基于視覺識別的輸電線路狀態監測系統設計

章 立，王 峰，殷洪海

(國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

目前，電力已經成為重要的能源資源之一，與人們的日常生活關系密切。因此，人們不斷升級電力系統的功能，使電力系統朝自動化和智能化方向發展。但與之相對的是高壓輸電線路與地面的距離不斷增加。由于裸露在外，高壓輸電易受外界環境因素的影響，導致其線路出現斷裂、破損等問題，影響電力輸送[1]。尤其是隨著電力系統等級的提高，高壓輸電線路造成的損失也越來越多。因此，如何避免和減少高壓輸電線路損失已成為眾多學者所關注的問題。

國內外面對輸電線路存在的問題，采用了各類監測方式，以保障輸電線路的安全運行。監測方式先后經歷了定性分析、人工測量和在線監測這3個階段，并逐漸向智能化方向發展。隨著智能電網的出現，國內外學者也研究出眾多不同類型、不同功能的監測系統，以實時采集輸電線路運行狀態參數值。國外監測輸電線路采用相機拍照、通用分組無線業務(general packet radio service，GPRS)、密封等技術，研究出分布式溫度等輸電線路在線監測裝置。國內對輸電線路監測系統制定了統一標準，對系統的技術、功能等作出了規定。國內研究者采用傳感器、GPRS、視頻監控等技術，研究出線路覆冰、導線弧垂、基于光纖光柵測量的監控系統，以監測輸電線路[2]。但是，國內外研究的輸電線路監測系統功能單一，對于輸電線路運行狀態的檢測不夠全面。

為此，本文采用智能視覺識別技術，全面檢測輸電線路運行狀態安全，設計了基于智能視覺識別的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統[3-4]。

1 系統硬件設計

本文設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統，考慮電網數據管理中心對高壓輸電線路數據的需求，以及系統監測高壓輸電線路運行狀態安全的實現，采用雙機集群技術設計高壓輸電線路運行狀態安全監測系統硬件架構。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 系統硬件架構

根據圖1所示的硬件架構，選擇服務器、負載均衡器、磁盤陣列和網絡交換機等硬件配置系統。服務器應用于數據庫、應用和圖形3個方向，負責系統的主要運行功能[5-6]。因此，根據高壓輸電線路運行狀態安全監測的實際要求，配置相應的數據庫、應用和圖形等服務器。高壓輸電線路運行狀態安全主要包括載流量、覆冰厚度、導線舞動、輸電線路狀態等數據，涉及內容多、數據量大[7-8]。所以，本設計采用刀片小機型服務器作為系統數據庫服務器。但是，系統監測到的數據不能全部存儲在服務器中，否則會降低系統數據庫運行速度。因此，在系統中配置2塊主機總線適配卡(host bus adapter，HBA)，連接存儲區域網(storage area network，SAN)存儲設備[9]。此外，數據庫服務器通過2臺網絡交換機與因特網相連接，實現實時傳輸、更新數據的功能。因此，本設計在交換機和數據庫服務器之間配置了1塊千兆網卡。系統必備應用服務器，負責系統的運行[10]。應用服務器與負載均衡設備相連接。

2 軟件設計

2.1 圖像監控單元

由于高壓輸電線路處于架空狀態，采集圖像數據時可能存在疏漏問題。因此，本文引入智能視覺識別技術，設計系統圖像監控單元，以監控高壓輸電線路所有設備覆冰狀況；滑坡、塌方等自然災害；施工造成的人為破壞；山川河流、易生長物等不易監測區域。高壓輸電線路圖像監控單元如圖2所示。

圖2 圖像監控單元示意圖

由圖2可知，采用智能視覺識別技術設計的高壓輸電線路圖像監控單元，在選擇圖像采集設備采集高壓輸電線路圖像時，需要考慮圖像采集設備與高壓輸電線路位置，以及環境、人為等因素對圖像采集設備造成的影響。所以，本文在高壓輸電線路圖像監控單元中設計標定模塊以矯正圖像采集設備位置，從而根據高壓輸電線路變化實時采集高壓輸電線路設備圖像。

2.2 數據監測單元

基于圖1、圖2，本文設計了高壓輸電線路運行狀態安全數據監測單元，使系統具有監測高壓輸電線路運行狀態安全數據的功能。

數據監測單元采用加速度傳感器和位移傳感器，監測高壓輸電線路的振動加速度、振幅和頻率，以及溫度傳感器監測高壓輸電線路環境數據；將光纖傳感器監測埋在高壓輸電線路塔桿底下，查看安全范圍內是否存在卡車、行人、牲口等可能影響高壓輸電線路運行狀態安全。一旦出現可能威脅高壓輸電線路運行狀態安全的事物時，該單元啟動安裝在塔桿頂的智能視覺識別裝置，實時分析現場狀況并予以示警。

根據上述分析，高壓輸電線路運行狀態安全數據監測單元如圖3所示。

圖3 數據監測單元示意圖

圖3中，加速度、位移監測點安裝的是加速度傳感器和位移傳感器。布設的所有監測點位置相鄰。由此可得高壓輸電線路的搖擺、振幅、頻率、溫度、外界因素等數據，并通過網絡將數據傳遞至數據庫，使高壓輸電線路監控中心人員可判斷高壓輸電線路運行狀態是否安全。

3 系統性能測試與分析

本文采用對比試驗的方式，以某區域電網的高壓輸電線路為試驗對象，驗證所設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統性能。選擇文獻[2]和文獻[3]的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統作為對比系統，分別記為對比系統1和對比系統2。試驗流程為：首先，設置測試對象和數據包間隔時間，改變虛擬用戶數目和系統負載長度；然后，分析系統功能、頁面訪問速度和傳輸數據丟包率。

3.1 試驗準備

本次測試采用Mercury Load Runner8.1軟件測試系統性能、Cain&Abel4.9.4軟件測試系統加解密功能、Oracle sol Developer軟件檢查系統數據統計功能、Wire shark 1.5.0軟件檢查網絡嗅探功能。系統測試拓撲結構如圖4所示。

圖4 系統測試拓撲結構

系統測試軟件運行環境為：Windows XP操作系統，雙核Intel(R)Core(TM)i3 CPU@2.40 GHz處理器，1.0 G bit/s的網卡，4.0 GB的內存。本設計選擇的高壓輸電線路為某區域配電網220 V的高壓輸電線路，根據配電網區域的高壓輸電線路建立模擬試驗平臺。通過模擬試驗平臺的控制開關，調控高壓輸電線路的電流和電壓。輸電線路的最大輸出電壓為1 000 V，電流為200 A。在試驗臺上，建立的高壓輸電線路如圖5所示。

圖5 高壓輸電線路圖

圖5中，A、B、C對應黃、綠、紅3個顏色的相線，模擬系統的監測數據下載、監測圖像瀏覽、設備管理等操作。使用 Virtual PC模擬軟件，用 LoadRunner記錄系統運行的函數腳本、增強腳本等。當240個虛擬用戶運行完腳本之后，系統統計結果。

3.2 測試結果及分析

3.2.1 系統功能測試

基于此次試驗設置的試驗環境和試驗對象，采用4種檢測軟件檢測3組系統監測高壓輸電線路運行狀態、安全效果，并對比3組系統功能。采用英文字母表示系統功能測試項目。則本組試驗選擇的項目，以及其測試的功能如下：①選擇權限管理(a)和數據傳輸保密(b)，測試系統加解密功能；②選擇錯誤操作提示(c)，測試系統的易用性；③選擇系統功能正確性(d)(點擊系統功能鍵，檢查對應的頁面是否正確)，測試系統功能；④查看文檔索引、目錄等功能的全面度(e)，以及文檔術語的一致性(f)，測試系統的用戶文檔功能；⑤選擇監測類型維護(g)、監測裝置遠程管理(h)，測試系統管理功能；⑥選擇輸電監測數據(i)、變電監測數據(j)、輸電CAG調用日志(k)、變電警告時間分布(l)、典型圖片庫查詢(m)，測試系統數據統計和查詢統計功能。系統功能測試結果如表1所示。

表1 系統功能測試結果

由表1可知，對比系統1和對比系統2的系統功能測試結果極為相近，僅在“○”和“√”存在一項差距；而本文系統的系統功能測試結果基本上都優于高壓輸電線路運行狀態監測標準，僅有2項也與高壓輸電線路運行狀態監測標準持平。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統功能良好，可以滿足高壓輸電線路運行狀態安全監測需求。

3.2.2 頁面訪問速度測試

系統監測高壓輸電線路運行狀態安全，得到的運行狀態安全數據存在多人多次同時訪問的現象，會影響系統頁面訪問速度。因此，第一組試驗對比3組系統頁面訪問速度。在該組試驗中，共模擬300個用戶，同時訪問系統功能，每隔1 min增加30個虛擬用戶，記錄不同數量的虛擬用戶的每項功能響應時間，并計算所有功能的平均響應時間。3組系統頁面訪問速度測試結果如圖6所示。

圖6 頁面訪問速度測試結果

由圖6可知，隨著虛擬用戶人數的增加，訪問系統功能的平均時間也相應增加。但是對比系統2僅支持240位虛擬用戶同時訪問系統頁面。當同時訪問人數超過240位虛擬用戶時，該系統頁面平均訪問時間程直線增加，導致系統頁面出現訪問崩潰的現象。對比系統1雖然可以支持300位虛擬用戶同時訪問系統頁面，但是當用戶數量持續增加時，以當前的趨勢推測，其頁面訪問的平均時間與虛擬用戶數目呈正比。只有本文系統，當虛擬用戶達到240人時，頁面訪問平均時間的變化趨勢小于對比系統，可以支持多位虛擬用戶共同訪問系統頁面。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統可以支持更多的虛擬用戶同時訪問系統頁面，且系統頁面平均訪問時間僅需8 s。

3.2.3 系統傳輸數據丟包率測試

系統在運行的過程中會產生一定的負載，導致系統數據在傳輸的過程中出現數據包丟失的現象。所以，本測試采用系統負載長度作為自變量，檢測3組系統數據丟包率。在本組試驗中，設定數據包間隔為100 ms。數據丟包率測試結果如圖7所示。

圖7 數據丟包率測試結果

由圖7可知，數據丟包率與系統負載長度呈正相關。對比系統1傳輸監測數據時，產生的數據丟包率最高，且隨著系統負載長度的增加，數據丟包率相應變高，其受到系統負載長度的影響較大。這表明對比系統1數據安全性最差。對比系統2只有在出現系統負載時受到的影響才最為明顯，隨著系統負載長度的增加對數據丟包率的影響也在不斷降低。這表明對比系統2數據具有一定的安全防護措施。本文系統數據丟包率最低，且隨著系統負載長度的增加，數據丟包率并未出現較為明顯的變化，受到系統負載長度的影響較小。這表明本文系統數據安全性良好。由此可見，本文設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統數據丟包率低，監測數據具有較高的安全性。

綜合上述3組試驗結果可知，本文設計的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統可以支持更多的虛擬用戶同時訪問系統頁面，且訪問所需時間短、數據丟包率低、受系統負載長度的影響較小，具有較高的安全性。

4 結論

由于配電網絡區域的限制，高壓輸電線路之間的距離越來越遠，多脈沖源發生耦合故障的可能性越來越大。當高壓輸電線路在輸送電力的過程中穿越山區時，由于導線垂弧較大、受風吹雨打或位置偏移等原因，極易引起輸電線路短路。當輸電線路發生短路故障時，若不采取相應的措施加以排除，則故障引起的電弧將難以自動熄滅，從而導致配電網中斷。在配電網輸電時，由于輸電功率較大，高壓輸電線路發生故障會對整個輸電系統造成一定影響。因此，為保證輸電系統的可靠運行，必須及時發現故障產生的位置，以便盡快排除故障。本文設計了一種基于智能視覺識別的高壓輸電線路運行狀態安全監測系統。該系統充分利用智能視覺識別技術，快速且全面地識別高壓輸電線路運行狀態。但是，該系統未曾考慮系統代碼冗余度以及數據庫的簡便度。因此在今后的研究中，還需繼續簡化系統代碼和數據庫，以提高系統數據的查詢速度和性能。同時，在研究中缺少實際條件下的試驗支持，未來研究將會根據實際條件進行更深入的驗證。