CN114370898A - 一种覆冰舞动综合监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种覆冰舞动综合监测系统。该系统中覆冰舞动数据联动APP均与图像采集模块、覆冰图像检测模块、舞动报警模块以及在线取能模组连接；覆冰舞动数据联动APP将图像采集模块采集的输电线路导线的图片发送至覆冰图像检测模块；图像采集模块内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件；覆冰图像检测模块根据图片确定输电线路导线的覆冰厚度；舞动报警模块采集输电线路导线的舞动数据，并根据舞动数据确定舞动特征量，当舞动特征量超过舞动设定阈值时，触发舞动报警信号；同时将舞动特征量发送至覆冰舞动数据联动APP；覆冰舞动数据联动APP根据覆冰厚度以及舞动特征量进行监测、上传。本发明实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。
Description
技术领域
本发明涉及覆冰舞动监测领域，特别是涉及一种覆冰舞动综合监测系统。
背景技术
输电线路覆冰舞动对电网的安全运行危害极大，因此如何有效监测覆冰舞动现象是电网稳定运行亟需解决的难题之一。现阶段的覆冰舞动在线监测系统主要依靠检测线路覆冰时的导线拉力、倾角、图像、微气象等有效参数，并通过有效的数据处理单元作进一步的分析与预警。目前输电线路的覆冰舞动现象已经十分普遍，尤其是在新疆、云南、贵州、广西、湖南、湖北、安徽、重庆等地。输电线路覆冰和积雪会导致其机械和电气性能急剧下降，引起线路导线发生舞动现象，造成杆塔倾斜甚至倒塌、断线以及绝缘子闪络等重大电力事故，给国家电力设施造成严重经济损失，严重影响电力系统的安全稳定运行。
线路覆冰舞动过程是受温度、湿度、冷暖空气对流、强风、微气候等因素决定的综合物理现象。对于架空输电线路力学模型的覆冰舞动监测，传统的人工巡线、观冰站等监测方法效率低且费时费力，而且运维人员的安全系数低。现有的基于拉力和图像的覆冰舞动监测方法往往需要解开绝缘子串，施工复杂，劳动强度大，且存在安全风险。另外现有的覆冰监测系统均采用太阳能供电，覆冰期间监测系统往往供能不足，导致设备无法正常工作，舞动检测仪采用高能电池供电，更换电池困难，存在施工风险，更严重的问题是，摄像机由于采用间隙上电工作模式，摄像机的镜头很容易出现结冰现象，导致没法拍到现场的覆冰舞动情况。从现有的覆冰舞动监测装置运行情况来看，目前测量方式主要包含称重法监测、微波监测、图像监测和光纤光栅监测等。传统方法是通过测量拉力与倾角去获得导线冰荷载，进而计算覆冰质量和估算覆冰厚度，在计算过程中对模型参数的处理，会大大影响结果的精度。视频或图片是覆冰舞动现象监测最直观的手段，辅助图像识别技术，能实现较好的覆冰监测。因此急需开发覆冰舞动综合监测分析装置，解决导线覆冰舞动现象的监测难题，满足特高压输电线路现场运检人员的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种覆冰舞动综合监测系统，实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种覆冰舞动综合监测系统，所述的一种覆冰舞动综合监测系统安装在输电线路导线上；所述的一种覆冰舞动综合监测系统包括：图像采集模块、覆冰图像检测模块、舞动报警模块、覆冰舞动数据联动APP以及在线取能模组；
所述图像采集模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰舞动数据联动APP用于将所述图像采集模块采集的输电线路导线的图片发送至所述覆冰图像检测模块；
所述图像采集模块内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件；所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述温湿度传感器采集的温湿度数据控制所述镜头玻璃加热组件的开启或关闭；
所述覆冰图像检测模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰图像检测模块用于根据输电线路导线的图片确定输电线路导线的覆冰厚度；并将覆冰厚度发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述舞动报警模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述舞动报警模块用于采集输电线路导线的舞动数据，并根据所述舞动数据确定舞动特征量，当舞动特征量超过舞动设定阈值时，触发舞动报警信号；同时将所述舞动特征量发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述在线取能模组与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述在线取能模组用于给所述覆冰舞动数据联动APP提供电能；
所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量进行监测、上传。
可选地，所述覆冰图像检测模块内置AI加速器和视频编解码加速处理器。
可选地，所述所述图像采集模块为摄像头模组；
所述摄像头模组用于根据输电线路导线的图片生成深度信息。
可选地，还包括：通讯模组；
所述通讯模组与所述覆冰舞动数据联动APP连连接；所述通讯模组用于进行所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量的上传。
可选地，所述覆冰舞动数据联动APP通过MQTT业务信息接入物联网管理平台。
可选地，所述一种覆冰舞动综合监测系统为圆柱形。
可选地，所述一种覆冰舞动综合监测系统采用双层结构；
外层满足防电晕等级大于或等于500kV；
内层防护等级满足IP66要求。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种覆冰舞动综合监测系统，模组内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件，可在设定温湿度条件下启动自加热，避免镜头结冰对图像采集的影响；采集输电线路导线的舞动数据，并根据所述舞动数据确定舞动特征量，即实现输电覆冰舞动场景下的监测类传感器的数据联动，为图像识别覆冰舞动提供数据支撑；通过覆冰厚度和舞动强度，解决覆冰厚度和舞动强度测量不准确的难题，当相关数据超过设置阈值后，会自动向用户推送覆冰舞动状态预警信息，实现覆冰舞动的实时监测预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种覆冰舞动综合监测系统结构示意图；
图2为摄像机的成像原理；
图3为舞动特征量计算流程示意图；
图4为覆冰舞动综合监测系统数据流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种覆冰舞动综合监测系统，实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种覆冰舞动综合监测系统结构示意图，图4为覆冰舞动综合监测系统数据流程图，如图1和图4所示，本发明所提供的一种覆冰舞动综合监测系统安装在输电线路导线上；所述的一种覆冰舞动综合监测系统包括：图像采集模块、覆冰图像检测模块、舞动报警模块、覆冰舞动数据联动APP以及在线取能模组；所述在线取能模组采用高效交流感应取电技术供电。
所述图像采集模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰舞动数据联动APP用于将所述图像采集模块采集的输电线路导线的图片发送至所述覆冰图像检测模块；
所述图像采集模块内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件；所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述温湿度传感器采集的温湿度数据控制所述镜头玻璃加热组件的开启或关闭；镜头玻璃加热组件采用高分子有机薄膜加热技术，可根据现场的环境温湿度进行加热防冻操作，保障镜头不覆冰。
所述覆冰图像检测模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰图像检测模块用于根据输电线路导线的图片确定输电线路导线的覆冰厚度；并将覆冰厚度发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述舞动报警模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述舞动报警模块用于采集输电线路导线的舞动数据，并根据所述舞动数据确定舞动特征量，当舞动特征量超过舞动设定阈值时，触发舞动报警信号；同时将所述舞动特征量发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述在线取能模组与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述在线取能模组用于给所述覆冰舞动数据联动APP提供电能；
所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量进行监测、上传。
作为一个具体的实施例，所述舞动报警模块根据结合微气象传感器、杆塔倾斜监测装置、舞动传感器采集输电线路导线的舞动数据。
如图3所示，所述舞动报警模块的工作过程为：
舞动报警模块接收到舞动数据采集指令，便开启数据采集流程，按照时序要求依次读出X、Y、Z轴加速度值和角加速度值。首先利用低通滤波器去除不符合条件的噪声，对采集到的加速度值采用5次均值法的数字滤波技术进行处理；其次对采集到的角加速度值进行数据预处理，将载体坐标系下的加速度值，经过四元素算法转换成地理坐标系下的加速度值，然后利用均值滤波和最小二乘法，经过第一次积分，将加速度值转换为速度值；得到速度值后，再次利用最小二乘法，经过第二次积分，将速度值转换为位移值；最后对采集到的舞动数据经过快速傅里叶变换(FFT)得到舞动特征量，舞动特征量经过频率响应校正后，通过SPI发送到主芯片，当舞动特征量超过舞动设定阈值时，就将触发舞动报警信号。
所述覆冰图像检测模块内置AI加速器和视频编解码加速处理器。即内置AI图像分析能力，对导线覆冰厚度进行分析监测；对通信数据进行加密技术研究，防止数据泄露，满足国家电网对数据传输安全的要求。
所述所述图像采集模块为摄像头模组；
所述摄像头模组用于根据输电线路导线的图片生成深度信息。采用可生成深度信息的摄像头模组进行图像采集，主控模块对图片进行分析计算获得图像深度信息，能有效的去除背景，通过识别算法增加深度信息以准确去除背景，提高测量精度，完成覆冰厚度计算。
针对输电线路导线覆冰图像各种噪声的影响、图像灰度级交错、对比度低的复杂环境情况，进行输电线路覆冰厚度图像识别方法研究，提取覆冰输电线路的边缘，再利用Hough变换直线检测和延长得到覆冰导线边缘，采用所检测的两边缘直线相应位置距离的像素值与实际几何距离的对应关系，求得输电线路导线覆冰厚度。
图像处理的步骤如下。
(1)图像的灰度处理。通过计算R、G、B分量的加权，将RGB值转换为灰度值。保留原图像的亮度，消除色调和色彩饱和度。
(2)对图像进行高斯滤波，通过滑动模板对图像的每个点进行加权平均计算。每个像素值都是经过该点和其他像素值加权平均得到。高斯滤波可以使图像平滑去噪。
(3)通过梯度计算进一步确定图像边缘，可以通过检测图像边缘具有跳跃灰度值的像素，通过一阶偏导数的有限差分来确定梯度的幅值和方向，从而确定图像边缘。
(4)为了更好地区分前景和背景，采用双阈值边缘检测，保留图像前景，尽量去除图像背景。通过人为设置动态双阈值，将输电导线所在的阈值区间设置为高阈值H和低阈值L，进一步确定图像边缘。
(5)通过随机Hough变换对图像边缘进行轮廓线检测。通过获取图像的边缘点，然后进行选取一定数目的随机数。在直角坐标系中任意选取两点，并求得在参数空间的一点P，通过进行累加，取累加数最大的一点，作为检测到的第一条直线。在参数空间中清空第一条直线上的点，重复上述步骤，检测到第二条直线，即为所求的两条直线。
(6)最小二乘拟合就是求解使误差最小的拟合函数。本文通过拟合一条中心像素的直线，将图像划分为上下两部分，然后再分别进行直线拟合，从而求出两条直线方程，获取两条输电导线的边缘。
覆冰厚度计算：
摄像机的成像原理图如图2所示，成像公式为
Rp＝f/(v-f)Ro；
式中：Rp是图像的大小；Ro是输电线的半径。设未覆冰图像的导线直径为X1个像素点，覆冰图像导线直径为X2个像素点，覆冰厚度的表达式为：
D＝(X2–X1)Ro/X1；
向后台发送覆冰舞动监测图像、传感器和状态信息等数据，当相关数据超过设置阈值后，会自动向用户推送覆冰舞动状态预警信息，实现覆冰舞动的实时监测预警，本发明所提供的所述一种覆冰舞动综合监测系统，还包括：通讯模组；
所述通讯模组与所述覆冰舞动数据联动APP连连接；所述通讯模组用于进行所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量的上传。
所述通讯模组为4G/5G通讯模组；
所述覆冰舞动数据联动APP通过MQTT业务信息接入物联网管理平台。实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。符合国家电网相关安全标准等特点。
即基于图像识别的覆冰舞动数据联动技术，覆冰舞动数据联动APP作为边缘物联代理模块，可以接收舞动传感器等传感器数据，综合各类传感器数据，开发基于图像识别的覆冰舞动数据联动APP，大大提高了覆冰舞动监测的精确度。
非覆冰舞动状态下，可作为边缘物联代理装置接收监测类设备数据，实现监测类设备数据、图像数据接入物联网管理平台；覆冰舞动状态下，基于图像识别的覆冰舞动数据联动做成APP放入覆冰舞动综合监测分析装置主板中，经过与监测类设备的数据联动，实现覆冰厚度图像识别、舞动报警功能，最终实现监测类设备数据、图像数据，经过安全接入平台加密接入物联网管理平台，实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。
为了进行防电晕、抗干扰、抗疲劳设计，防护等级达到IP66，实现恶劣环境下的长期监测，所述一种覆冰舞动综合监测系统为圆柱形。
装置安装在导线上，强电磁场对装置数据传输干扰很大，需要对机械结构进行详细设计，除了满足防导线电晕的要求，也要对电磁场进行屏蔽，即为了进行屏蔽电磁场，所述一种覆冰舞动综合监测系统采用双层结构；
外层满足防电晕等级大于或等于500kV；
内层防护等级满足IP66要求。
本发明覆冰舞动综合监测分析装置进行超低功耗设计，满足低碳要求；模组内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件，可在设定温湿度条件下启动自加热，避免镜头结冰对图像采集的影响；内置AI图像分析能力，对导线覆冰舞动进行舞动强度监测和覆冰厚度测量；对通信数据进行加密技术研究，防止数据泄露，满足国家电网对数据传输安全的要求。基于图像识别的覆冰厚度计算算法可以做成APP放入覆冰舞动综合监测分析装置主板中，为更准确测量导线覆冰厚度，采用可生成深度信息的摄像头模组进行图像采集。模组拍摄多张具有位置偏差的图片，传输至主控模块，由主控模块计算获得图像深度信息，能有效的去除背景，完成输电线路导线覆冰厚度计算。覆冰舞动综合监测系统可以作为边缘物联代理模块使用，接收舞动等传感器数据；实现导线覆冰厚度测量、舞动监测预警等功能。
本发明中的软件上基于嵌入式Linux操作系统，整体设计基于轻量化边缘计算框架，研发基于深度学习图像识别的输电线路覆冰厚度识别算法，提供高识别率、低误报率的同时，在模型结构、模型大小深度优化，保证低功耗，采用支持容器的边缘计算框架，与业务系统通过物联网管理平台基于MQTT等物联网协议进行业务上报、远程升级等。图像识别算法模型可在运行过程中积累图像数据不断优化，通过云端服务后台远程在线更新；经过与监测类设备的数据联动，实现覆冰厚度图像识别、舞动报警功能，最终实现监测类设备数据、图像数据，经过安全接入平台加密，通过MQTT业务信息接入物联网管理平台，实现输电线路覆冰舞动现象的实时监测预警。符合国家电网相关安全标准等特点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述的一种覆冰舞动综合监测系统安装在输电线路导线上；所述的一种覆冰舞动综合监测系统包括：图像采集模块、覆冰图像检测模块、舞动报警模块、覆冰舞动数据联动APP以及在线取能模组；
所述图像采集模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰舞动数据联动APP用于将所述图像采集模块采集的输电线路导线的图片发送至所述覆冰图像检测模块；
所述图像采集模块内置温湿度传感器和镜头玻璃加热组件；所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述温湿度传感器采集的温湿度数据控制所述镜头玻璃加热组件的开启或关闭；
所述覆冰图像检测模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述覆冰图像检测模块用于根据输电线路导线的图片确定输电线路导线的覆冰厚度；并将覆冰厚度发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述舞动报警模块与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述舞动报警模块用于采集输电线路导线的舞动数据，并根据所述舞动数据确定舞动特征量，当舞动特征量超过舞动设定阈值时，触发舞动报警信号；同时将所述舞动特征量发送至所述覆冰舞动数据联动APP；
所述在线取能模组与所述覆冰舞动数据联动APP连接；所述在线取能模组用于给所述覆冰舞动数据联动APP提供电能；
所述覆冰舞动数据联动APP还用于根据所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量进行监测、上传。
2.根据权利要求1所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述覆冰图像检测模块内置AI加速器和视频编解码加速处理器。
3.根据权利要求1所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述所述图像采集模块为摄像头模组；
所述摄像头模组用于根据输电线路导线的图片生成深度信息。
4.根据权利要求1所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，还包括：通讯模组；
所述通讯模组与所述覆冰舞动数据联动APP连连接；所述通讯模组用于进行所述输电线路导线的覆冰厚度以及所述舞动特征量的上传。
5.根据权利要求4所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述覆冰舞动数据联动APP通过MQTT业务信息接入物联网管理平台。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述一种覆冰舞动综合监测系统为圆柱形。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种覆冰舞动综合监测系统，其特征在于，所述一种覆冰舞动综合监测系统采用双层结构；
外层满足防电晕等级大于或等于500kV；
内层防护等级满足IP66要求。
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