基于巡檢機(jī)器人的電網(wǎng)覆冰輸電線路狀態(tài)智能監(jiān)測技術(shù)

熊佳佳

（重慶醫(yī)科大學(xué) 附屬第一醫(yī)院信息中心，重慶 400016）

0 引言

在我國的輸電工程中，部分高緯度高海拔地區(qū)常年冰雪覆蓋，導(dǎo)致輸電線路覆冰造成極大的安全隱患。水汽會(huì)因遇到低于零度的電線而凝固，而大量水汽凝結(jié)成冰就形成了輸電線路覆冰這種現(xiàn)象[1]。輸電線路覆冰會(huì)給覆冰范圍內(nèi)的電線及相關(guān)設(shè)施帶來巨大危害：因?yàn)楦脖男纬?，?huì)增大電線機(jī)械負(fù)荷與受風(fēng)面積，這就可能使電線繃斷或使塔桿倒下；覆冰也會(huì)造成內(nèi)部線路損壞，當(dāng)覆冰融化時(shí)，因陽光等因素會(huì)使其融化程度不同，會(huì)產(chǎn)生全串閃絡(luò)現(xiàn)象，從而引起較大危害[2]。

因?yàn)檩旊娋€路覆冰現(xiàn)象帶來的巨大的危害，所以對于輸電線路上覆冰的及時(shí)處理顯得尤為重要。而想要及時(shí)處理覆冰，就需要對線路覆冰這種現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，基于巡檢機(jī)器人的線路覆冰智能監(jiān)測技術(shù)是近幾年新起的一種監(jiān)測技術(shù)，擁有著遠(yuǎn)超其他監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢[3]。本文對于該技術(shù)上的研究，將在輸電線路狀態(tài)特征提取、運(yùn)行狀態(tài)檢測、WAMS等進(jìn)行分析。

1 基于巡檢機(jī)器人的電網(wǎng)覆冰輸電線路狀態(tài)特征提取

不同地區(qū)不同類型的輸電線路具有不同的狀態(tài)特征，而這些狀態(tài)特征是判斷其是否被覆冰的重要根據(jù)。因此對輸電線路的狀態(tài)特征的提取，在基于巡檢機(jī)器人的覆冰監(jiān)測就顯得尤為重要[4]。巡檢機(jī)器人對輸電線路的狀態(tài)特征提取采用圖像分析法，即巡檢機(jī)器人具有攝影技術(shù)，通過控制巡檢機(jī)器人的移動(dòng)，來對輸電線路的各個(gè)部位進(jìn)行拍攝，來進(jìn)行狀態(tài)特征圖像提取。對于輸電線路的狀態(tài)特征提取可在輸電線路總體狀態(tài)特征、輸電線路局部狀態(tài)特征、輸電線路覆冰厚度狀態(tài)特征提取三方面進(jìn)行[5]。

1.1 輸電線路總體狀態(tài)特征提取

在進(jìn)行輸電線路總體狀態(tài)特征提取時(shí)，要使拍攝的整個(gè)圖片包含整個(gè)輸電線路，確保該點(diǎn)符合。若圖片上的覆冰不明顯或無覆冰，再對輸電線路的線性度與多條輸電線路的平行性進(jìn)行狀態(tài)特征提取，即進(jìn)行二次檢測，通過二次檢測判斷輸電線路是否存在隱患；線路上有明顯的覆冰如圖1所示。

圖1 明顯覆冰圖

圖1中所示覆冰的強(qiáng)度較大，巡檢機(jī)器人可通過圖像分析出覆冰的危害，并及時(shí)通報(bào)，以達(dá)到監(jiān)測目的。

1.2 輸電線路局部狀態(tài)特征提取

輸電線路上的覆冰類型復(fù)雜多樣，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)線路局部覆冰的情況，這種情況下，巡檢機(jī)器人無法通過總體狀態(tài)特征提取判斷是否存在覆冰，但又從二次檢測中發(fā)現(xiàn)輸電線路存在異常，此時(shí)就要對輸電線路進(jìn)行局部狀態(tài)特征提取。輸電線路的局部狀態(tài)特征提取要求巡檢機(jī)器人要在移動(dòng)過程中對輸電線路進(jìn)行拍攝并做出計(jì)算分析，檢測出線路異常的部位，已起到對輸電線路覆冰的監(jiān)測作用。

1.3 輸電線路覆冰厚度的狀態(tài)特征提取

輸電線路覆冰厚度的狀態(tài)特征提取，是在總體狀態(tài)特征提取與局部狀態(tài)特征提取的基礎(chǔ)上，對已經(jīng)確定部位的覆冰的厚度進(jìn)行狀態(tài)提取，覆冰厚度是對輸電線路影響最大的覆冰特性，因此在輸電線路中覆冰重度是重要提取對象。巡檢機(jī)器人對覆冰厚度的提取采用色差層分離法該方法的具體操作為：巡檢機(jī)器人近距離采集輸電線路與覆冰的圖片，在圖片中會(huì)有較遠(yuǎn)的景物，通過調(diào)整灰度值來通過調(diào)整灰度值分離求出覆冰圖片區(qū)，之后就能進(jìn)行整的測量。具體的覆冰的厚度狀態(tài)特征提取流程圖，如圖2所示。

圖2 覆冰的厚度狀態(tài)特征提取流程圖

2 基于巡檢機(jī)器人的電網(wǎng)覆冰輸電線路狀態(tài)檢測

巡檢機(jī)器人對輸電線路覆冰進(jìn)行狀態(tài)特征提取，從而判斷其危害性的強(qiáng)弱，已達(dá)到監(jiān)測的效果。而判斷的過程就是對輸電線路的狀態(tài)檢測。輸電線路的狀態(tài)檢測是運(yùn)用巡檢機(jī)器人的軟件對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用的數(shù)據(jù)處理方式為數(shù)字圖形處理技術(shù)，而數(shù)字圖形處理技術(shù)就要在檢測程序與檢測方法中運(yùn)用，因此巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測程序與檢測方法就顯得尤為重要。

2.1 巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測程序

巡檢機(jī)器人檢測程序首先會(huì)對拍攝圖片進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理可以起到減少背景顏色干擾的作用，從而提取出線路本身。之后，多次運(yùn)用邊緣檢測技術(shù)檢測輸電線路的邊緣，也需要通過將檢測到輸電線與其它線路進(jìn)行比較，覆冰的形狀可以大致分為圓形與凌形，覆冰形狀可以通過輸電線路下邊緣是否為一條直線來判斷。如果覆冰形狀為圓形，則巡檢機(jī)器人可以直接算出其厚度值，若覆冰形狀為凌形，則巡檢機(jī)器人會(huì)計(jì)算出冰凌最長長度與冰凌平均長度。輸電線路在正常情況下會(huì)有三條，所以巡檢機(jī)器人會(huì)對三條輸電線路檢測。若三條輸電線路都無法檢測，則要進(jìn)行不同的預(yù)處理來檢測輸電線路圖片。以上是巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測程序，其程序圖如下：

圖3 巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測程序圖

2.2 巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測方法

巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰檢測方法是對覆冰檢測程序的部分程序的詳細(xì)解釋，可以在圖像預(yù)處理、線路是否覆冰、判斷線路覆冰的形狀這三方面進(jìn)行分析。

在圖像預(yù)處理時(shí)，因?yàn)榕臄z角度與圖片中的背景不同，可能會(huì)造成巡檢機(jī)器人程序無法識(shí)別輸電線路，所以會(huì)在機(jī)器人程序中設(shè)立四種不同的預(yù)處理，這四種預(yù)處理分別為：彩色圖像二極化、圖像的聯(lián)通或移除、在圖像中裁剪小物體、粗化輸電線路。

判斷輸電線路是否覆冰，可以應(yīng)用像素計(jì)數(shù)工具。當(dāng)比較完成后，可得出灰度值與設(shè)定值的像素比例。根據(jù)所得像素比例便可判斷輸電線路是否存在覆冰。

巡檢機(jī)器人程序?qū)€路覆冰形狀的判斷，具體的檢測方法為：將輸電線路邊緣定位，利用程序的邊緣檢測，檢測輸電線路的下邊緣，若輸電線路的下邊緣呈一條直線，則確定覆冰為圓形覆冰，將其錄入圓形覆冰計(jì)算程序，反之則錄入冰凌形覆冰計(jì)算程序。

3 基于巡檢機(jī)器人的電網(wǎng)覆冰輸電線路覆冰廣域監(jiān)測

傳統(tǒng)的輸電線路無法實(shí)現(xiàn)全線路覆冰分布式監(jiān)測，無法監(jiān)測地線覆冰，即傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測范圍不夠廣，而基于巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰監(jiān)測方法在廣域方面更有優(yōu)勢。輸電線路覆冰會(huì)出現(xiàn)在比較長的輸電線路上，傳統(tǒng)監(jiān)測方法都只能用于單點(diǎn)測量。若每條線路都設(shè)置監(jiān)測裝置，會(huì)在很大程度上會(huì)提高成本。因此傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在廣域監(jiān)測方面不如新起的巡檢機(jī)器人監(jiān)測技術(shù)。

3.1 基于巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰廣域監(jiān)測原理

在白天時(shí)間段內(nèi)，由于光照強(qiáng)度的變化，會(huì)造成環(huán)境溫度變化，覆冰輸電線路與正常輸電線路也會(huì)產(chǎn)生變化，所以巡檢機(jī)器人的溫感系統(tǒng)可用于線路覆冰廣域監(jiān)測，基于巡檢機(jī)器人的輸電線路覆冰廣域原理圖，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人的輸電線路覆冰廣域原理圖

3.2 巡檢機(jī)器人廣域監(jiān)測的脫冰區(qū)域判斷

當(dāng)巡檢機(jī)器人判斷出線路覆冰，脫冰先后的檢測結(jié)果是完全不一樣的。脫冰區(qū)域的檢測數(shù)值會(huì)更大，而未脫冰的區(qū)域檢測數(shù)值較小，據(jù)此可判斷出線路脫冰的具體區(qū)域，因此檢測數(shù)值的變化可以作為輸電線路的特征。輸電線路覆冰未脫冰時(shí)，輸電線路的溫度會(huì)高于脫冰時(shí)，會(huì)形成溫差，脫冰與未脫冰的輸電線路溫度圖如圖5所示。

由圖5可看出覆冰輸電線路與脫冰輸電線路的溫度差值，而該溫差會(huì)嚴(yán)重影響輸電線路的穩(wěn)定性與安全性，因此巡檢機(jī)器人對于脫冰區(qū)域的判斷尤為重要。

圖5 覆冰輸電線路與脫冰輸電線路溫度圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了研究巡檢機(jī)器人對輸電線路覆冰的監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的比較，建立對比實(shí)驗(yàn)。本文采用四組不同覆冰輸電線路，可覆冰程度按A極、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)分為四組，從第一組到第四組覆冰程度逐漸增加，該四組對比實(shí)驗(yàn)對兩種監(jiān)測方法的覆冰監(jiān)測范圍性、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性進(jìn)行對比。

4.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）對于覆冰監(jiān)測范圍性的對比結(jié)果

覆冰監(jiān)測范圍性是考量一項(xiàng)檢測技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)，只有監(jiān)測技術(shù)具有更廣的范圍，才能減少更多的監(jiān)測成本，使監(jiān)測具有更好的效益，因此將巡檢機(jī)器人監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測范圍性與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的檢測范圍性進(jìn)行對比，如圖6所示。

2）對于設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的對比

因?yàn)楦脖O(jiān)測系統(tǒng)對輸電線路監(jiān)測維護(hù)量工作量較大，因此在覆冰監(jiān)測中，對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性要求極高，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)中所使用的電子設(shè)備在低溫等情況下，會(huì)出現(xiàn)功能失效的狀況，而巡檢機(jī)器人則可避免。兩種技術(shù)的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的對比，如圖7所示。

圖6 覆冰監(jiān)測范圍性的對比圖

圖7 設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性對比圖

3）對于數(shù)據(jù)傳輸可靠性的對比結(jié)果

數(shù)據(jù)傳輸可靠性也是評(píng)定監(jiān)測設(shè)備的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)所用的監(jiān)測設(shè)備均是采用公共網(wǎng)路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于線路覆冰大多發(fā)生在山區(qū)，而山區(qū)大多網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好，因此造成數(shù)據(jù)傳輸可靠性的較低。而巡查機(jī)器人所使用的并非公共網(wǎng)絡(luò)，因此基于巡檢機(jī)器人的覆冰的監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)可靠性更高，兩者之間對比，如圖8所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)分析，可以得出結(jié)論：基于巡檢機(jī)器人的覆冰輸電線路監(jiān)測技術(shù)，在覆冰監(jiān)測范圍性、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性這三方面，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，證明了巡檢機(jī)器人的整體優(yōu)越性。

圖8 數(shù)據(jù)傳輸可靠性對比圖

5 結(jié)語

由于覆冰對輸電線路的危害性，以及傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的一些弊端，所以本文基于巡檢機(jī)器人研究了一種新的電網(wǎng)覆冰輸電線路狀態(tài)智能監(jiān)測技術(shù)，分析了特征提取過程，相較于傳統(tǒng)技術(shù)，本文技術(shù)的監(jiān)測智能性更高。隨著巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的完善與監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)一步研究，相信基于巡檢機(jī)器人的輸電線路監(jiān)測技術(shù)日后會(huì)得到更好的發(fā)展。