié)合運用于輸電線路覆冰監(jiān)測中的方法可行。

4 結(jié)束語

利用傳感器和攝像頭來設計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成輸電線路周圍溫度和濕度以及覆冰實時圖像的采集。同時介紹了輸電線路覆冰圖像處理方法，對采集到的覆冰實時圖像進行預處理、邊緣檢測等操作，并利用攝像機標定方法計算輸電線路外圍之間的距離，據(jù)此判斷覆冰程度，并計算覆冰線路的平均覆冰厚度。

為了驗證輸電線路覆冰信息采集系統(tǒng)的可行性，將此系統(tǒng)放在某220 kV線路中進行采集，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)溫濕度以及覆冰實時圖像的采集，而相應的圖像處理方法也可以實現(xiàn)較小誤差的計算。因此將圖像裝置與溫濕度采集裝置結(jié)合運用于輸電線路覆冰監(jiān)測中的方法可行且具有較好的應用前景。