基于機器視覺技術的高壓輸電線路覆冰在線監測方法

金 瑜,馬三龍,馮靖凱

(1.國網固原供電公司輸電運檢中心,寧夏 固原 756000;2.國網寧夏電力有限公司固原供電公司,寧夏 固原 756000)

0 引言

覆冰災害是影響高壓輸電線路正常運行的主要因素之一,進而致使電力系統出現安全隱患。輸電線路覆冰會極大地消減線路的電氣與機械性能,極易導致輸電線路擺動、墜落和斷裂等危險事故發生。另外,線路覆冰密度與厚度超出閾值不僅影響線路覆蓋區域的安全用電,還會造成電力經濟損失。

為了對線路覆冰災情及時作出預警,需采取針對性的除冰措施,目前已有多種方法通過線路覆冰在線監測實現輸電系統的冰災防治。徐志鈕等[1]根據溫度滯后相位原理對導線溫度變化趨勢進行預測,通過比較導線溫度與環境溫度的差值,分別對導線在覆冰狀態和正常狀態下的參數特性進行提取與分析,并通過構建覆冰與融冰預測模型,完成在線監測。但該方法沒有考慮到導線初始溫度與頻移之間的關系對監測結果的影響,且缺少溫度標定流程;黃歡等[2]利用弧垂測量原理分析冰荷載與導線之間的線性關系,借助覆冰厚度的數值模型,采用有限元分析軟件對線路覆冰進行監測。對于模擬導線的覆冰監測,此方法屬于間接測量,因此監測準確度還有待提高。

為彌補上述方法存在的缺陷,本文利用機器視覺技術設計了一種高壓輸電線路覆冰在線監測方法,通過獲取線路雙目圖像,根據線路覆冰力學模型,實現線路覆冰的在線監測。

1 高壓輸電線路覆冰在線監測方法設計

1.1 線路覆冰力學模型建立

線路覆冰力學模型如圖1所示。圖1中:X軸表示線路水平方向;Y表示線路豎直方向;A、B分別表示線路的兩個端點;σ0、σ1分別表示導線重力比與軸向應力值;σ2表示重力荷載;σ3、σ4分別表示H0為導線與軸向力的耦合系數與正交系數;β表示導線起始懸掛端與水平方向的夾角;H0表示懸掛終點端到地面的距離;在導線上任取一點C,該點與導線下垂最低端O的距離為H1;L1表示導線兩個懸掛點之間的距離;L2表示C點與A點的距離;L3表示C點與O點的距離。

圖1 輸電線力學分析

在高壓輸電線路中,導體的長度比導體的外徑大。因此,在分析中,導體的外徑可以視為無窮小,導體剛度對導體弧垂的影響可以忽略不計[3]。根據這一原理,文章將導體僅在標準環境中受到的軸向應力作為已知條件,假設在導線上的任何點施加到導線負載的應力是恒定的,則該線路段的應力方程為:

σ0cosβ=σ4sinβ

(1)

文章將導線上所有點的軸向應力分解,得到水平和垂直方向的力,并且任何點的垂直力和水平力與從該點到最低點O的線路長度乘以載荷的值是相同的[4],即:

(2)

式(2)中:θ表示C點與水平方向的夾角。

當σ3/σ0值一定時,導線上隨機一點的斜率會隨著弧垂度的增加而增大,故可得導線斜率的變化過程為:

y0=f(x)×(L2+L3)+tanθ

(3)

式(3)中:f(x)表示線路運行狀態判別函數。

假設導線上的應力是均勻的,即導線的比載荷是恒定的,懸鏈線上任何一點的彎矩都為0,則導線弧垂最低點的彎矩平衡公式如下:

(4)

文章在線路中對弧長作微分處理,得:

(5)

文章計算輸電線長度的公式如下:

(6)

式(6)中:L表示導線弧垂長度。

在高壓輸電線路上,導線的長度隨著負載和溫度的變化而變化,從而導致弧垂上的應力變化。文章假設外部施加的拉力為α0,當前環境溫度為t0,則從彈性變形和溫度變形獲得的線路長度變化ΔL′為:

(7)

式(7)中:l0表示檔距。

文章對上式進行積分運算,得到:

(8)

式(8)中:Lx表示當前導線初始長度;t表示工作狀態溫度。

導線的原始長度是固定的,因此可以將導線初始長度與其隨溫度和應力變化后的最終長度進行轉換,并與原始長度進行比較,以獲得反映導線狀態的方程,即輸電線路的力學模型,表達如下:

(9)

式(9)中:γ0表示應力水平分量。

1.2 利用機器視覺技術實現線路覆冰監測

文章通過對線路真實坐標(x,y)賦值的方式,對其位置進行視覺立體標定。文章將左視圖與右視圖中某一像素點(x′,y′)按照設定基線旋轉,得到線路的顏色索引參數為:

R=(RL+RR)1/2

(10)

式(10)中:RL、RR分別表示左右相機坐標。

文章利用輸電線路力學模型構造圖像像素點的變換矩陣Pr,如下:

Pr=G[e1,e2,e3]

(11)

式(11)中:G表示輸電線路力學模型;e1、e2、e3分別表示3個左極點的方向向量。

文章通過變換矩陣對顏色索引矩陣進行分解,完成左右相機的立體校正,公式如下:

r=v0Pr+W0

(12)

式(12)中:v0表示放大系數;W0表示左右視圖對應像素點的連接權重。

文章獲取到雙目立體矯正圖片后,對圖像進行輪廓提取,分割圖像主體區域與背景區域,得到圖片的深度信息。

下一步是計算圖像的視差,基于導線輪廓,以掃描方式掃描每行像素的最左邊和最右邊的輪廓像素點,以獲得水平像素位置差,計算公式為:

(13)

式(13)中:V表示相鄰兩根輸電線間距;cx、cy分別表示圖像主點x和y的坐標。

文章根據視差求取結果,計算覆冰線路質量。由于0 ℃時的彈性模量為53 MPa,遠小于輸電線路在該溫度下的彈性模量,因此導體密度的增加相當于覆冰質量的增加,覆冰時線路的總重量可以表示為:

(14)

式(14)中:m1表示線路覆冰重量;m2表示單位距離線路的重量;k表示覆冰作用系數。

文章計算導線單位長度無覆冰荷載為:

(15)

式(15)中:S1、S2分別表示線路的綜合彈性系數與膨脹系數。

文章根據輸電線路覆冰厚度的設計標準,假設覆冰為均勻的圓柱形,輸電線路的等效覆冰厚度g可利用下式計算:

(16)

式(16)中:qice表示導線覆冰荷載;ρice表示覆冰密度,通常取0.9×10-3kg/(m·mm2)。

文章通過上述分析與計算,即可實現對高壓輸電線路覆冰情況的監測,實時輸出導線等值覆冰厚度值。

2 實驗論證

2.1 實驗準備

試驗線受力部分長度為10 cm,最大屈服張力為259 kN。絕緣子串類型為雙極性懸垂串。此次實驗使用溫度和濕度傳感器來收集輸電線路的傳輸信息參數,選擇1 250 nm作為溫度感測帶,選擇1 524 nm作為應力感測帶。實驗對位于中間測量塔之間的四條高壓輸電線路的結冰情況進行監測。

2.2 監測結果

監測結果表明,利用本文提出的基于機器視覺線路覆冰監測方法對測試高壓輸電線路覆冰情況進行監測,得到的覆冰厚度與實際覆冰值較為接近,在不同線路弧垂長度下,均能準確監測出線路表面覆冰厚度,監測誤差為0～0.2 mm。因此,本文所提方法具有較高的監測準確性,可以滿足實際應用需求。

2.3 監測誤差對比實驗分析

為進一步體現本文所提方法在輸電線路覆冰監測方面的優越性能,實驗將溫度滯后相位原理(方法1)、弧垂測量方法(方法2)與本文方法作對比測試,對比結果如圖2所示。

圖2 不同方法的輸電線路覆冰監測誤差結果對比

測試結果可以看出,本研究方法可以提高高壓輸電線路覆冰在線監測的準確性,監測效果較好。

3 結語

本文以機器視覺技術為依托,獲取線路雙目圖像,根據線路覆冰力學模型,通過識別高壓輸電線路狀態與構建線路覆冰力學模型,計算出線路覆冰等效厚度,具有較高的監測準確度。本研究能為高壓輸電線路的運維管理工作提供建議與幫助。