[论文]远程覆冰监测及图像处理技术方案.doc

导线远程覆冰监测及图像处理技术研究方案1 研究目的、意义及现状输电线路是电能传输的重要电力设施，其安全稳定运行不仅关系到国民经济发展，而且维系着社会安全稳定。然而电力线路常年暴露于野外，容易遭受自然因素的破坏。而输电线路覆冰是影响电力系统安全运行的主要自然灾害之一，覆冰引起的导线过载和导线舞动可能导致相间闪络、金具损坏、跳闸停电、倒杆(塔)、导线折断等严重事故。2008年1月全国范围电网因覆冰遭遇了一次前所未有的灾害，110千伏500千伏线路此次因灾倒塔共8188 基，停运电力线路共39384 条，停运变电站共1995座，给电网、社会生产及人民生活带来极大的影响。另外很多线路处于偏远地段，采用传统巡检的方式对线路进行巡检不仅会消耗大量人力物力，而且不能及时了解导线覆冰情况，从而在冰灾害的防治中处于被动的地位，影响电力线路的安全稳定运行，因此输电线路早期的覆冰监测和覆冰厚度和增长预测变得十分重要。为此需要研究一套覆冰监控系统，当天气满足覆冰条件时，实时或不间断的拍摄导线图片，从而了解输电线路覆冰现状。运用图像处理技术对拍摄的图片进行科学处理，提取覆冰边缘，通过和导线固有几何尺寸的对比，进行覆冰厚度和覆冰增长率的计算，最终换算到等效的覆冰载荷上。不仅可以定性分析覆冰有无、而且可以定量计算近似覆冰厚度和覆冰增长率，从而预测覆冰发展趋势，在线动态分析评估输电线路的运行安全状态。覆冰监测系统根据用途大致可分为3 类：(1) 理论模型在线分析系统，为气象学预测模型提供有效的验证手段；(2) 覆冰在线监测系统，实现对覆冰和舞动现场进行监测，及时给出除冰信息，避免或降低冰灾事故；(3) 融冰在线控制单元，实现对融冰过程的监测和自动控制，对融冰效果、融冰电流、融冰时间、融冰产生的不平衡载荷等进行监测和分析。我们重点研究覆冰在线监测系统。受传感技术、通信技术、电源和抗强干扰技术等因素的制约，覆冰在线监测技术的发展十分缓慢。国外乌克兰2000 年11月发生了近50 年来最大的覆冰事故，电力工程师开始覆冰在线监测系统的研发，并于2005 年底在国家电力公司Ukrenergo电力变电站安装了8 套覆冰监控系统。在国内，西南电力设计院较早开展了这方面的尝试工作，但系统设计过于复杂，系统运行的稳定性、可靠性和精确性尚待进一步提高。2008 年南方电网覆冰事故使人们充分认识到覆冰在线监测的必要性和急迫性。(1) 用于定量分析的输电线路覆冰在线监测系统。整个系统主要由省公司监测中心主机、地市局监测中心主机、线路监测分机和专家软件组成。监测分机定时/实时采集环境温度、湿度、风速、风向、雨量以及该杆塔绝缘子的倾斜角、风偏角、覆冰导线的重力变化、导线舞动频率等信息，将其打包为短信息，通过全球移动通信(GSM)模块发送至监测中心，由专家软件判断该线路导线的覆冰情况。(2) 用于定性分析的输电线路覆冰图像监测系统。该系统集成了气象条件(温湿度、风速、风向、雨雪及气压等)监测功能，采用高性能摄像机、低功耗云台和特殊传感器，借助GPRS/CDMA 网络拍摄现场图片。该系统维护和安装相对简单，但只能定性观测，不能得到实际覆冰数据。2覆冰监测系统总体方案研究由于定量的输电线路覆冰监测系统安装复杂，维护困难，可行性较差，不能保证测量精度。因此考虑在定性输电线路覆冰雪图像监测系统的基础上，运用现代图像处理技术对拍摄的覆冰图片进行科学的处理，准确的提取覆冰边缘，通过和导线或绝缘子的固有尺寸进行对比，实时的计算覆冰厚度和覆冰增长率，最终换算到等效的覆冰载荷和增长率上，从而变定性的监测为定量计算，既能了解覆冰现状，又能预测覆冰发展趋势。输电线路覆冰监测系统总体上可分为两部分：覆冰监测终端和上层管理预警系统。上层管理预警系统接入Internet，覆冰监测终端通过GPRS，CDMA或3D网络以无线方式连入Internet与上层管理预警系统进行数据传输。系统总体结构图如图1所示。图1 系统总体结构示意图覆冰监测终端分布于各个需要监测的线路段，由工业级摄像机、云台及其控制器、太阳能供电系统、无线发射装置和温度、湿度、风速等传感器组成，因具备功耗低，自持能力强等特点。覆冰监测终端可以通过GPRS，CDMA或3D等网络通过无线方式将拍摄的覆冰图片发送到上层管理预警系统的图像数据库服务器。覆冰监测终端集成有图像采集，气象信息采集，图像压缩，图像传输等功能。上层管理预警系统负责接收各监控点通过无线网络传输过来的图像信息，具有强大的信息集成、显示、统计、分析功能，并能直观地给出覆冰状况的评价，或者运行人员以平台信息为基础进行人工分析，以便提供决策和正确发布指令，及早发现事故隐患并及时予以排除，保障线路以良好状态可靠运行。图像和气象信息可同时存入服务器的数据库，可方便进行存储、检索、备份、恢复等操作。并对历史数据进行信息融合、信息关联和信息判断及处理，进行统计分析及报表，得出一定统计规律，供决策使用。上层管理预警系统的预警等级采取分级预警机制，级别的多少可根据需要确定，一般可设置为四级预警机制，如蓝色、黄色、橙色、红色。根据预警等级确定应急预案，据输电线路运行监测及预警系统得到的线路覆冰状态和报警信息，研究应急处理措施。针对覆冰的厚度、导地线的运行状态和线路通道的状况，针对不同的预警等级，启动和采取相应等级的应急处理措施。3 图像处理技术及覆冰厚度和增长率计算方法研究3.1 覆冰厚度及增长率计算原理利用工业摄像机对输电线路的导线和绝缘子进行实时摄像，首先采集导线和绝缘子覆冰前的图像，然后通过一定的软件程序对这些图像进行处理，提取其边界轮廓并进行合理的二值化处理，最终通过边界跟踪记录下这些边界点在图像中的坐标。之后，对采集到的导线和绝缘子覆冰后的图像进行相同的处理，提取导线和绝缘子覆冰后的边界轮廓，并通过二值化处理和边界跟踪记录下此时的边界点在图像中的坐标。最后，通过综合比较导线和绝缘子覆冰前后的边界点坐标，就可以得出导线上下边缘、绝缘子上边缘（此处的上下边缘是相对于采集到的二维图像而言）每一点的覆冰厚度，进而可计算出导线上下边缘和绝缘子上边缘各自的平均覆冰厚度。此时的覆冰厚度只是像素值，需要利用导线直径对其进行标定转换为真实值，其原理图如图2所示，绝缘子处理方式类似。图2覆冰厚度及增长率计算原理图上边沿厚度计算公式，D为导线直径。 （1）因此单位时间内覆冰厚度增加量推导为： （2）覆冰增长率：。3.2 对冰柱的处理由于冰柱的成长比周围的普通覆冰速度快，因此计算结果将会被高估，根据Mokkon模型可知，在1米长度上平均有43根冰柱，因此当检测到冰柱时，下边沿覆冰计算要对其进行局部处理，进行校正已减少整体覆冰的增长速率的误差。为此我们需要作如下假设，假设冰柱是圆锥形的，导线覆冰是圆形的或椭圆形，即在没有冰柱的情况下，是圆形或椭圆形生长的。在拍摄图片时尽量减小拍摄的造成的角度，使导线平直。取圆柱增长和圆锥增长的体积比，近似为： （3）得出该部分实际增量为：，为单位时间内导线下边缘长度l上的覆冰增长量。由上述分析可知，实现覆冰厚度及增长率计算的重点是图像边缘提取。3.3 图像边缘提取技术图像分割是计算机视觉与高层次图像处理的基础和经典难题，在恶劣天气下的拍摄的覆冰图像边界特征不明显，各类噪声干扰严重，因此要获取精确的边缘特征更为困难。提取边缘的方法很多，主要分为传统方法和现代方法。传统方法基于空间运算，借助空域微分算子进行，通过将算子模板与图像进行卷积完成。根据模板的大小和元素值的不同有不同的微分算子，如Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子、LOG算子、Canny算子等。总体而言，传统的边缘检测方法算法简单，速度快，但是对噪声都比较敏感，且常常会在检测边缘的同时加强噪声。现代方法主要有小波方法、数学形态学方法、模糊数学方法、遗传算法和水平集方法等等，这些方法都有各自的优缺点和适用范围。下面介绍小波方法和水平集方法来提取覆冰图像的边缘。图3 小波分析覆冰图像边缘提取效果小波理论是一门新兴的数学方法，它在时域和频域同时具有良好的局部性质，因而成为信号分析和图象处理的强有力工具。1992年，Mallat在其文献中提出了多分辨率的思想，在对图像进行边缘提取时，当小波变化的尺度参数较小时，能检测出灰度发生的细变化，而当尺度参数较大时，能检测出图像发生的粗变化。正是这一性质，使得小波变换在图像的去噪、边缘检测以及轮廓提取等方面具有很大优势。小波分析覆冰图像边缘提取效果如图3所示。其中内部线条为导线和绝缘子固有边缘，外部线条为覆冰后的边缘。水平集(Level Set)方法作为图像分割的一种方法,由Osher和Sethian提出,其主要思想是将活动的曲线作为零水平集嵌入高一维的水平集函数中,把二维的闭合曲线演化问题转换为三维空间中水平集函数曲面演化的隐含方式来求解,更接近人类的视觉机理，在图像分割中得到了广泛应用。变分水平集是首先建立一个能量模型，并在能量模型中的内、外部能量都使用水平集函数表示，再利用变分法对这个能量函数极小化，得到水平集演化的偏微分方程(Partial Differential Equation, PDE)。水平集方法曲线演化过程及覆冰图像边缘提取效果如图4所示。对绝缘子的边缘提取效果如图5所示。图4 水平集方法曲线演化过程及覆冰图像边缘提取效果图5 水平集方法对绝缘子覆冰图像边缘提取效果4 预期成果（1）预测覆冰发展趋势； 选择一种合适的图像处理算法，对覆冰在线监测系统拍摄的图片进行处理，提取覆冰边