劉長(zhǎng)銀，王義春，侯艷權(quán)，宋人杰，李英杰

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司七臺(tái)河供電公司，黑龍江 七臺(tái)河 154600; 2.東北電力大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 吉林132012)

0 引 言

輸電線路是電力系統(tǒng)中最基本的結(jié)構(gòu)[1]，它的作用是輸送電能，將發(fā)電廠、變電站和用戶連接起來(lái)。由于電力輸送容量和輸送距離迅速增長(zhǎng)，大容量遠(yuǎn)距離的輸電線路投入運(yùn)行[2-4]，這對(duì)輸電線路安全性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的輸電線路具有跨越區(qū)域范圍廣、所處地形復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣以及輸電線路設(shè)備長(zhǎng)期暴露在外等特點(diǎn)[5-7]，使得輸電線路非常容易發(fā)生斷股、磨損或有附著物等問(wèn)題，直接影響到電力的安全運(yùn)輸。為確保輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及輸電可靠性,需要及時(shí)對(duì)輸電線路進(jìn)行定期巡檢。

目前利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行高壓輸電線路的巡檢和維護(hù)的技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)相對(duì)成熟[8]，該技術(shù)極大地降低了工人的勞動(dòng)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了巡檢過(guò)程中的工作效率。在輸電線路故障檢測(cè)領(lǐng)域中，相關(guān)人員進(jìn)行了很多理論研究。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用小波奇異性檢測(cè)理論分析了輸電線路故障定位方法，針對(duì)輸電線路故障，能基本滿足定位的準(zhǔn)確性，但采樣信號(hào)中的噪聲消除以及分解尺度和層數(shù)的選取，會(huì)直接影響到故障點(diǎn)的定位；文獻(xiàn)[10]提出了一種基于隨機(jī)矩陣譜分析的輸電線路故障檢測(cè)算法，該算法不受故障位置、非全相運(yùn)行、潮流轉(zhuǎn)移影響，但需要大量數(shù)據(jù)構(gòu)成故障檢測(cè)矩陣，很難達(dá)到快速識(shí)別的要求；文獻(xiàn)[11]提出一種基于離散余弦變換算法的航拍影像中輸電導(dǎo)線快速識(shí)別技術(shù)，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行輸電直線檢測(cè)，依據(jù)導(dǎo)線寬度的變換同正常導(dǎo)線做比較，識(shí)別出輸電線路斷股，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線斷股處的定位。

本文提出一種通過(guò)圖像處理技術(shù)對(duì)輸電線路缺陷進(jìn)行檢測(cè)與定位的方法，用來(lái)解決輸電線斷股故障問(wèn)題。該方法將巡檢圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理轉(zhuǎn)換為灰度圖像，使用改進(jìn)的Canny算法獲取到圖像邊緣，結(jié)合Hough算法提取到輸電線導(dǎo)線邊緣。通過(guò)邊緣跟蹤算法遍歷直線得到對(duì)應(yīng)直線的最大連通邊緣，與直線做“或”運(yùn)算得到分叉斷股。計(jì)算斷股邊緣直線的夾角與距離，通過(guò)與設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值的比較，實(shí)現(xiàn)輸電線路斷股故障的識(shí)別與定位。

1 輸電線斷股形態(tài)特征與分析

巡檢圖像中的輸電導(dǎo)線如圖1所示。輸電線路中的斷股有以下特點(diǎn)：

1) 依據(jù)輸電線路形態(tài)特征，很容易提取到輸電線路邊緣直線。

2) 斷股與輸電線路有連接點(diǎn)。

3) 若輸電線路發(fā)生斷股，斷股與輸電線直線連接處存在夾角。

4) 若輸電線路發(fā)生斷股，斷股邊緣點(diǎn)到輸電線路直線存在最大距離。

圖1 輸電線路斷股

通過(guò)分析上述輸電線路斷股的特征，提出輸電線路斷股故障檢測(cè)與定位方法。主要分為5個(gè)部分，處理方法流程如下：

1) 圖像預(yù)處理：將輸電線路RGB彩色圖進(jìn)行灰度化處理，得到對(duì)應(yīng)的灰度圖像。

2) 獲取輸電線路直線：利用改進(jìn)的Canny邊緣提取算法提取圖像邊緣，經(jīng)由霍夫變換得到輸電線路的擬合直線集，計(jì)算直線與x軸的角度集。

3) 確定待定斷股區(qū)域集：遍歷直線集中的每條直線，以直線一端像素為起始點(diǎn)，采用8-鄰域邊緣跟蹤算法求得包含遍歷直線的最大連通邊緣，與遍歷直線進(jìn)行“或”操作，記錄斷股故障候選區(qū)域。

4)故障識(shí)別：遍歷待定斷股集中的斷股邊緣像素，以斷股一端邊緣點(diǎn)為起點(diǎn)計(jì)算起點(diǎn)與遍歷點(diǎn)形成的角度，與對(duì)應(yīng)直線角度做差值運(yùn)算，通過(guò)差值與設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)閾值比較，判斷是否為斷股。

5)通過(guò)計(jì)算起點(diǎn)像素與遍歷點(diǎn)像素到輸電線路邊緣直線的最大距離和最大高度，完成故障點(diǎn)的定位。

所得預(yù)處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 輸電線路灰度圖

2 相關(guān)算法

2.1 改進(jìn)的Canny邊緣檢測(cè)算法

傳統(tǒng)Canny邊緣檢測(cè)算法是利用高斯濾波器對(duì)圖像進(jìn)行平滑噪聲，由于固定區(qū)域的像素灰度值差值較大，高斯濾波在去掉噪聲的同時(shí)，也使得圖像邊緣模糊，造成邊緣信息減弱，在后續(xù)處理中可能會(huì)漏掉一些需要的邊緣，特別是弱邊緣和孤立的邊緣，可能在雙閥值和聯(lián)通計(jì)算中被剔除。

針對(duì)上述問(wèn)題對(duì)Canny邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用雙邊濾波代替高斯濾波對(duì)輸電線圖像進(jìn)行去噪操作。在保有降低圖像噪聲的同時(shí)，也能保留更多的弱邊緣細(xì)節(jié)信息。

在雙邊濾波中，輸出像素的值依賴于鄰域像素值的加權(quán)組合，且同時(shí)考慮了空間域與值域的差別[12]，雙邊濾波器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：f(k,l)為圖像窗口內(nèi)的像素灰度值；ω(i,j,k,l)為權(quán)重系數(shù)。

權(quán)重系數(shù)ω(i,j,k,l)，取決于定義域d(i,j,k,l)與值域核r(i,j,k,l)的乘積。而權(quán)重系數(shù)、定義域以及值域核的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

經(jīng)改進(jìn)的Canny邊緣算法對(duì)輸電線路灰度圖像進(jìn)行處理后，得到的邊緣圖像結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸電線路邊緣圖像

2.2 霍夫變換提取直線

霍夫(Hough)變換是圖像處理中從圖像中識(shí)別幾何形狀的基本方法之一[13]。它的核心思想是采取變換兩個(gè)坐標(biāo)空間的方式，把在某一空間中呈現(xiàn)相同形狀的直線轉(zhuǎn)化為另一坐標(biāo)空間的某一峰值，將提取直線轉(zhuǎn)換成統(tǒng)計(jì)峰值的形式。采用極坐標(biāo)參數(shù)空間進(jìn)行直線檢測(cè)。在極坐標(biāo)系中，直線可以表述為以下形式：

ρ=xcosθ+ysinθ

對(duì)上步經(jīng)過(guò)Canny邊緣檢測(cè)處理后得到的圖像進(jìn)行Hough直線變換處理，獲得輸電線對(duì)應(yīng)的直線集L={l1,l2,…,lm}。

直線上的任意兩點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)滿足

3 檢測(cè)定位的方法與思路

通過(guò)改進(jìn)的Canny邊緣算法得到了連續(xù)的邊緣二值圖像，采用Hough變換提取到了輸電線直線，以兩者為前提，進(jìn)行輸電線路斷股缺陷的識(shí)別與定位，方法與思路如下：

1) 遍歷直線集L中的直線li，設(shè)定該直線一端像素為起始點(diǎn)，通過(guò)邊緣跟蹤算法求得包含遍歷直線的最大連通邊緣。最大連通邊緣與遍歷直線進(jìn)行“或”操作，得到直線上的分叉邊緣，即待定斷股邊緣，構(gòu)建待定斷股邊緣集Ei={e1,e2,…,en}。實(shí)驗(yàn)中待定斷股邊緣如圖4所示。

圖4 待定斷股邊緣

邊緣跟蹤算法采用8-鄰域搜索像素點(diǎn)邊緣，設(shè)定順時(shí)針?lè)较虮闅v8個(gè)鄰近像素以后，定位到下一個(gè)像素點(diǎn)，下一次遍歷時(shí)，就以下一個(gè)像素點(diǎn)為中心像素點(diǎn)，直至8鄰域都不存在輪廓。8鄰域如圖5所示。

圖5 8-鄰域示意圖

2) 判斷是否斷股。根據(jù)待定斷股邊緣的像素個(gè)數(shù)來(lái)找到斷股段的起點(diǎn)與終點(diǎn)。設(shè)經(jīng)過(guò)待定斷股邊緣的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為count，設(shè)(xi,yi)為經(jīng)過(guò)斷股邊緣的第一個(gè)像素點(diǎn)，從該點(diǎn)遍歷待定斷股像素。以左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為x正方向，向下為y軸正方向建立直角坐標(biāo)系。設(shè)(x0,y0)為起點(diǎn)，(xj,yj)為遍歷待定斷股邊緣點(diǎn)，起點(diǎn)與待定斷股邊緣像素同x軸所成夾角為φ，依據(jù)計(jì)算式φ=arctan{(yj-y0)/(xj-x0)}，計(jì)算斷股邊緣最大夾角φmax。與待定斷股所在直線li的夾角θi做差值運(yùn)算，取絕對(duì)值可得

|Δθ|=φmax-θi

設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值threshold=π/36,如果|Δθ|大于指定閾值threshold，則判定該段為輸電線斷股，記錄下該段的起始點(diǎn)位置。如果|Δθ|小于等于指定閾值threshold，則繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)待定斷股邊緣ei+1，直到該直線li上的待定斷股邊緣全部遍歷結(jié)束。輸電線是否發(fā)生斷股的判定式為

3) 輸電線斷股定位。由上述步驟可知，斷股邊緣ei起點(diǎn)與待定斷股邊緣的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為count，設(shè)斷股邊緣像素點(diǎn)到直線li的高為ΔH，遍歷斷股邊緣沿直線的投影為ΔH，其計(jì)算式分別為

可計(jì)算斷股段距離遍歷直線的最大高度max(ΔW)和最大寬度max(ΔH)，原理如圖6所示。

將斷股段起點(diǎn)作為標(biāo)記起點(diǎn)，由Δθ的正負(fù)判斷斷股定位方向，判定函數(shù)為

計(jì)算定位終點(diǎn)，完成該斷股缺陷位置的定位標(biāo)記，重復(fù)步驟1)，直至遍歷完直線集中L的所有直線。

圖6 斷股故障定位原理圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用上述方法對(duì)經(jīng)過(guò)Hough算法提取輸電線直線后的圖像進(jìn)行輸電線斷股故障檢測(cè)，最終檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 斷股標(biāo)記定位結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了基于邊緣跟蹤的輸電線路斷股缺陷檢測(cè)與定位方法。首先對(duì)巡檢圖像進(jìn)行預(yù)處理，從RGB空間轉(zhuǎn)換到灰度空間，便于后期處理。然后在標(biāo)準(zhǔn)的Canny算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙邊波器替代傳統(tǒng)的高斯濾波器，在去噪的同時(shí)保留了更多的細(xì)節(jié)，獲得了更高的邊緣檢測(cè)精度。最后通過(guò)設(shè)計(jì)的輸電線斷股缺陷檢測(cè)與定位方法，直觀地得出輸電線斷股點(diǎn)所在位置，以及準(zhǔn)確地標(biāo)記出輸電線斷股。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該方法能夠有效地檢測(cè)與定位出輸電線路斷股故障，在無(wú)人機(jī)電力巡檢領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。