張廣新 穆景龍 馬暉 張海

關(guān)鍵詞： 輸電線路; 交跨距離; 在線監(jiān)測(cè); 圖像處理; 上位機(jī); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34; TM726.3 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）24?0014?04

Design of cross?span distance online monitoring system for power transmission lines

ZHANG Guangxin1， MU Jinglong2， MA Hui2， ZHANG Hai2

（1. Changchun Institute of Technology， Changchun 130012， China; 2. State Grid Fushun Electric Power Supply Company， Fushun 113008， China）

Abstract： Since the current monitoring system has low accuracy in cross?span distance measurement results of power transmission lines， the machine vision software and image processing algorithm are used to design the cross?span distance online monitoring system of power transmission lines. The main body of the designed system includes two parts of the monitor and motion mechanism. The motion mechanism of the system can implement position adjustment， position fixing and line recovery of cross?span long?distance power transmission lines in a rolling manner. For the monitor of the system， the PCI bus is used to control the image acquisition for power transmission lines of the power grid. The collected power transmission line images are stored in the image processing module. The image processing results are packaged and stored to generate pre?warning data by using the machine vision software and a series of image processing algorithms. The software part of the system includes two parts of the terminal monitoring upper computer for cross?span distances of power transmission lines and the computation and analysis upper computer for cross?span distances of power transmission lines. The former， as the software part core of the entire monitoring system， is deployed on the master server for the monitoring center of the entire system， and is responsible for analysis and status display of image data statistics of power transmission lines. The latter includes the calculation and analysis functions often used in the process of planning， laying， repairing and maintenance for cross?span distances of power transmission lines. The results of the simulation experiment show that the monitoring results of the system are in high accuracy.

Keywords： power transmission line; cross?span distance; online monitoring; image processing; upper computer; system design;

0 ?引 ?言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的大跨步邁進(jìn)，各種大容量、超高壓、長(zhǎng)距離輸電線路鋪設(shè)越來越多，如今現(xiàn)有的輸電走廊資源變得日趨緊張，使得輸電線路交叉跨越現(xiàn)象越來越普遍[1?2]。由于在規(guī)劃和建設(shè)電網(wǎng)輸電線路交跨距離時(shí)，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確而引發(fā)的放電事故也時(shí)有發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大威脅。這使人們充分認(rèn)識(shí)到依靠原有的人工維修保養(yǎng)來進(jìn)行長(zhǎng)距離交叉跨越輸電線路的監(jiān)測(cè)和維修已經(jīng)不能完全保證供電安全[3]。需要設(shè)計(jì)一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)距離交叉跨越輸電線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)預(yù)警報(bào)修。

文獻(xiàn)[4]提出并設(shè)計(jì)了一種基于5.8 GHz光纖融合通信的電網(wǎng)輸電線路交跨距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在5.8 GHz光纖融合通信模式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其具體工作流程。該系統(tǒng)得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果偏差較大，可靠性不高。鑒于此，研究利用機(jī)器視覺軟件和圖像處理算法實(shí)現(xiàn)了輸電線路交跨距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 ?輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分，同時(shí)要在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)范圍內(nèi)的交叉跨越輸電線路等間距設(shè)置與背景顏色差異較大的5個(gè)特征標(biāo)記點(diǎn)[5]。其中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓級(jí)不同的交叉跨越距離輸電線路的在線監(jiān)測(cè)，主要由輸電線路圖像采集模塊、圖像處理模塊、系統(tǒng)通信模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊五個(gè)部分構(gòu)成。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠以滾動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉跨越長(zhǎng)距離輸電線路的位置調(diào)整、位置固定以及線路回收，便于巡檢工作人員的日常維修和保養(yǎng)[6]。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的輸電線路巡檢機(jī)器人的簡(jiǎn)易抓線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人抓線遠(yuǎn)程操控。通常情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在電網(wǎng)輸電線路交叉跨越位置垂直正上方的固定輸電線路上[7]。輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 ?輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器硬件部分的工作原理主要是通過利用PCI總線控制電網(wǎng)輸電線路圖像的采集，將采集的輸電線路圖像存儲(chǔ)到圖像處理模塊中。經(jīng)過機(jī)器視覺軟件以及一系列圖像處理算法，將圖像處理結(jié)果打包、存儲(chǔ)生成預(yù)警數(shù)據(jù)。一方面將生成的預(yù)警數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)前端蜂鳴裝置進(jìn)行蜂鳴報(bào)警;另外一方面則由監(jiān)測(cè)器通信模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊，供輸電線路巡檢工作人員的瀏覽和分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[8]。

1） 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器圖像采集模塊又包括輸電線路圖像傳感器單元和圖像采集單元。輸電線路圖像傳感器單元選取現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用的CCD傳感器，用其將輸電線路圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。另外，選取的CCD傳感器的鏡頭為定長(zhǎng)焦距鏡頭，能夠獲得長(zhǎng)距離高清晰輸電線路圖像。輸電線路圖像采集單元選取能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化、抗混疊濾波，以及場(chǎng)同步信號(hào)提取的SAA71xx系列專用芯片。對(duì)于輸電線路圖像壓縮部分，則由DSP處理器依據(jù)JPEG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采集獲得的輸電線路圖像進(jìn)行壓縮處理。該方法具有壓縮比較大、失真率較低、便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。另外，如果要對(duì)輸電線路圖像進(jìn)行夜間采集，則另外需要紅外技術(shù)的輔助。

2） 系統(tǒng)圖像處理模塊設(shè)計(jì)。采用一個(gè)ARM處理器、一個(gè)DSP處理器和一個(gè)VPSS處理器的雙核處理器作為系統(tǒng)圖像處理模塊的主處理器，具有較好的資源分配性能，且有利于提高輸電線路圖像處理效率。

3） 系統(tǒng)太陽(yáng)能供電模塊。采用具有高穩(wěn)定性、高效率，耐老化性、阻水性、免維護(hù)以及較強(qiáng)抗干擾性能的光伏供電方式，由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能蓄電池以及電能管理單元三部分構(gòu)成。整個(gè)太陽(yáng)能供電模塊采用全封閉式設(shè)計(jì)，同時(shí)具有電能使用狀態(tài)顯示功能。

1.3 ?系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分包括輸電線路交叉跨越距離終端監(jiān)測(cè)上位機(jī)和輸電線路交叉跨越距離計(jì)算與分析上位機(jī)兩部分[9]。其中，前者是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分的核心，部署于整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心總服務(wù)器上，負(fù)責(zé)輸電線路圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析以及狀態(tài)顯示;后者則包含了輸電線路交叉跨越距離從規(guī)劃到鋪設(shè)，再到檢修保養(yǎng)過程中經(jīng)常用到的計(jì)算以及分析功能[10]。

系統(tǒng)終端監(jiān)測(cè)上位機(jī)作為系統(tǒng)軟件部分的核心，主要用于實(shí)現(xiàn)電能輸送線路交跨距離測(cè)量數(shù)據(jù)的接收、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)等，輸電線路傾角監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要用于上位機(jī)與系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊的接口連接、通信，包括電能輸送線路交跨距離測(cè)量數(shù)據(jù)采集、時(shí)間校準(zhǔn)、閾值更新等;預(yù)警子系統(tǒng)主要用于輸電線路交叉跨越距離實(shí)際測(cè)量值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)值的比較，判斷規(guī)劃建設(shè)的歷史電能輸送線路交跨距離是否危險(xiǎn)發(fā)出預(yù)警;預(yù)警信息收發(fā)系統(tǒng)則根據(jù)預(yù)警子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)判斷結(jié)果，將預(yù)警消息發(fā)送給輸電線路巡檢管理工作人員;專家決策系統(tǒng)通過對(duì)輸電線路交叉跨越距離歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)其未來趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 ?系統(tǒng)性能測(cè)試與結(jié)果分析

根據(jù)上述理論分析，設(shè)計(jì)并構(gòu)建電能輸送線路交跨距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路交叉跨越距離測(cè)量數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入功能，模擬生成測(cè)量區(qū)域三維立體輸電線路。將研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)安裝在模擬輸電線路上，對(duì)測(cè)量區(qū)域三維立體電能輸送線路交跨距離進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)考察，考察結(jié)果如表1所示。

將圖2和圖3的監(jiān)測(cè)結(jié)果與某設(shè)計(jì)院出具的某線路某區(qū)段的應(yīng)力弧垂曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖2～圖4可以看出，在該區(qū)域最高溫度為41 ℃，輸電線路監(jiān)測(cè)檔距為419.2 m時(shí)，輸電線路弧垂為13.36 m，將其進(jìn)行換算，得到該區(qū)域溫度為30 ℃時(shí)輸電線路實(shí)測(cè)弧垂為12.36 m。已知待測(cè)量區(qū)域輸電線路導(dǎo)線檔距上限為165.4 m，采用基于機(jī)器視覺的輸電線路交叉跨越距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到的輸電線路檔距為412.38 m，該區(qū)域溫度為30 ℃時(shí)的導(dǎo)線弧垂為12.24 m。根據(jù)計(jì)算可知，待測(cè)量區(qū)域輸電線路導(dǎo)線實(shí)測(cè)弧垂與監(jiān)測(cè)弧垂之間的差值為12.36-12.24=0.12 m。

3 ?結(jié) ?論

研究借鑒近年來電網(wǎng)企業(yè)開展輸電線路交叉跨越距離實(shí)際測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，利用機(jī)器視覺軟件和圖像處理算法進(jìn)行輸電線路交跨距離在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過模擬工程實(shí)例分析，證明了該系統(tǒng)得到的輸電能輸送線路交跨距離監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相差很小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確率較高，能夠?yàn)闇y(cè)量區(qū)域輸電線路的安全運(yùn)行、管理及維護(hù)提供技術(shù)支撐。

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