基于图像处理的输电线路覆冰厚度的技术研究-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于图像处理的输电线路覆冰厚度的技术研究指 导 教 师 :2013 年 3 月 5 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1 研究背景及意义随着我国电力事业的不断发展，特别是我国开发西部强大的水电和煤电资源并实现西电东送、北电南送战略目标的确定，大量的输电线路要经过高海拔、重覆冰的地区,导致覆冰事故频繁发生。覆冰可以引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆(塔)、断线及绝缘子闪络等重大事故,给社会生产和生活带来极大不便,同时也造成了巨大的经济损失1。近30年来,大面积覆冰事故在我国各地时有发生,国家电网运行管理处统计资料表明,2006年1月至2007年6年,由覆冰引起的50OkV线路跳闸13次,占总跳闸数的8.84%,由覆冰引起的50Okv线路非计划停运4次,占总停运次数的11%。2008年1月中旬-3月,中国南方大部分地区和西北地区东部出现了建国以来罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻的极端天气，在全国范围电网造成36740条10kV及以上电力线路、2016座35kV 及以上变电站停运，10kV及以上杆塔倒塌及损坏310321基，其110kV-500kV8381基，导致3330多万户、约1.1亿人口停电 6。2013年1月，低温冰冻灾害天气造成南方459条输电线路覆冰，6条线路停运，广西4市14县出现低温冰冻灾害，灾害共造成受灾人口2931万人，紧急转移安置人口155万。导致覆冰事严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，从而造成巨大的经济损失和一定的社会影响。因此，及时开展防覆冰技术以及覆冰监测技术的研究，提出一些有针对性的预防措施和处理方法，可以减小社会经济损失，对提高电力系统的安全运行将有积极意义和实用价值。本课题主要利用采集的实际输电线路图像，利用数字图像处理相关技术对其进行处理和分析，提取覆冰状态和边界，进而利用导线的覆冰图像求其覆冰厚度，原理简单，操作方便，准确性和可靠性较高 34。输电线路覆冰状态的自动识别和超限告警,为保证电力系统安全运行提供了一种新的直观而准确的手段。本课题的开展将有助于电力企业建立自然灾害预警系统，进一步提高电力系统信息化水平和安全运行水平，为我国电力系统的发展做出重要的贡献。2 国内外研究现状国内外科研人员对导线覆冰进行了大量研究 6，其研究主要分成四大类：第一类是输电线路覆冰观测及分析研究，第二类是输电线路覆冰预测模型研究，第三类是输电线路覆冰在线监测技术研究，第四类是输电线路防冰除冰技术研究。2.1 国外研究现状国际上研究覆冰走在前列的国家有加拿大、日本、俄罗斯、芬兰、美国、法国等11。这些国家建立结冰观测站，安装各种测试设备，系统地长期地记录有关数据，然后对所观测数据进行统计分析，绘制出地理区域结冰分布图,用以指导线路设计和运行管理,亦即自然结冰的经验研究。这些国家不仅划分了线路覆冰分布图，对导线覆冰进行长期观测，在实验室研究覆冰机理，而且制定了覆冰的测试标准，抗冰设计规程，采取了一系列有效的措施和方法，如法国为了研究雾淞在导线上凝结的机理,在多姆山省 1465 米高的山顶建立观测站和开口式运行自然冷云风洞，这是世界上第一个自然环境条件下的覆冰实验室。俄罗斯研究人员对各种高度导线覆冰情况进行了长期监测,布琴斯基 B.E 对各种覆冰图形进行了比较详细的研究,包括截面形状、冰品结构、外型特征等。俄罗斯某公司与技术改进局联合研制了冰风负载传感器，该传感器可用于早期发现导线和线缆覆冰，目前在俄罗斯中部主网伏尔加一顿河支网伏尔加格勒市的在运输电线路上试运行。近年来，国外学者主要对导线覆冰预测模型进行了系统研究 8。国外比较经典的数学模型有：Lenhard 模型，Chaine-Skeates 模型，Kuoiwa 模型，McComber-Govoni 雾凇覆冰模型等。随着计算机技术的进一步发展，研究者引入了更为复杂的湍流模型，使之更加接近实际情况。目前采用的最广泛的湍流模型是由 Launder 和 Spalding 提出的标准 k-e 模型。Lozowski、Makkonen 等人对覆冰表面热平衡过程进行了深入全面的研究建立了热平衡方程。随着计算流体力学的发展，不规则物体气流绕流问题得到解决后。对于覆冰的数值模拟开始转向不规则冰形的模拟。2004 年 FuPing 开发了专门针对导线覆冰计算的模拟软件。该软件除了能获得导线覆冰量之外，还能够模拟导线覆冰形状，并且考虑导线覆冰过程中的扭转问题。2.2 国内研究现状中国各设计，科研及运行单位也进行了大量研究工作，取得了许多卓有成效的成果5。华北电力大学采用光栅传感器来代替传统的电阻应变传感器，并建立了基于数据融合的线路覆冰量计算模型而获得了不错的效果。沈卫康等将基于ZigBee协议的无线传感网络应用于线路覆冰监测系统中实现数据的传送。ZigBee 网络的特点有：可靠、时延短、网络容量大、安全、功耗低、成本低、优良的网络拓扑能力。周灿梅等提出了一种线搜索算法对不同背景下覆冰电缆图像进行处理而获得线缆覆冰厚度。2008年雪灾之后, 覆冰在线监测技术受到普遍重视, 一些覆冰在线监测装置上线运行。但总的来说, 目前国内借鉴国外的技术比较多, 成熟的比较少。考虑因素较全面且有代表性的在线监测系统是 2005 年西安交通大学、西安工程大学、西安理工大学、西安通信学院和西安金源电气有限公司共同研制成功的基于全球移动通信系统(GSM)短信业务(SMS)的输电线路导线覆冰在线监测系统。该系统通过安装在输电线路上的摄像机和各种传感器获得输电线路覆冰的图象信息、输电线路导线的重力变化、杆塔绝缘子的倾斜角、风偏角、导线舞动频率等信息以及线路现场的温度、湿度、风速、风向、雨量等气象信息，再将这些信息或数据通过 GSM 通信模块发送到计算机后台(监控中心)，计算机后台通过这些数据并利用专家软件来计算得出输电线路目前的覆冰状态及其发展趋势 10。该方法可以说比最初的在线遥测方法又进步了很多。它综合考虑了输电线路导线的重力变化、杆塔绝缘子的倾斜角、风偏角、导线舞动频率以及线路现场的温度、湿度、风速、风向、雨量等气象信息，因此其对输电线路导线覆冰厚度的计算精确度较最初的在线遥测方法有了一定的提高。该输电线路覆冰在线监测系统于2005年10 月在西安金源电气有限公司研制成功，并于2006年2月在山西省忻州供电公司的重覆冰区安装试运行，目前设备运行良好。在除冰防冰方面，2010年7月7日，中国中铁电气化局集团公司自主研发的防覆冰电力导线获得国家知识产权局授予的实用新型专利证书（授权公告号CN201522862U） ，成为我国第一个具有完全自主知识产权的防覆冰电力导线专利。参考文献：1 蒋兴良，易辉.输电线路覆冰及防护M北京：中国电力出版社，20022 刘和云.架空导线覆冰防冰的理论与应用M.北京：中国铁道出版社，20013 杨高波，杜青松.MATLAB图像/视频处理应用及实例M.北京：电子工业出版社，20104 秦襄培，郑贤中.MATLAB图像处理宝典M.北京：电子工业出版社，20115 陈立军等.输电线路覆冰监测技术发展综述J.化工自动化及仪表，2011,38（2）：1291526 苑吉河，蒋兴良等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状J.高电压技术,2003,30（1）：697 王小朋，胡建林等.应用图像边缘检测方法在线监测输电线路覆冰厚度研究J.高压电气，2009,45（6）：69738 段晓丽.输电线路覆冰量计算模型研究D.硕士学位论文.太原：太原理工大学，20109 王鹤.输电线路覆冰图像处理与识别技术研究D.硕士学位论文.北京：华北电力大学，200910 王小朋.应用图像法在线监测输电线路覆冰厚度研究D.硕士学位论文.重庆：重庆大学，200911 Farzaneh M,Baker T,et al.Insulator icing test methods and proeeduresJ.IEEE Trans on Power Delivery,2003,18(4):1503151512 SULLIVAN C R,PETRENKO V F,McCRUDY J D,et al.Breaking the ice(Transmission Line Icing) J.IEEE Trans on Industry Applications,2003,9(5):4954 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题利用图像处理技术，对导线有覆冰情况和无覆冰情况进行分析，通过提取导线覆冰前后的边界轮廓获取覆冰导线的特征尺寸，然后通过模型计算最终得到等效覆冰厚度，最后与设计值比较，判断是否进行超限报警，将采集到的信息显示到提前设计好的GUI界面，以便直观地获取导线覆冰及其他相关信息。全文的主要研究问题如下：1 如何寻求到最佳边缘提取方法并编程实现。2 处理图像时，考虑到的情况有限，而在实际情况中，图像之间差异较大。如何使覆冰厚度值达到精度要求。3 导线覆冰厚度如何计算。本文主要研究问题解决途径如下：1 图像处理最核心的就是要提取导线的边界轮廓，并对其进行正确地跟踪记录。提取边缘的方法主要分为传统方法和现代方法。传统方法基于空间运算，通过将算子模板与图像进行卷积完成，主要有Robert、Prewitt、LOG、Canny 等算子。传统的边缘检测方法算法简单，速度快，但对噪声都比较敏感。现代方法主要有小波方法、数学形态学方法、模糊数学方法和遗传算法等，这些方法都有各自的优缺点和适用范围。根据待处理图像特点以及提取导线轮廓的目的，采用小波方法来提取边缘。小波变换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像处理的强有力工具。2 在实际情况中，覆冰导线背景各种各样，差异非常大。有的图像不只包含一条导线，有时在同一时刻不同视角拍摄的图像可能会不同，有时在同一地点不同时刻由于导线舞动拍摄的图像可能会不同。针对以上情况，首先运用开运算函数和一个半径一定的圆盘形结构元素进行数学形态学开启运算，从而创建一个新的，背景较为一致的图像。对于不同视角的图像，可采用视角转换函数和旋转函数转换成正视的水平导线图像以方便计算。然后采用图像分割技术，提取导线特征数据。3 覆冰线路厚度以导线直径为已知条件，计算覆冰厚度。由于输电线路覆冰前后其倾斜角度是不变的,因此可以直接采用按列扫描图像的方式,计算各区域中的输电导线覆冰前后图像的像素比值。设输电线路图像的宽度为lwidth,测得的一条输电导线覆冰后与覆冰前图像每列的像素比值分别为n1，n2,n3则n=。其中n为计算得出的覆冰后与覆冰前该条输电导线像素的平均比值。设己知的输电线路导线直径为D，要计算的该条输电导线的覆冰厚度为h，则， ，进而得出其覆冰厚度：h=(n一1)D。 毕 业 设 计 开 题 报 告