曹翊軍 董興輝 曹年紅 吳 虹 祈永濤

（1.國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，南京 210003；2.華北電力大學，北京 102206；3.福建省電力公司，福州 350003）

1 引言

針對輸電線路覆冰厚度測量的研究，目前很多工作大多集中在電氣特性的測量方面，例如測量導線應力、導線弧垂、絕緣子傾角等[1-4]，通過這些測量值與覆冰厚度之間的關系算法確定當前覆冰的厚度。這些方式要求在線上安裝傳感器，安裝困難，現(xiàn)場維護極為不便，尤其是此類傳感器的可靠性目前普遍都不高，因此大范圍的推廣應用受到了很大的限制。

本文提出了一種從覆冰圖像入手，采取通過圖像識別直接得出覆冰厚度的方法。其基本思路是，根據(jù)現(xiàn)場在線監(jiān)測裝置拍攝傳回的實時覆冰照片，通過包括圖像灰度化、二維圖像分割、濾波、區(qū)域標記等方法的圖像預處理，獲取輸電線覆冰邊界，進而計算、分析輸電線覆冰的基本形態(tài)特征參數(shù)。當輸電導線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時，自動進行報警，提示管理部門及時采取除冰措施，保障電力系統(tǒng)安全運行。

2 總體參數(shù)及功能簡介

在線監(jiān)測裝置采用20W太陽能板+25Ah蓄電池浮充供電方式，能保證20日無日照正常工作。在線監(jiān)測裝置實現(xiàn)了圖像、氣象六要素（風速、風向、氣溫、濕度、氣壓、雨量）的自動采集。

其中，六要素氣象數(shù)據(jù)采集嚴格按照相關規(guī)范算法實現(xiàn)[5-6]，風速、風向數(shù)據(jù)的采樣間隔為2min，3s滑動平均值做為瞬時值，氣溫、濕度、氣壓的采樣間隔為10min，1min算術平均值做為瞬時值，雨量的采樣間隔為1min，采樣的為雨量累計值。

系統(tǒng)采用自報與應答兼容工作方式。在整10min時刻，在線檢測裝置向中心站主動上送風速、風向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時值及雨量累計值，此外，在氣溫和濕度達到一定條件后系統(tǒng)系統(tǒng)還將拍攝并遠傳一副圖片；在整點時刻，在線檢測裝置向中心站主動上送風速、風向、氣溫、濕度、氣壓的瞬時值、風速、風向的10min平均值，極大值，圖像，RTU狀態(tài)，同時，監(jiān)測裝置還將每 2min采集的風速、風向瞬時值進行整編同時發(fā)送到中心站。在任何時刻，在線監(jiān)測裝置在接收到遠程平臺發(fā)送的招測命令或遠程提取圖像命令時，在線監(jiān)測裝置會立即啟動采樣或抓拍動作，并將采集的氣象瞬時值數(shù)據(jù)或圖像遠傳到中心站。

遠程傳輸采用 GPRS信道，ACS300-MM內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，通過控制GPRS MODEM的方式進行GPRS收發(fā)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用空閑下線的工作方式。通過避免一直在線一方面可以節(jié)省系統(tǒng)功耗，另一方面還節(jié)省了通信費用，提高了系統(tǒng)可靠性[7]。

3 在線監(jiān)測裝置關鍵技術

3.1 低功耗設計技術

針對輸電線路無有效供電、無人值守的特點，在線監(jiān)測裝置采用南京南瑞集團公司的新型ACS300-MM 微功耗、高可靠數(shù)據(jù)采集器作為核心數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部實現(xiàn)了各種能耗的統(tǒng)一調(diào)度，靜態(tài)功耗小于 100uA，工作功耗約為30mA[8]。在線監(jiān)測裝置以ACS300-MM為核心實現(xiàn)了供電電源的動態(tài)統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的低功耗解決方案。

3.2 圖像與數(shù)據(jù)一體化傳輸

ACS300-MM 數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)了多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)的一體化傳輸。這主要體現(xiàn)在兩個方面。一方面，多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸；另一方面，傳感數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)相互關聯(lián)。

多媒體數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)通過同一信道傳輸主要需要解決的是在 GPRS/CDMA這種帶寬下如何快速、可靠地進行圖像的傳輸。為此，ACS300-MM基于 GPRS/CDMA信道的特點專門設計了以 UDP協(xié)議為基礎的文件傳輸控制協(xié)議。

覆冰只在少數(shù)氣溫、濕度均達到一定條件后才會發(fā)生，因此，絕大多數(shù)情況下是無需遠程傳輸圖片的，而在滿足一定條件后，又需要密切關注當前覆冰狀態(tài)，因此定時報的方式無法完全滿足這種需求。為此，系統(tǒng)增加了條件報的工作方式，在氣溫和濕度達到一定條件后，自動啟動圖像抓拍遠傳功能，而在平時，只進行少量的圖像傳輸實現(xiàn)系統(tǒng)平安報功能，從而一方面節(jié)省了流量費用，另一方面也節(jié)省了功耗。

4 圖像識別關鍵技術

圖1給出了系統(tǒng)的功能設計。分為5個子功能：①圖像讀取，②圖像預處理，③圖像分割，④圖像輪廓提取，⑤線路特性值計算。

圖1 系統(tǒng)功能設計圖

4.1 圖像讀取

圖像分為兩種類型處理，初次覆冰計算前，要先對該攝像頭下的裸線進行處理分析，獲取該攝像頭對應的拍攝參數(shù)（圖像比例系數(shù)以及圖像傾斜角度）?；讷@取的兩個值再對該攝像頭所拍其他圖像進行覆冰厚度識別計算。

4.2 圖像預處理

圖像預處理的目的是去除干擾、噪聲及差異，將原始圖像變成適于計算機進行特征提取的形式和質(zhì)量圖像，它包括圖像的變換、旋轉(zhuǎn)、增強和濾波等。

圖像變換通常是利用傅里葉變換、余弦/正弦變換、沃爾什變換、哈達碼變換、小波變換等的性質(zhì)和特點，將圖像轉(zhuǎn)換到頻域或空域中進行處理，以改善圖像質(zhì)量，同時還能提高運算處理速度。

圖像的旋轉(zhuǎn)主要是對構成圖像的所有像素點進行一定角度的旋轉(zhuǎn)已達到數(shù)據(jù)分析的要求。

圖像的增強主要是指利用各種數(shù)學方法和變換手段提高圖像中人們感興趣部分的清晰度，突出一幅圖像中的某些信息，同時削弱另一些無用信息，包括圖像灰度修正、噪聲去除、圖像平滑、腐蝕、銳化、圖像邊緣增強等。

4.3 圖像分割與邊界輪廓提取

圖像分割與邊界輪廓提取是整個圖像識別算法的核心。

圖像分割的目的是對感興趣的目標提取或測量。首先對圖像進行邊緣檢測，考慮到覆冰輸電線圖像的無規(guī)則性，系統(tǒng)采用閾值處理進行邊緣輪廓檢測。并進一步對覆冰圖像進行輪廓提取。圖像特征提取的作用是對圖像信息進行整理、分析、歸納，抽取能反映圖像本質(zhì)邊界的特征，得到可用于判決的參量。判決或分類是指通過對特征量/參量與閾值進行計算、比較和分析，判斷出圖像的狀態(tài)或本質(zhì)，得到最終的輸出結果。

圖像邊界輪廓提取所做的工作是從識別出的邊緣提取出來，便于進一步的處理計算。經(jīng)過閾值二值化處理后的覆冰圖像，由于光線等因素影響，在覆冰輸電線輪廓中可能出現(xiàn)一些干擾區(qū)域，對線路特性值計算產(chǎn)生較大影響。通過對覆冰圖像分析，在提取的所有輪廓中，覆冰輸電線輪廓始終為最大。同時，輸電線輪廓無法通過固定的特征進行匹配識別。因此，將包含區(qū)域面積最大的輪廓作為覆冰輸電線輪廓，用背景灰度值填充其他輪廓區(qū)域，這樣就能順利將覆冰輸電線提取出來。

5 結論

以這種方式建立的覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)已在福建建寧縣泰舟線上成功應用，系統(tǒng)提供兩種覆冰識別方式，一種是通過系統(tǒng)安裝調(diào)試后內(nèi)置的算法進行自動識別，覆冰厚度識別精度可以達到85%，能滿足初步的應用需求，如需更精確的數(shù)據(jù)或適應一些惡劣天氣條件的覆冰識別，可以進入專家模式選擇相應的識別算法及參數(shù)進行精細化識別。

與傳統(tǒng)的覆冰荷載應力等監(jiān)測方式相比，基于圖像采集與識別的輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)具有安裝維護方便、直觀有效的優(yōu)點，具有較大的推廣應用前景。

[1]付斌,李仲夫,姚勇等.輸電線路上冰風荷載的實時監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國電力,2001,34(4).

[2]汪江,田萬軍.輸電線路覆冰重量和厚度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].華東電力,2009.37(9).

[3]吳婭,張峰,馮欽華.廣東電網(wǎng)覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用[J].廣東電力,2009,22(5).

[4]張予.架空輸電線路導線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].高電壓技術,2008,34(9).

[5]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范.北京∶氣象出版社,2003.11.

[6]國家電網(wǎng)公司.架空輸電線路氣象環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則.2009.6.

[7]曹翊軍,曹年紅,周海等.一種新型的 GPRS/CDMA水情自動測報系統(tǒng)[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2009(2).

[8]南京南瑞集團公司.ACS300-MM用戶手冊.