基于防覆冰閃絡(luò)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及其LSD 算法研究

曲諾亞， 張 紅

（長(zhǎng)春工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130000）

引言

凍雨災(zāi)害能夠引起部分線路跳閘、覆冰舞動(dòng)，嚴(yán)重影響各線路設(shè)備并大大增加各器件損耗。由于雨水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且氣溫一直在0 ℃左右，這就導(dǎo)致了在有一定風(fēng)力因素條件下，物體表面溫度在0 ℃以下，雨水落在導(dǎo)線上時(shí)形成了一定密度較大而且分布不均勻的冰層。隨著降雨的持續(xù)以及側(cè)向的風(fēng)力，極易引起導(dǎo)線的覆冰舞動(dòng)，嚴(yán)重影響了各個(gè)設(shè)備的損耗，同時(shí)也使得相間距離不足放電，絕緣子斷串后對(duì)橫擔(dān)放電，引起設(shè)備跳閘等。電力系統(tǒng)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民安居樂業(yè)起著至關(guān)重要的作用，因此保證電網(wǎng)在任何情況下的可靠運(yùn)行，也就是保障了經(jīng)濟(jì)繼續(xù)高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高[1]。

1 防覆冰閃絡(luò)對(duì)電網(wǎng)的不良影響

雷擊等自然災(zāi)害影響范圍小，造成跳閘、倒塔的范圍不會(huì)很大。相比之下，積冰對(duì)電網(wǎng)造成的影響大得多，其特點(diǎn)是影響范圍廣。積冰一般會(huì)造成電網(wǎng)機(jī)械性損傷，如桿塔倒塌、導(dǎo)線斷線等，恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，難度大；電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，恢復(fù)重建投資巨大；惡劣天氣有發(fā)生和發(fā)展過程，可以預(yù)測(cè)。寒潮引發(fā)的凍雨天氣會(huì)使電線上積滿雨凇，雨凇最大的危害是使供電線路中斷，高壓線高高的鋼塔在下雪天時(shí)，可以會(huì)承受2～3 倍的重量，但是如果有雨凇的話，可能會(huì)承受10～20 倍的電線重量，電線或樹枝上出現(xiàn)雨凇時(shí)，電線結(jié)冰后，遇冷收縮，加上風(fēng)吹引起的震蕩和雨凇重量的影響，能使電線和電話線不勝重荷而被壓斷，幾公里以致幾十公里的電線桿成排傾倒，造成輸電、通訊中斷，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)。歷史上許多城市出現(xiàn)過高壓線路因?yàn)橛贲《膳诺顾那闆r。另外寒潮來(lái)襲還會(huì)加重電力部門的負(fù)荷，根據(jù)電力部門常年的經(jīng)驗(yàn)，天越冷，電網(wǎng)負(fù)荷就會(huì)越大，并且增長(zhǎng)幅度每年遞增。近年來(lái)，這種災(zāi)害性氣候出現(xiàn)的頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)且嚴(yán)重程度每年都在加劇。由于對(duì)如何防覆冰以及融冰和除冰技術(shù)不夠重視，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)不夠且未加大對(duì)如何防覆冰以及融冰措施等的研究力度，因而導(dǎo)致在此次大規(guī)模的冰凍災(zāi)害中沒有切實(shí)可行與有效的應(yīng)對(duì)方法和措施，現(xiàn)場(chǎng)融冰、除冰都非常困難。在考慮覆冰時(shí)存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低問題的同時(shí)，在線路跨距設(shè)計(jì)上還存在線路跨距過大的問題[2]。

2 傳統(tǒng)方法

針對(duì)覆冰閃絡(luò)問題，傳統(tǒng)方法總結(jié)起來(lái)大致有如下方法：

2.1 熱能融冰法

常見的除冰方式，一般方法是將導(dǎo)線端接，接入發(fā)電機(jī)，緩慢增大導(dǎo)線傳輸電流，使溫度緩慢增大到線路可承受的最大溫度從而使冰層融化。或者是使用系統(tǒng)變壓器融冰法等方式，本質(zhì)來(lái)說都是采用增大導(dǎo)線的短路電流融冰使導(dǎo)線自身發(fā)熱，溫度升高。這樣的方式一般來(lái)說都需要大量電能，且一般來(lái)說融冰線路都需要停電操作。總體而言，操作簡(jiǎn)單，短程線路尚可，并不適用于長(zhǎng)線路，而且缺點(diǎn)也十分明顯[3]。

2.2 機(jī)械除冰法

機(jī)械除冰法一般是指應(yīng)用一定的機(jī)械工具對(duì)線路的覆冰進(jìn)行破除的方式。常見的方法有敲除法、滑輪鏟刮發(fā)和強(qiáng)力振動(dòng)法。敲除法一般是指在冰層還不厚的階段以人力操作一定簡(jiǎn)易工具進(jìn)行敲除作業(yè)，該方法不僅需要大量人力反復(fù)操作，而且安全上也存在諸多隱患。滑輪鏟刮法是目前較為常見的有實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械操作方法之一，其原理是地面行走的人員拉動(dòng)線路上的滑輪鏟進(jìn)行線路的除冰操作，該方法相對(duì)于之前的方法有著工具實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、安全有效等優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)力振動(dòng)法一般是指在線路兩端安裝外部振動(dòng)器，使導(dǎo)線產(chǎn)生強(qiáng)力振動(dòng)，使覆冰區(qū)域?qū)Ь€振動(dòng)除冰，從而到達(dá)清除覆冰的目的。近些年以來(lái)有些國(guó)家采用無(wú)人機(jī)或一些其他設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控清除線路表面覆冰，也提供了一種思路。2009年我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司也成立了專門的公司來(lái)負(fù)責(zé)直升機(jī)等大型航空設(shè)備專門用于巡線和日常維護(hù)等業(yè)務(wù)。

2.3 被動(dòng)除冰法

該方法是一般工程優(yōu)先考慮的方法，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性優(yōu)秀，但是缺點(diǎn)也十分的明顯，如時(shí)效性普遍較低。該方法一般是借助外界自然因素如氣溫變化、風(fēng)力變化等使線路覆冰自然脫落的一種方法。

2.4 其他方法

目前針對(duì)線路防冰涂層材料，新型絕緣子等已經(jīng)被逐步應(yīng)用到電力系統(tǒng)當(dāng)中，都能在一定程度上起到防控減災(zāi)的作用。目前針對(duì)線路舞動(dòng)，很多地方已經(jīng)安裝防震錘等方式抑制。目前還有一些針對(duì)控制飛行器進(jìn)行線路除冰的設(shè)想也在積極的研討中，如：電磁脈沖、超聲波、氣動(dòng)法等。針對(duì)這類問題，開展基于防覆冰閃絡(luò)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究顯得十分重要。

3 輸電桿塔防覆冰閃絡(luò)在線監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

輸電桿塔防覆冰閃絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由軟件和硬件組成，其中硬件包括由雙軸傾角傳感器和GPRS通信模塊組成的測(cè)量裝置，以及由GPRS 接收設(shè)備和終端PC 組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。軟件采用Lab-VIEW 平臺(tái)構(gòu)建，具有登錄管理、操作控制和退出的邏輯結(jié)構(gòu)，其中操作控制包括塔臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢和軟件管理三個(gè)功能。輸電線路桿塔防覆冰閃絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件基于Labview 實(shí)現(xiàn)了同步采集、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)管理功能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器采集的塔架狀態(tài)數(shù)據(jù)被快速同步采集，然后進(jìn)行處理和顯示，并存儲(chǔ)在相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中[4]。

由兩軸傾角傳感器組成的測(cè)量裝置、由GPRS通信模塊組成的數(shù)據(jù)傳輸裝置、由終端PC 組成的終端系統(tǒng)，共同完成塔架實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、報(bào)警等功能。圖1 為輸電桿塔防覆冰閃絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)

輸電桿塔防覆冰閃絡(luò)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)的主要功能可以通過LabVIEW 編譯實(shí)現(xiàn)，并可為天氣監(jiān)控模塊預(yù)留接口。

4 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)LSD 算法

與其他算法相比，LSD 算法具有運(yùn)算時(shí)間短、無(wú)需手動(dòng)設(shè)置參數(shù)、無(wú)需邊緣圖像等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在研究領(lǐng)域得到了廣泛的贊譽(yù)。處理過程大致如下：

步驟一：對(duì)圖像進(jìn)行高斯下采樣以消除鋸齒效應(yīng)，計(jì)算圖像中每個(gè)像素的梯度值和梯度方向；

步驟二：根據(jù)梯度值對(duì)所有點(diǎn)進(jìn)行偽排序，并建立狀態(tài)列表，所有點(diǎn)都處于初始狀態(tài)；

步驟三：生成包含滿足條件的所有點(diǎn)的矩形。判斷點(diǎn)的一致性的公式是：

式中：region_ang（t）是分割備選區(qū)域t 的梯度方向角；ang（i，j）是像素（i，j）的梯度方向角。

步驟四：判斷矩形中一致點(diǎn)的密度是否滿足閾值要求，如果不滿足，則將矩形切割成多個(gè)矩形，重復(fù)此步驟直到滿足閾值要求。計(jì)算一致點(diǎn)密度的公式為：

式中：ρ 為一致點(diǎn)的密度；n 為滿足一致性標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)的數(shù)量；N 為矩形中的點(diǎn)的總數(shù)。

步驟五：使用像素值隨機(jī)分配且不包含直線段的噪聲圖像作為模板，分配的像素值獨(dú)立且均勻地分布其中，并計(jì)算矩形框在圖像中的誤檢個(gè)數(shù)NFA值，其定義如公式（3）所示：

式中：N 為當(dāng)前圖像中直線（矩形框）的數(shù)量；k（r，l）為模板圖片中矩形l 中一致點(diǎn)的數(shù)量；k（r，i）為測(cè)試圖片中矩形i 中一致點(diǎn)的數(shù)量；Ph0 為二項(xiàng)分布初始系數(shù)。

5 防覆冰閃絡(luò)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)

輸電桿塔的識(shí)別和分析：通過無(wú)人機(jī)巡邏的航空攝影采集輸電塔的航空?qǐng)D像，進(jìn)行算法實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在64位Windows7 的軟件環(huán)境、E7500、4G 內(nèi)存和320G硬盤的硬件環(huán)境、Opencv2.4.10 和Microsoft Visual Studio 2010 的開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。對(duì)提出的輸電桿塔識(shí)別和檢測(cè)方法進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。對(duì)分辨率約為600×400 像素的600 幅航空影像的算法進(jìn)行了測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

該算法的目的是準(zhǔn)確識(shí)別和檢測(cè)航空?qǐng)D像中輸電桿塔異常，以滿足無(wú)人機(jī)故障診斷的需要。本章提出的算法能夠很好地處理和計(jì)算輸電桿塔圖像，具有通用性和較強(qiáng)的魯棒性。

6 創(chuàng)新型改進(jìn)方案

隨著信息化數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展、改革和創(chuàng)新，電網(wǎng)運(yùn)行的安全維護(hù)工作也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破、技術(shù)創(chuàng)新，電力系統(tǒng)企業(yè)應(yīng)結(jié)合目前目前發(fā)展中的新技術(shù)，對(duì)電網(wǎng)凍雨災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急措施提出如下創(chuàng)新型建議：

1）完善目前的應(yīng)急處理預(yù)案。當(dāng)突發(fā)自然災(zāi)害來(lái)臨前，結(jié)合氣象大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)，各級(jí)供電公司應(yīng)針對(duì)可能出現(xiàn)的自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成的未知影響做好充分的準(zhǔn)備。在山路、丘陵、埡口等復(fù)雜地形處設(shè)置裝備站，當(dāng)突發(fā)情況發(fā)生時(shí)避免無(wú)專業(yè)裝備可用的情況發(fā)生。同時(shí)在危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、物資裝備、搶險(xiǎn)組織以及后勤保障等方面也要進(jìn)行思路上的創(chuàng)新改革，完善應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案預(yù)演等。

2）在新線路架設(shè)時(shí)制定適合本地實(shí)際情況的輸電線路鋪設(shè)、維護(hù)方案，改革巡線巡查工作，結(jié)合各地實(shí)際季節(jié)氣象情況合理分配組織巡線工作并合理運(yùn)用無(wú)人機(jī)技術(shù)、巡線機(jī)器人技術(shù)，在地形復(fù)雜的地方保證高效作業(yè)，以改革人力成本，同時(shí)保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3）建立預(yù)報(bào)- 監(jiān)測(cè)機(jī)制，充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源、信息化技術(shù)等新興高科技資源，與氣象部門密切合作。以當(dāng)前氣象科學(xué)水平，大部分極端天氣均可在一定時(shí)間段內(nèi)預(yù)報(bào)出來(lái)，通過結(jié)合新技術(shù)如：大數(shù)據(jù)分析、人工智能等。并且保證此類信息及時(shí)有效精準(zhǔn)的送達(dá)負(fù)責(zé)該區(qū)域的供電公司等電力運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門；同時(shí)在不過多增加運(yùn)行維護(hù)成本的同時(shí)，改革原輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在一定區(qū)域、一定長(zhǎng)度設(shè)置氣象監(jiān)測(cè)裝置合理運(yùn)用新技術(shù)如無(wú)人機(jī)、巡線機(jī)器人等。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)向、濕度等、并及時(shí)監(jiān)測(cè)線路覆冰積雪等情況，早發(fā)現(xiàn)早處置，避免更嚴(yán)重的后果。