CN103438819B - 一种变电站管型母线挠度监测方法 - Google Patents

Abstract

一种变电站管型母线挠度监测方法，其技术方案是，所述方法首先在被监测管型母线上选择多个关键点作为监测点并用颜色进行标记，然后利用两台互成角度且经过标定的摄像机实时摄录包括所有监测点的管型母线图像；再由与两摄像机相连的计算机对两摄像机所采集的图像进行处理，提取各监测点的坐标数据并根据这些数据计算管型母线的最大挠度；最后将计算结果与管型母线挠度的限定值进行比较，判断管型母线的挠度是否超标。本发明利用摄像机图像监测点提取技术和三维空间点匹配测量方式来实现对变电站管型母线挠度的实时监测，所用方法简单易行，可实现对管型母线挠度的实时、准确监测，从而保证了电网的安全运行。

Description

一种变电站管型母线挠度监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于摄像机图像关键点提取和三维空间坐标匹配计算的变电站管型母线挠度实时监测方法，属于监测技术领域。

背景技术

变电站管型母线由于跨度较大，自重较重，加上强电场作用与风载振动的影响，运行一段时间后中部容易下沉，形成一定的挠度变形，当这种挠度变形超过规程规定值时，将会威胁电网的安全运行，因此有必要对管型母线的挠度进行实时监测。但由于变电站强电场、强干扰的工作环境，使得管型母线的监测实现面临着诸多难题，到目前为止，针对管型母线的研究多集中于对管母结构抗振性能、试验分析、安装工艺改进等方面，现场缺少一种切实有效地对管型母线进行实时监测的方法，无法保证电网的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种变电站管型母线挠度监测方法，以及时发现事故隐患，保证电网的安全运行。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种变电站管型母线挠度监测方法，所述方法首先在被监测管型母线上选择多个关键点作为监测点并用颜色进行标记，然后利用两台互成角度且经过标定的摄像机实时摄录包括所有监测点的管型母线图像；再由与两摄像机相连的计算机对两摄像机所采集的图像进行处理，提取各监测点的坐标数据并根据这些数据计算管型母线的最大挠度；最后将计算结果与管型母线挠度的限定值进行比较，判断管型母线的挠度是否超标。

上述变电站管型母线挠度监测方法，所述监测点的设置方法如下：

a.取拟监测管型母线的左半段或右半段，并将其等分为m（m≥5）段；

b.将等分点包括管型母线的中点、一个端部支撑点和所取半段管型母线内的所有焊接点作为监测点进行标记，标记的方法是在停电后用红色油漆在监测点上喷涂直径为60mm的实心圆点，这样半段管型母线上便有(m+1+n)个监测点，其中n为半段管型母线上不与等分点重合的焊接点数。

上述变电站管型母线挠度监测方法，摄像机标定的方法如下：

a.调整摄像机位置，使得两台摄像机与管型母线的水平距离相等；调整焦距，使拟监测管型母线段超过3/5以上部分处于摄像机摄录视野之内，其中，必须包含所有监测点和管型母线的一个支撑点；

b.固定摄像机位置，使之不再移动，同时保持摄像机焦距不变，并在外部装设防暴保护罩，以防风雪等外部因素干扰使摄像机移动；

c.在两台摄像机摄录视野的交叉范围内放置标定板，所述标定板为一个长方形板，其表面喷涂黑白相间的正方形色素格；

d. 开启作为上位机计算机

的摄像机标定程序模块，鼠标点取摄像机所摄录标定板图像中黑白色格的交叉点；改变标定板的位置，再次用鼠标点取标定板图像中黑白色格的交叉点，如此反复多次；

e.开启作为上位机计算机的影像捕捉与定位识别程序模块，检验经标定的摄像机能否在标定板处于任意位置时将标定板上的所有黑白色格交叉点自动提取出来，若不能，重复步骤d，直至符合要求；

f.撤除标定板，标定完成。

上述变电站管型母线挠度监测方法，其管型母线挠度的计算与超标判定方法如下：

a.根据管型母线上喷涂的监测点与母线之间色差情况设定灰度阈值；

b.两台摄像机同步抓取管型母线图片，计算机根据灰度差异识别出所有监测点并提取出监测点的三维坐标；

所述坐标系按如下原则建立：坐标系原点位于所监测的半段管型母线所在的固定绝缘子1与地表相交处，竖直方向为Y轴方向，沿管型母线轴线的水平方向为X方向，与XY平面垂直方向为Z轴方向；

c.计算所有监测点与管型母线支撑点之间的距离l _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间x坐标的差值x _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间y坐标的差值y _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间与z坐标的差值z _i ；

d. 取l _i 与x _i 的平方差开根号得到f _1i ；

e. 取z _i 与y _i 的平方和开根号得到f _2i ；

f. 取f _1i 与f _2i 的均值f _ai 为该监测点对应的挠度值；

g. 将所有监测点所对应的挠度值进行对比，取其最大值作为管型母线的最大挠度f _max；

h．取管型母线挠度的限定值f _lim为管型母线外径值d 与0.0045倍跨距L 的均值，即f _lim=(d +0.0045L )/2；

i．将管型母线的最大挠度f _max与限定值f _lim进行对比，若f _max≥f _lim，则判定管型母线挠度超标并发出报警信息，否则判定管型母线挠度不超标。

上述变电站管型母线挠度监测方法，根据得到的所有监测点坐标描画出各监测点，并采用插值方法拟合出对应的管型母线曲线显示在计算机显示屏中，提供观测曲线。

本发明利用摄像机图像监测点提取技术和三维空间点匹配测量方式来实现对变电站管型母线挠度的实时监测，所用方法简单易行，可实现对管型母线挠度的实时、准确监测，从而保证了电网的安全运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明测试方案总体示意图；

图2是管型母线监测点设置示意图；

图3是摄像机标定示意图；

图4是管型母线挠度计算的参数示意图；

图5是管型母线挠度计算和超标判定的逻辑示意图。

图中各标号清单为：1、固定绝缘子，2、管型母线，3、监测点，4、第一摄像机，5、第二摄像机，6、防护罩，7、固定架，8、屏蔽双绞通信线，9、交换机，10、计算机，11、焊缝，12、标定板。

文中与图中所用各符号的意义：x _i 、管型母线上各监测点与端部支撑点x坐标的差值；y _i 、管型母线上各监测点与端部支撑点y坐标的差值；z _i 、管型母线上各监测点与端部支撑点z坐标的差值；l _i 、管型母线上各监测点与端部支撑点的距离；f _1i 、各监测点处所对应的管型母线挠度的第一估算值，等于l _i 与x _i 的平方差开根号；f _2i 、各监测点处所对应的管型母线挠度的第二估算值，等于z _i 与y _i 的平方和开根号；f _ai 、各监测点处所对应的管型母线挠度值，等于f _1i 与f _2i 的均值；f _max、管型母线在所有监测点处的最大挠度值；f _lim、管型母线挠度限定值，即管型母线的超标阈值；d 、管型母线的外径值；L 、管型母线的支撑跨距，即相邻两个用于支撑管型母线的固定绝缘子之间的距离。

具体实施方式

本发明是针对现有技术在管型母线挠度监测方面的不足而专门设计的。

本发明需要解决四个问题：一是通过何种途径来对管型母线的挠度进行监测；二是如何设置管型母线上的监测点以便后期提取计算；三是如何对监测点进行识别和坐标数据提取；四是如何科学有效地根据提取的监测点坐标数据对管型母线的挠度进行计算和超标报警。

参看图1，本发明采用两台内外参数均一致的摄像机结合后台支撑软件来对管型母线挠度进行监测。监测通过以下途径实现：设置互成角度的两台摄像机（第一摄像机4和第二摄像机5），摄像机外部加装防护罩6，并固定在固定架7上，摄像机视角范围包括3/5以上管型母线；管型母线2上设置监测点3，所有监测点3均在两摄像机的视角范围内；两台摄像机采用屏蔽双绞通信线8与交换机9相连，交换机9再通过屏蔽双绞通信线8与计算机10相连；通过对所有监测点3的实时提取、计算，得到管型母线的最大挠度，从而达到对管型母线挠度进行实时监测的目的。

参看图2，本发明通过往管型母线上喷涂一定大小的实心圆点来标注监测点，其中实心圆点的颜色与管型母线的颜色应有较大的色差，以便于后期的识别和提取，例如，可采用红漆进行喷涂。对应的喷涂方法如下：在管型母线2断电后，将拟监测管型母线的左半段或右半段平均分为m（m≥5）段（管型母线中心点至端部支撑点所在区域），并在等分点处用红漆喷涂统一规格的实心圆点3。由于管型母线2在长度上数值较大，现场的一根管型母线往往是将几根较短的母线通过焊接形成一体。考虑到焊接点处的材质和应力残余、应力集中问题可能使管型母线2在该处有一定的凹凸和不平整，因此在管型母线焊接处、焊缝11的中心点亦喷涂上相同规格的实心圆点3，以使监测更加合理、科学。若所监测的半段管型母线中有n个与等分点不重合的焊接点，则最终管型母线上所设置的监测点有(m+1+n)个。

参看图3，监测点3的识别和坐标数据提取通过以下方法实现：首先对两台摄像机进行参数设置及标定，标定操作通过多次提取标定板12上的黑白角点和调整标定板12的位置进行，标定过程中标定板12位于管型母线2附近，其与摄像机的水平距离与管型母线2和摄像机的水平距离相等为宜；标定过程其实是调整内部折算参数的过程，两台完成标定的摄像机同一时刻下图像上对应的同一点可通过程序折算得到该点真实的三维坐标。坐标系原点位于所监测的半段管型母线所在的固定绝缘子1与地表相交处，竖直方向为Y轴方向，沿管型母线轴线的水平方向为X方向，与XY平面垂直方向为Z轴方向，如图4中所示。由于所喷涂的监测点3对应的颜色与管型母线的颜色具有较大的色差，因此转换为灰度图后程序可根据灰度阈值自动对各监测点3进行识别，同时根据内部的折算参数将监测点3的中心坐标折算出来，灰度阈值可通过驱动程序进行人为设置与修改。得到各监测点三维坐标后，对管型母线各监测点处的挠度进行计算，计算方法见下文第四个问题对应的解决方案。

参看图4与图5，本发明综合考虑水平方向挠度（风载、振动等因素引起）与竖直方向挠度（自重、振动等因素引起），在提取得到各监测点坐标后，本发明采用以下方法进行挠度计算：

1）计算所有监测点与管型母线支撑点之间的距离l _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间x坐标的差值x _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间y坐标的差值y _i 、所有监测点与管型母线支撑点之间与z坐标的差值z _i ；

2）取l _i 与x _i 的平方差开根号得到f _1i ；

3）取z _i 与y _i 的平方和开根号得到f _2i ；

4）取f _1i 与f _2i 的均值f _ai 为该监测点对应的挠度值；

5）将所有监测点所对应的挠度值进行对比，取其最大值作为管型母线的最大挠度f _max；

6）取管型母线挠度的限定值为管型母线外径值与0.0045倍跨距的均值，即f _lim=(d +0.0045L )/2；

7）将管型母线的最大挠度f _max与限定值f _lim进行对比，若f _max≥f _lim，则判定管型母线挠度超标，程序报警，弹出警示对话框，并显示挠度超标数值，挠度的最大值、最大值对应的监测点编号等相关信息，否则判定管型母线挠度不超标，程序不报警。

其中步骤4）操作是为了减小摄像机标定等操作所带来的误差。

管型母线挠度图像的实时摄录与抓拍方案如下：

a.两台摄像机对管型母线进行实时、同步摄录，同步调整标准为同一时刻两台摄像机摄录界面上所自动显示的分、秒、时均完全相同；

b. 根据变电站所在地气候情况，在每天上午、下午、夜间各设定一时刻（一般选择风载较大的时刻）作为采样时刻；

c．两台摄像机每间隔一定的时间进行一次同步抓拍，间隔时间可人为设置、修改；若抓拍时刻为采样时刻，或者分析程序计算得到的管型母线2的最大挠度超过管型母线2的外径值d 与0.0045倍跨距L 的均值，即f _max≥(d +0.0045L )/2，则将所抓拍的两张图像存储到指定的目录文件夹，并将管型母线挠度的最大值、最大值对应的监测点编号，以及时间等相关信息进行保存，否则不对图像及挠度等信息进行保存；信息保存的一个对应的实例为：

1）两台摄像机4、5每隔30秒钟进行一次同步抓拍，抓拍图像以所抓拍时刻的时间加上“left”、“right”进行命名，存至计算机10指定的缓存目录中，并由后台程序针对所抓拍的两张图像进行所有监测点的提取和空间坐标点匹配计算，得到管型母线挠度的最大值f _max；

2）若管型母线2的挠度最大值超过设定的规程值，则程序报警，弹出警示对话框，并显示挠度超标数值，挠度最大值、对应的监测点编号，以及时间等相关信息存储至单独的Excel表格1中，并作为历史数据长期保存；另外，将抓拍的两张图像存储至预先指定的目录1文件夹下，存储完毕后删除缓存中存储的两张抓拍图像；

3）若管型母线2的挠度最大值未超过设定的规程值，则先判定所处的抓拍时刻是否为采样时刻，若为采样时刻，则将将抓拍的图像存储至指定的目录2文件夹下，同时将这些时刻中所对应的管型母线最大挠度值、对应的监测点编号，以及时间等相关信息写入Excel表格2，形成历史数据记录，若不是采样时刻，则直接删除缓存图像进行计时并准备下一次抓拍。

4）目录1文件夹下所存储的图像数据存档期为10年，10年后提示运行人员到期的图像，运行人员可根据需要选择导出或是删除操作，若3小时内运行人员无操作，则自动对到期图像进行删除操作；目录2文件夹所存储的图像数据存档期为6个月，6个月后新存入图像时，自动对超过存档期的图像按时间顺序进行删除；所存储的Excel表格1其数据长期保存；Excel表格2其数据存档期为10年，10年后提示运行人员到期的图像，运行人员可根据需要选择导出或是删除操作，若3小时内运行人员无操作，则自动进行删除操作。

d.监测程序有除自动监测运行模式外，还有手动运行模式，运行人员可根据需要进行切换，并在手动模式下设定时间对管型母线进行定期录像、任意时段任意时间长度录像、手动截图及挠度分析等操作。

Claims (2)

1.一种变电站管型母线挠度监测方法，其特征是，所述方法首先在被监测管型母线上选择多个关键点作为监测点并用颜色进行标记，然后利用两台互成角度且经过标定的摄像机实时摄录包括所有监测点的管型母线图像；再由与两摄像机相连的计算机对两摄像机所采集的图像进行处理，提取各监测点的坐标数据并根据这些数据计算管型母线的最大挠度；最后将计算结果与管型母线挠度的限定值进行比较，判断管型母线的挠度是否超标；

所述监测点的设置方法如下：

a.取拟监测管型母线的左半段或右半段，并将其等分为m段，m≥5；

b.将等分点包括管型母线的中点、一个端部支撑点和所取半段管型母线内的所有焊接点作为监测点进行标记，标记的方法是在停电后用红色油漆在监测点上喷涂直径为60mm的实心圆点，这样半段管型母线上便有(m+1+n)个监测点，其中n为半段管型母线上不与等分点重合的焊接点数；

摄像机标定的方法如下：

①.调整摄像机位置，使得两台摄像机与管型母线的水平距离相等；调整焦距，使拟监测管型母线段超过3/5以上部分处于摄像机摄录视野之内，其中，必须包含所有监测点和管型母线的一个支撑点；

②.固定摄像机位置，使之不再移动，同时保持摄像机焦距不变，并在外部装设防暴保护罩；

③.在两台摄像机摄录视野的交叉范围内放置标定板，所述标定板为一个长方形板，其表面喷涂黑白相间的正方形色素格；

④.开启作为上位机的计算机摄像机标定程序模块，鼠标点取摄像机所摄录标定板图像中黑白色格的交叉点；改变标定板的位置，再次用鼠标点取标定板图像中黑白色格的交叉点，如此反复多次；

⑤.开启作为上位机的计算机影像捕捉与定位识别程序模块，检验经标定 的摄像机能否在标定板处于任意位置时将标定板上的所有黑白色格交叉点自动提取出来，若不能，重复步骤d，直至符合要求；

⑥.撤除标定板，标定完成；

所述管型母线挠度的计算与超标判定方法如下：

⑴.根据管型母线上喷涂的监测点与母线之间色差情况设定灰度阈值；

⑵.两台摄像机同步抓取管型母线图片，计算机根据灰度差异识别出所有监测点并提取出监测点的三维坐标；

所述坐标系按如下原则建立：坐标系原点位于所监测的半段管型母线所在的固定绝缘子（1）与地表相交处，竖直方向为Y轴方向，沿管型母线轴线的水平方向为X方向，与XY平面垂直方向为Z轴方向；

⑶.计算所有监测点与管型母线支撑点之间的距离l_i、所有监测点与管型母线支撑点之间x坐标的差值x_i、所有监测点与管型母线支撑点之间y坐标的差值y_i、所有监测点与管型母线支撑点之间与z坐标的差值z_i；

⑷.取l_i与x_i的平方差开根号得到f_1i；

⑸.取z_i与y_i的平方和开根号得到f_2i；

⑹.取f_1i与f_2i的均值f_ai为该监测点对应的挠度值；

⑺.将所有监测点所对应的挠度值进行对比，取其最大值作为管型母线的最大挠度f_max；

⑻.取管型母线挠度的限定值f_lim为管型母线外径值d与0.0045倍跨距L的均值，即f_lim＝(d+0.0045L)/2；

⑼.将管型母线的最大挠度f_max与限定值f_lim进行对比，若f_max≥f_lim，则判定管型母线挠度超标并发出报警信息，否则判定管型母线挠度不超标。

2.根据权利要求1所述的一种变电站管型母线挠度监测方法，其特征是，根据得到的所有监测点坐标描画出各监测点，并采用插值方法拟合出对应的管型母线曲线显示在计算机显示屏中，提供观测曲线。