基于紅外熱成像技術的架空輸電線路高溫監測方法

王兵

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川 750004）

0 引言

架空輸電線路作為電網的“血脈”，其運行狀況關系到電網的安全與效率，一旦發生故障將會造成重大的經濟損失。相關調查結果顯示，在電力系統中許多電力系統的失效都與高溫有關［1］。在大量斷電事件中，由設備局部發熱引起的斷電維修是經常出現的情況。例如，由于電纜接口等連接部分老化或因接觸電阻增大產生高溫，使鄰近的連接部件工作狀態惡化，嚴重時會發生故障。架空輸電線路長期暴露在自然環境中，線路的老化、磨損及環境因素等都可能引發線路故障，導致溫度異常升高［2］。傳統的架空輸電線路高溫監測方法主要依賴人工定期對線路進行巡視和檢查，發現異常情況立即處理。然而，這種方法工作量大、效率低，而且在惡劣天氣和復雜地形條件下，人工巡檢存在一定的安全風險。近年來，隨著技術的發展，國內有較多研究者通過高新技術與計算機算法，實現對架空輸電線路的高溫監測。麻衛峰［3］提出采用機載激光雷達對架空輸電線路進行巡檢，通過點云數據，獲取輸電線路三維空間信息，實現對輸電線路的高溫監測。曾繁祎等［4］提出采用光纖傳感技術監測輸電線路運行，分析光纖傳感技術的應用環境及特征，選擇合適的布設方案對輸電線路運行過程中的振動、溫度和光學反應進行全方位監測。這種方法可通過分析光時域反射儀的監測數據實現，但容易受到環境影響而導致監測結果降低。李勇輝等［5］基于射頻技術設計一種輸電線路智能測溫巡檢方法，通過安裝射頻裝置，實時在線監測輸電線路導線和線夾節點的溫度，實現輸電線路的溫度監測。

紅外熱成像技術能快速、準確地檢測出線路中的熱異常，提高監測效率和準確度。架空輸電線路高溫監測首先需要具備實時監控的能力，在監控過程中，一旦發現任何異常發熱情況，能立即發出警報；其次，應具備遠程指揮、調度、調節的能力，以便在不同的架空輸電線路上進行遠程管理和控制；最后，由于架空輸電線覆蓋范圍較廣，在監測點較多的情況下，需要選擇通信速率和響應時間更快的通信方式，以確保對每一個監測點進行及時數據傳輸和查詢。為此，本文提出一種基于紅外熱成像技術的架空輸電線路高溫監測方法，旨在實現對架空輸電線路高效、準確和穩定監測。

1 設計方案

1.1 架空輸電線路紅外熱成像掃描

一切物體的表面溫度高于絕對零度時，都會向外發射外輻射紅外能量，物體溫度越高，發射的外輻射紅外能量越多，該能量又稱紅外線，物體溫度的空間分布可以用紅外線表示［6］。紅外熱成像技術就是利用該原理，將溫度的空間分布以圖像的形式呈現。目標發熱和散熱等參數是影響紅外熱成像效果的重要因素，這些參數的獲取直接決定了成像效果，掃描目標裝置發出的紅外線并將其轉化為電信號，形成物體的紅外熱圖像。鑒于紅外熱成像技術的優勢，本文采用該項技術對架空輸電線路進行高溫監測。通過對架空輸電線路進行紅外熱成像掃描，獲取架空輸電線路紅外熱圖像信息［7］。根據架空輸電線路高溫監測的需求，此次采用型號為IYHFA-A4F88 的紅外熱像儀，選擇UKFA-AFGA8 型無人機作為紅外熱像儀搭載裝置，將紅外熱像儀安裝在無人機上，按表1 的數值對紅外熱像儀進行參數設定。

表1 紅外熱成像技術參數

在對架空輸電線路進行紅外熱成像掃描之前，利用紅外熱像儀以不同的掃描方式掃描架空輸電線路不同的空間。紅外熱像儀將架空輸電線路的掃描空間劃分為多個面元，按順序對其進行幀圖像掃描，掃描時間為

其中：td表示架空輸電線路第d個面元紅外熱成像掃描時間；T表示紅外熱成像掃描周期；x表示第d個架空輸電線路面元；g表示紅外熱像儀掃描幀頻。按照公式（1）更新紅外熱像儀掃描時間的參數。為保證紅外熱成像的精度，對架空輸電線路掃描時應盡量避開人體熱源等紅外輻射，掃描環境溫度不能低于3.5 ℃，最佳相對濕度在10%～50%。將紅外熱像儀探頭對準架空輸電線路，逐個掃描架空輸電線路面元，掃描到的紅外熱圖像通過以太網發送到計算機上，用于后續線路的高溫識別監測。

1.2 紅外熱圖像非線性平滑濾波

紅外熱像儀對架空輸電線路掃描期間，周圍環境的溫度會對生成的紅外熱圖像質量產生影響，使輸電線路的紅外熱圖像中出現噪聲分量，需通過對紅外熱圖像非線性平滑濾波，去除圖像中的噪聲分量。非線性平滑濾波是利用圖像概率密度函數區分圖像中的噪點，假設架空輸電線路紅外熱圖像為y，概率密度函數用公式表示為

其中：p(y)表示架空輸電線路紅外熱圖像概率密度函數；pa表示與黑噪點相對應的概率；m表示架空輸電線路紅外熱圖像灰度值；a表示黑噪點；pb表示與白噪點相對應的概率；b表示白噪點。根據架空輸電線路紅外熱圖像像素點的灰度值，計算出架空輸電線路紅外熱圖像的灰度中值，計算公式為

其中：B表示架空輸電線路紅外熱圖像灰度中值；Zxy表示架空輸電線路紅外熱圖像素坐標灰度值；Zmax表示紅外熱圖像中灰度的最大值；Zmin表示紅外熱圖像中灰度的最小值。將計算得到的紅外熱圖像灰度中值代替公式（2）中黑噪點的灰度值，保留架空輸電線路紅外熱圖像概率密度函數中的白噪點，以此降低架空輸電線路紅外熱圖像的信噪比，進而消除紅外熱圖像的噪聲，為后續架空輸電線路相對溫差判斷監測奠定基礎。

1.3 架空輸電線路相對溫差判斷監測

在消除紅外熱圖像噪聲的基礎上，利用相對溫差判斷法對架空輸電線路進行高溫識別與監測，判斷架空輸電線路是否存在高溫現象。本次研究中，基于相對溫差判斷法的架空輸電線路高溫監測機理如下：通過圖像中某一架空輸電線路結構單元的溫升與溫差，計算出該結構單元的相對溫差，從而識別架空輸電線路的高溫狀態。溫升指的是物體在吸收或釋放熱量的過程中，溫度出現升高或降低的現象［8］，這個過程可以是快速的也可以是緩慢的，取決于吸收或釋放的熱量以及物體本身的性質，溫升計算公式為

其中：αi表示架空輸電線路第i個結構單元的溫升；εi表示紅外熱圖像中架空輸電線路第i個結構單元的溫度；gi表示紅外熱圖像中架空輸電線路環境溫度參照物的表面溫度。溫差為兩個不同物體之間或同一物體不同部分之間的溫度差異，在熱量傳遞過程中，熱量會從高溫物體向低溫物體傳遞，直到兩者達到熱平衡狀態，溫差計算公式為

其中：ηi表示架空輸電線路第i個結構單元的溫差；hi表示正常情況下架空輸電線路第i個結構單元的最高溫度［9］。根據架空輸電線路的溫升與溫差，確定架空輸電線路的相對溫差，計算公式為

公式（6）中：K表示架空輸電線路的相對溫差［10］，相對溫差越高，說明架空輸電線路高溫程度越大，如果架空輸電線路的相對溫差在20%內，說明此時架空輸電線路溫度正常，不存在高溫現象；如果架空輸電線路的相對溫差超過20%，但不超過70%，監測結果顯示為此時架空輸電線路存在一般高溫；如果架空輸電線路的相對溫差超過70%，但不超過90%，監測結果顯示為此時架空輸電線路存在重大高溫；如果架空輸電線路的相對溫差超過90%，監測結果顯示為此時架空輸電線路為緊急高溫［11］。按照以上規則，確定架空輸電線路的高溫程度，生成監測報告并輸出，以此實現基于紅外熱成像技術架空輸電線路的高溫監測。

2 實驗與分析

2.1 實驗設計

選擇基于機載激光點云的監測方法和基于光纖傳感技術的監測方法進行實驗測試。以某區域架空輸電線路為實驗對象，架空輸電線路采用HFAAF-A58F 型號的電纜，形狀為圓形，纖芯絞合方式為對絞，表面鍍鋅處理，纖芯導體材質為純無氧銅。實驗環境內架空輸電線路總長為8 645.42 m，根據實際情況，準備一臺紅外熱成像儀和一臺無人機，通過對架空輸電線路進行紅外熱成像掃描，采集到2 000 張紅外熱圖像，通過圖像非線性平滑濾波處理，圖1 為隨機抽選的1 張架空輸電線路紅外熱圖像。

圖1 架空輸電線路紅外熱成像示意圖

紅外熱圖像中識別到的輸電線路發熱點為2 000個，對發熱點進行相對溫差判斷，得到相應的監測結果。表2 為隨機抽選的10 根輸電線路發熱點的高溫監測結果。

表2 架空輸電線路高溫監測結果

本次實驗共監測到該架空輸電線路一般高溫1 148 個，重大高溫652 個，緊急高溫200 個。基于以上數據分析實驗結果。

2.2 實驗結果與討論

實驗指標：Recall（查全率）與F1是監測方法性能評價的2個重要指標，Recall計算公式為

其中：TF表示正確監測架空輸電線路高溫的數量；TP表示錯誤監測架空輸電線路高溫的數量。Recall值越高，說明監測精度越高。F1是用于綜合評估監測方法性能的指標，結合了Recall與精確率，用來衡量方法在保持精確率和召回率之間平衡時的性能，其計算公式為

公式（8）中，precision表示架空輸電線路高溫監測的精確率。F1值越高，說明架空輸電線路高溫監測的精確性越高，方法的監測性能越好。以上2 個指標實驗結果分別見表3和圖2。

圖2 架空輸電線路F1曲線圖

表3 架空輸電線路高溫Recall值（單位：%）

如表3 和圖2所示，本文方法對架空輸電線路高溫監測的Recall值未低于95%，處于一個比較高的水平，比應用機載激光點云的方法高將近45%，比應用光纖傳感技術的方法高將近55%，基本實現對架空輸電線路高溫的全面監測；本文方法的F1 值在0.75以上，最高值可達0.86，比應用機載激光點云的方法高將近0.25，比應用光纖傳感技術的方法高將近0.31。因為本文方法采用了紅外熱成像技術，紅外熱成像技術對溫度的靈敏度較高，所以能精準掃描和識別問題線路的溫度，保證了架空輸電線路高溫監測的精度。通過以上對比分析，證明本文方法具有良好的高溫監測性能，相比目前的監測方法，適用性和可靠性更強。

3 結語

架空輸電線路高溫是電力系統中一項重要的監測項目，通過檢測輸電線路的表面溫度，發現輸電線路中存在的潛在故障，預防事故的發生，提高電力系統的安全性和穩定性。紅外熱成像技術具有高靈敏度、高分辨率、非接觸等特點，可快速、準確地檢測出輸電線路的微小溫度變化，并通過分析和計算溫度，對輸電線路的健康狀況進行評估，預防潛在的故障。本文介紹的基于紅外熱成像技術的架空輸電線路高溫監測方法，經實驗證明，具有較高的效率和安全性。然而，本文方法仍存在一些不足之處，例如監測設備的成本較高，在惡劣天氣和復雜地形條件下的應用受限。未來的研究方向可以包括開發更經濟實用的監測設備，或研究更智能化的監測方法，提高設備在惡劣天氣和復雜地形條件下的應用能力。