输电线路交叉跨越距离在线监测系统设计

张广新 穆景龙 马晖 张海

关键词： 输电线路; 交跨距离; 在线监测; 图像处理; 上位机; 系统设计

中图分类号： TN931+.3?34; TM726.3               文献标识码： A                文章编号： 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

随着我国城市化进程的大跨步迈进，各种大容量、超高压、长距离输电线路铺设越来越多，如今现有的输电走廊资源变得日趋紧张，使得输电线路交叉跨越现象越来越普遍[1?2]。由于在规划和建设电网输电线路交跨距离时，测量结果不准确而引发的放电事故也时有发生，给人们的生命和财产安全带来了极大威胁。这使人们充分认识到依靠原有的人工维修保养来进行长距离交叉跨越输电线路的监测和维修已经不能完全保证供电安全[3]。需要设计一种监测系统对长距离交叉跨越输电线路进行实时监测，并在发现问题后及时预警报修。

文献[4]提出并设计了一种基于5.8 GHz光纤融合通信的电网输电线路交跨距离监测系统，在5.8 GHz光纤融合通信模式基础上设计了输电线路交叉跨越距离在线监测系统及其具体工作流程。该系统得到的监测结果与现场测量结果偏差较大，可靠性不高。鉴于此，研究利用机器视觉软件和图像处理算法实现了输电线路交跨距离在线监测系统设计。

1  输电线路交叉跨越距离在线监测系统设计实现

1.1  系统总体架构设计框图

研究设计的系统主要包括监测器和运动机构两大部分，同时要在监测系统视场范围内的交叉跨越輸电线路等间距设置与背景颜色差异较大的5个特征标记点[5]。其中，系统监测器能够实现电压级不同的交叉跨越距离输电线路的在线监测，主要由输电线路图像采集模块、图像处理模块、系统通信模块、电源模块和远程监测模块五个部分构成。系统运动机构能够以滚动的方式实现对交叉跨越长距离输电线路的位置调整、位置固定以及线路回收，便于巡检工作人员的日常维修和保养[6]。系统运动机构的设计采用现在广泛应用的输电线路巡检机器人的简易抓线运动机构，能够实现机器人抓线远程操控。通常情况下，监测系统安装在电网输电线路交叉跨越位置垂直正上方的固定输电线路上[7]。输电线路交叉跨越距离在线监测系统设计的总体架构如图1所示。

1.2  输电线路交叉跨越距离在线监测系统硬件设计

系统监测器硬件部分的工作原理主要是通过利用PCI总线控制电网输电线路图像的采集，将采集的输电线路图像存储到图像处理模块中。经过机器视觉软件以及一系列图像处理算法，将图像处理结果打包、存储生成预警数据。一方面将生成的预警数据发送给系统前端蜂鸣装置进行蜂鸣报警;另外一方面则由监测器通信模块发送给远程监测模块，供输电线路巡检工作人员的浏览和分析，实现系统硬件设计[8]。

1） 系统监测器图像采集模块又包括输电线路图像传感器单元和图像采集单元。输电线路图像传感器单元选取现如今广泛应用的CCD传感器，用其将输电线路图像数据转化为数字数据。另外，选取的CCD传感器的镜头为定长焦距镜头，能够获得长距离高清晰输电线路图像。输电线路图像采集单元选取能够实现输电线路信号的数字化转化、抗混叠滤波，以及场同步信号提取的SAA71xx系列专用芯片。对于输电线路图像压缩部分，则由DSP处理器依据JPEG标准对采集获得的输电线路图像进行压缩处理。该方法具有压缩比较大、失真率较低、便于实现的优点。另外，如果要对输电线路图像进行夜间采集，则另外需要红外技术的辅助。

2） 系统图像处理模块设计。采用一个ARM处理器、一个DSP处理器和一个VPSS处理器的双核处理器作为系统图像处理模块的主处理器，具有较好的资源分配性能，且有利于提高输电线路图像处理效率。

3） 系统太阳能供电模块。采用具有高稳定性、高效率，耐老化性、阻水性、免维护以及较强抗干扰性能的光伏供电方式，由太阳能电池板、太阳能蓄电池以及电能管理单元三部分构成。整个太阳能供电模块采用全封闭式设计，同时具有电能使用状态显示功能。

1.3  系统上位机设计

输电线路交叉跨越距离在线监测系统软件部分包括输电线路交叉跨越距离终端监测上位机和输电线路交叉跨越距离计算与分析上位机两部分[9]。其中，前者是整个监测系统软件部分的核心，部署于整个系统的监控中心总服务器上，负责输电线路图像数据的统计、分析以及状态显示;后者则包含了输电线路交叉跨越距离从规划到铺设，再到检修保养过程中经常用到的计算以及分析功能[10]。

系统终端监测上位机作为系统软件部分的核心，主要用于实现电能输送线路交跨距离测量数据的接收、分析、计算、存储等，输电线路倾角监测子系统主要用于上位机与系统远程监测模块的接口连接、通信，包括电能输送线路交跨距离测量数据采集、时间校准、阈值更新等;预警子系统主要用于输电线路交叉跨越距离实际测量值与国家标准监测值的比较，判断规划建设的历史电能输送线路交跨距离是否危险发出预警;预警信息收发系统则根据预警子系统的监测判断结果，将预警消息发送给输电线路巡检管理工作人员;专家决策系统通过对输电线路交叉跨越距离历史监测数据的统计分析，对其未来趋势进行预测。

2  系统性能测试与结果分析

根据上述理论分析，设计并构建电能输送线路交跨距离监测系统数据库，实现输电线路交叉跨越距离测量数据批量导入功能，模拟生成测量区域三维立体输电线路。将研究设计系统安装在模拟输电线路上，对测量区域三维立体电能输送线路交跨距离进行在线监测考察，考察结果如表1所示。

将图2和图3的监测结果与某设计院出具的某线路某区段的应力弧垂曲线进行对比分析，结果如图4所示。

根据图2～图4可以看出，在该区域最高温度为41 ℃，输电线路监测档距为419.2 m时，输电线路弧垂为13.36 m，将其进行换算，得到该区域温度为30 ℃时输电线路实测弧垂为12.36 m。已知待测量区域输电线路导线档距上限为165.4 m，采用基于机器视觉的输电线路交叉跨越距离在线监测系统监测得到的输电线路档距为412.38 m，该区域温度为30 ℃时的导线弧垂为12.24 m。根据计算可知，待测量区域输电线路导线实测弧垂与监测弧垂之间的差值为12.36-12.24=0.12 m。

3  结  论

研究借鉴近年来电网企业开展输电线路交叉跨越距离实际测量经验，利用机器视觉软件和图像处理算法进行输电线路交跨距离在线监测系统设计。通过模拟工程实例分析，证明了该系统得到的输电能输送线路交跨距离监测结果与现场实测结果相差很小，测量结果准确率较高，能够为测量区域输电线路的安全运行、管理及维护提供技术支撑。

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