CN106595593A - 基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，通过安装在杆塔上的摄像机采集风偏绝缘子串图像，并通过图像预处理、图像分割、边缘检测算法提取绝缘子串边缘轮廓，然后通过设定椭圆拟合控制条件，获得最优椭圆，并求解椭圆几何参数。最后根据输电线路绝缘子风偏实际情况分析，建立绝缘子风偏计算模型，利用线性拟合得到绝缘子串空间方程，计算得到绝缘子串风偏角。本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其原理简单易行，能实时且更智能化监测绝缘子串风偏情况，为输电线路安全运行提供了一种新思路。

Description

基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法

技术领域

本发明属于输电线路在线监测方法技术领域，具体涉及一种基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法。

背景技术

近年来，输电线路风偏闪络事故频繁发生，已经严重威胁到电网的安全运行。尤其是风偏跳闸现象，往往会使线路重合不易成功，一旦发生风偏故障，将会造成重大的经济损失；而且在事故发生后，很难判断出故障发生地点，这就给维修工作带来很大的麻烦。因此，对输电线路风偏监测就显得尤为重要。其中，绝缘子风偏是在风力作用下，绝缘子串相对于杆塔发生的倾斜角度，是造成风偏跳闸事故的最主要因素。

目前，常用的绝缘子风偏监测方法主要是利用安装倾角传感器进行检测，或者通过测量绝缘子串附近的风速、风向、温度及湿度等环境参数，将绝缘子简化建立刚性直杆模型或弦多边形模型利用风偏计算公式来计算风偏角。这些方法一方面需要复杂的力学分析，计算量大，另一方面由于传感器精度或数学模型制约，不能将影响风偏的全部因素都考虑进去，会存在一定误差。

为了更智能化监测绝缘子串风偏角，借助视频监控装置采集绝缘子串图像，在分析绝缘子风偏特性的基础上，利用图像处理技术，提取绝缘子特征参数，进行特征拟合来实时检测绝缘子串风偏角，以及时做好风偏预警与防范，这就为输电线路风偏监测提供了一种新的思路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，以风偏跳闸为背景，通过图像处理技术实时监测绝缘子串风偏角。

本发明采用的技术方案是，基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、先通过安装在杆塔上的摄像机采集输电线路风偏绝缘子的图像信号，再将采集到的图像信号经过无线通讯方式实时传送至监控中心，然后从监控中心获取所检测的现场数字图像，从而得到监测目标图像；

步骤2、对步骤1中得到的输电线路风偏绝缘子监测目标图像依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，去除干扰噪声，增强图像对比度，以突出目标物；

步骤3、对经步骤2处理后的图像进行图像分割处理，然后利用canny算法进行边缘检测，获取风偏绝缘子的边缘轮廓；

步骤4、提取步骤3中连续的绝缘子边缘点，先通过第一次筛选，将符合条件的边缘进行椭圆拟合，再进行第二次筛选，获取最优椭圆，通过求解椭圆特征参数，计算出椭圆几何中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ；

步骤5、利用步骤4中的椭圆拟合方法，根据求解的椭圆几何参数关系将椭圆叠加到原图上，从而准确定位绝缘子位置；

步骤6、根据输电线路绝缘子风偏实际情况分析，建立绝缘子风偏计算模型；

步骤7、根据步骤5及步骤6线性拟合中心点坐标得到绝缘子串空间方程，经计算后得到绝缘子串风偏角；

步骤8、根据现行绝缘子串偏摆设计规范能得到绝缘子最大风偏角φ_m，通过实时监测绝缘子风偏角，与之对比：

若φ＞φ_m，则及时报警；

反之继续处理下一张绝缘子图像进行监测。

本发明的特点还在于：

步骤4中最优椭圆拟合求解中心点坐标点和长轴转角，具体按照以下步骤获得：

步骤a、对步骤3中检测的绝缘子边缘，搜索提取连续边缘点作为待拟合边缘点集；

步骤b、判断经步骤a得到的待拟合边缘点集是否满足边界控制条件：

若满足边界控制条件，则进行下一步进行，即步骤c；

否则返回步骤b；

其中根据绝缘子串特征，绝缘子片基本上大小相同，设定椭圆周长为边界控制条件，其中，椭圆最大周长L_max，椭圆最小周长L_min，将符合条件的连续边缘点集进行椭圆拟合；

步骤c、对经步骤b拟合的所有椭圆，设定拟合度作为再一次拟合最优椭圆的控制条件，进行删选；

其中，拟合度根据最小二乘法原理，定义为拟合的椭圆边界点与实际边界点的距离平方和最小作为最优拟合；

满足条件的椭圆则继续进行下一步骤，即步骤d；

否则返回步骤b；

步骤d、求解椭圆几何特征参数，以获得椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ；

其中，椭圆曲线的代数表达式为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0 (1)；

式中，二维平面内五个几何特征参数能够唯一确定椭圆，包括椭圆中心坐标o(x₀,y₀)，长半轴a，短半轴b，长轴转角θ(-π/2，π/2)；

通过拟合椭圆能求得方程系数(A、B、C、D、E、F)，从而反向计算出中心坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ，具体按照以下算法实施：

步骤6中的绝缘子串风偏模型按照以下方法建立：

在输电线路上悬垂绝缘子串，采用的方式为：将绝缘子串的上端通过钢脚、挂环铰在横担上，绝缘子串的下端通过线夹与导线连接固定；绝缘子风偏角主要是横担与杆塔平面内的偏角，将绝缘子串悬挂点设为固定铰点，使绝缘子串在二维平面内绕铰摆动；

通过采集现场风偏绝缘子图像，忽略现场情况下风速及风向这些外在环境参数的影响，将绝缘子串简化为刚体模型。

在步骤7中，绝缘子风偏计算具体步骤按照以下方法实施：

通过将步骤4中获取的最优椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)采用最小二乘法线性拟合获得一条直线y＝kx+b，并将斜率k转化为对应的角度，即满足以下表达方式：

φ₀＝arctank (5)；

同时由于拟合的每个中心点不一定都在直线上，也会存在误差，分布在直线两边，将经步骤4获取的最优椭圆的长轴转角θ₁θ₂θ₃…θ_n与φ₀比较计算误差得到φ₁，具体按照以下算法实施：

最终绝缘子风偏角按照以下算法经计算获得：

φ＝φ₀+φ₁ (7)。

本发明的有益效果在于：

(1)与现有的绝缘子风偏监测方法相比，本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法能够实时监测绝缘子风偏角，而且该方法原理简单、直观易行，为输电线路的安全稳定运行提供了一种新的检测思路。

(2)本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，借助视频装置采集绝缘子风偏图像，通过图像处理技术，提取绝缘子特征参数，进行特征拟合来实时检测绝缘子串风偏角，能大大减小计算复杂度，从而有效降低风偏闪络跳闸率，为线路安全运行提供有利保障。

附图说明

图1是本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法的流程图；

图2是本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法中涉及的绝缘子串风偏模型；

图3是本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法中涉及的绝缘子风偏角计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其流程图如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、先通过安装在杆塔上的摄像机采集输电线路风偏绝缘子的图像信号，再将采集到的图像信号经过无线通讯方式实时传送至监控中心，然后从监控中心获取所检测的现场数字图像，从而得到监测目标图像。

步骤2、对步骤1中得到的输电线路风偏绝缘子监测目标图像依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，去除干扰噪声，增强图像对比度，以突出目标物。

步骤3、对经步骤2处理后的图像进行图像分割处理，然后利用canny算法进行边缘检测，获取风偏绝缘子的边缘轮廓。

步骤4、提取步骤3中连续的绝缘子边缘点，通过筛选，将符合条件的边缘进行椭圆拟合，再进行筛选，获取最优椭圆，通过求解椭圆特征参数，计算出椭圆几何中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ。

其中，最优椭圆拟合求解中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ具体按照以下步骤实施：

步骤a、对步骤3中检测的绝缘子边缘，搜索提取连续边缘点作为待拟合边缘点集；

步骤b、判断经步骤a得到的待拟合边缘点集是否满足边界控制条件：

若满足边界控制条件，则进行下一步进行(即步骤c)；

否则返回步骤b；

其中根据绝缘子串特征，绝缘子片基本上大小相同，设定椭圆周长(椭圆最大周长L_max，椭圆最小周长L_min)为边界控制条件，将符合条件的连续边缘点集进行椭圆拟合；

步骤c、对经步骤b拟合的所有椭圆，设定拟合度作为再一次拟合最优椭圆的控制条件，进行删选；

其中，拟合度根据最小二乘法原理，定义为拟合的椭圆边界点与实际边界点的距离平方和最小作为最优拟合；

满足条件的椭圆则继续进行下一步骤(即步骤d)；

否则返回步骤b；

步骤d、求解椭圆几何特征参数，以获得椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ；

其中，椭圆曲线的代数表达式为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0 (1)；

式(1)中，二维平面内五个几何特征参数能够唯一确定椭圆，包括椭圆中心坐标o(x₀,y₀)，长半轴a，短半轴b，长轴转角θ(-π/2，π/2)；

通过拟合椭圆能求得方程系数(A、B、C、D、E、F)，从而反向计算出中心坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ，具体按照以下算法实施：

步骤5、利用步骤4中的椭圆拟合方法，根据求解的椭圆几何参数关系将椭圆叠加到原图上，从而准确定位绝缘子位置。

步骤6、根据输电线路绝缘子风偏实际情况分析，建立绝缘子风偏计算模型，如图2所示，具体建立方法如下：

在输电线路上悬垂绝缘子串，采用的方式为：将绝缘子串的上端通过钢脚、挂环铰在横担上，绝缘子串的下端通过线夹与导线连接固定；绝缘子风偏角主要是横担与杆塔平面内的偏角，所以在本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法中，将风偏问题简化，将绝缘子串悬挂点设为固定铰点，使绝缘子串在二维平面内绕铰摆动。

另外，本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法主要基于图像处理方法，通过采集现场风偏绝缘子图像，能忽略现场情况下风速，风向等外在环境参数，简化为刚体模型，通过处理图像技术，来实时监测绝缘子风偏，所以通过建立如图2所示的绝缘子风偏模型，能监测绝缘子风偏角的变化。

步骤7、根据步骤5及步骤6线性拟合中心点坐标得到绝缘子串空间方程，经计算后得到绝缘子串风偏角，具体按照以下方法实施：

本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，采用新的计算偏角方法，如图3所示，通过将步骤4中获取的最优椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)采用最小二乘法线性拟合获得一条直线y＝kx+b，并将斜率k转化为对应的角度，即满足以下表达方式：

φ₀＝arctank (5)；

同时由于拟合的每个中心点不一定都在直线上，也会存在误差，分布在直线两边，将经步骤4获取的最优椭圆(等价于每片绝缘子)的长轴转角θ₁θ₂θ₃…θ_n与φ₀比较计算误差得到φ₁，具体按照以下算法实施：

最终绝缘子风偏角按照以下算法经计算获得：

φ＝φ₀+φ₁ (7)。

步骤8、根据现行绝缘子串偏摆设计规范能得到绝缘子最大风偏角φ_m，通过实时监测绝缘子风偏角，与之对比：

若φ＞φ_m，则及时报警；

反之继续处理下一张绝缘子图像进行监测。

本发明基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其原理简单易行，能实时且更智能化监测绝缘子串风偏情况，为输电线路安全运行提供了一种新思路。

Claims (4)

1.基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、先通过安装在杆塔上的摄像机采集输电线路风偏绝缘子的图像信号，再将采集到的图像信号经过无线通讯方式实时传送至监控中心，然后从监控中心获取所检测的现场数字图像，从而得到监测目标图像；

步骤2、对步骤1中得到的输电线路风偏绝缘子监测目标图像依次进行图像灰度化、图像增强及图像滤波处理，去除干扰噪声，增强图像对比度，以突出目标物；

步骤3、对经步骤2处理后的图像进行图像分割处理，然后利用canny算法进行边缘检测，获取风偏绝缘子的边缘轮廓；

步骤4、提取步骤3中连续的绝缘子边缘点，先通过第一次筛选，将符合条件的边缘进行椭圆拟合，再进行第二次筛选，获取最优椭圆，通过求解椭圆特征参数，计算出椭圆几何中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ；

步骤5、利用步骤4中的椭圆拟合方法，根据求解的椭圆几何参数关系将椭圆叠加到原图上，从而准确定位绝缘子位置；

步骤6、根据输电线路绝缘子风偏实际情况分析，建立绝缘子风偏计算模型；

步骤7、根据步骤5及步骤6线性拟合中心点坐标得到绝缘子串空间方程，经计算后得到绝缘子串风偏角；

步骤8、根据现行绝缘子串偏摆设计规范能得到绝缘子最大风偏角φ_m，通过实时监测绝缘子风偏角，与之对比：

若φ＞φ_m，则及时报警；

反之继续处理下一张绝缘子图像进行监测。

2.根据权利要求1所述的基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其特征在于，所述步骤4中最优椭圆拟合求解中心点坐标点和长轴转角，具体按照以下步骤获得：

步骤a、对步骤3中检测的绝缘子边缘，搜索提取连续边缘点作为待拟合边缘点集；

步骤b、判断经步骤a得到的待拟合边缘点集是否满足边界控制条件：

若满足边界控制条件，则进行下一步进行，即步骤c；

否则返回步骤b；

其中根据绝缘子串特征，绝缘子片基本上大小相同，设定椭圆周长为边界控制条件，其中，椭圆最大周长L_max，椭圆最小周长L_min，将符合条件的连续边缘点集进行椭圆拟合；

步骤c、对经步骤b拟合的所有椭圆，设定拟合度作为再一次拟合最优椭圆的控制条件，进行删选；

其中，拟合度根据最小二乘法原理，定义为拟合的椭圆边界点与实际边界点的距离平方和最小作为最优拟合；

满足条件的椭圆则继续进行下一步骤，即步骤d；

否则返回步骤b；

步骤d、求解椭圆几何特征参数，以获得椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ；

其中，椭圆曲线的代数表达式为：

Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0 (1)；

式中，二维平面内五个几何特征参数能够唯一确定椭圆，包括椭圆中心坐标o(x₀,y₀)，长半轴a，短半轴b，长轴转角θ(-π/2，π/2)；

通过拟合椭圆能求得方程系数(A、B、C、D、E、F)，从而反向计算出中心坐标o(x₀,y₀)和长轴转角θ，具体按照以下算法实施：

$x_0=\frac{BE-2CD}{4AC-B^2}---\left(2\right);$

$y_0=\frac{BD-2AE}{4AC-B^2}---\left(3\right);$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}\arctan \frac{F}{A-C}---\left(4\right).$

3.根据权利要求1所述的基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其特征在于，所述步骤6中的绝缘子串风偏模型按照以下方法建立：

在输电线路上悬垂绝缘子串，采用的方式为：将绝缘子串的上端通过钢脚、挂环铰在横担上，绝缘子串的下端通过线夹与导线连接固定；绝缘子风偏角主要是横担与杆塔平面内的偏角，将绝缘子串悬挂点设为固定铰点，使绝缘子串在二维平面内绕铰摆动；

通过采集现场风偏绝缘子图像，忽略现场情况下风速及风向这些外在环境参数的影响，将绝缘子串简化为刚体模型。

4.根据权利要求1所述的基于椭圆特征拟合的悬垂绝缘子串风偏监测方法，其特征在于，在所述步骤7中，绝缘子风偏计算具体步骤按照以下方法实施：

通过将步骤4中获取的最优椭圆中心点坐标o(x₀,y₀)采用最小二乘法线性拟合获得一条直线y＝kx+b，并将斜率k转化为对应的角度，即满足以下表达方式：

φ₀＝arctank (5)；

同时由于拟合的每个中心点不一定都在直线上，也会存在误差，分布在直线两边，将经步骤4获取的最优椭圆的长轴转角θ₁θ₂θ₃…θ_n与φ₀比较计算误差得到φ₁，具体按照以下算法实施：

${\mathrm{\φ}}_1=\sqrt{\frac{{({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\φ}}_0)}^2+{({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\φ}}_0)}^2+\mathrm{...}+{({\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\φ}}_0)}^2}{n}}---\left(6\right);$

最终绝缘子风偏角按照以下算法经计算获得：

φ＝φ₀+φ₁ (7)。