CN111024041A - 一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置及测量方法，测量装置包括：视频在线监测装置和图像处理与识别单元；视频在线监测装置设置于杆塔的底部，视频在线监测装置的摄像头方向为斜向上方向，采集绝缘子串在线运行时的视频图像发送给图像处理与识别单元；图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。通过可见光摄像机采集绝缘子串在线运行时的视频图像，采用非接触式可见光图像处理技术自动监测绝缘子串摆动，经图像处理算法分析处理，计算并判断绝缘子串摆动的频率、方向和幅度，以及应力情况，对隐患进行提前预警，提升线路在线监测水平，保障电网安全稳定运行。

Description

一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及输电线路安全技术领域，尤其涉及一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置及测量方法。
背景技术
大风对于绝缘子串，特别是大吨位的绝缘子串产生的风偏和振动，会对杆塔本身产生强大的应力变化。绝缘子串是线路传输的重要组成设备，起着悬挂、支撑导线和绝缘的作用，国内10～750kV不同电压等级输电线路绝缘子串在结构、制造水平、运行条件、使用数量等方面存在较大差异，近年来有关绝缘子串发生闪络、损坏事故也日趋增多，这些事故主要表现为闪络、机械强度下降、掉串、击穿、脆断、劣化及外力破坏等方面。
风偏引起的不规则摆动对绝缘子串运行寿命影响不可忽略，特别是风沙较大的地区，输电线路绝缘子串风偏导致相地绝缘间隙小于工频电压下的最小间隙距离，闪络放电导致绝缘子串局部表面电蚀痕或内部烧伤，使得绝缘子串的绝缘性能和机械性能下降，对高压传输线路安全稳定运行及设施寿命影响较大。对于大风地区，当风速大于一定级别且较为稳定时，线路的绝缘子串会发生剧烈摆动，当摆动幅度和频率累积到一定程度且持续时间较长时，绝缘子串内部结构出现损伤而导致断裂，同时金具连接部位长期摩擦导致损伤或脱落，导致绝缘子串掉串或导线脱离绝缘子串，引发停电或人身伤亡等重大事故，对电网的安全运行构成严重威胁。
因此，正确识别摆动幅值和频率，分析应力变化，评估绝缘子串寿命，对保障绝缘子串安全运行和检修具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置及测量方法，解决现有技术中不能实时识别绝缘子串摆动幅值和频率的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置，包括：视频在线监测装置和图像处理与识别单元；视频在线监测装置设置于杆塔的底部，视频在线监测装置的摄像头方向为斜向上方向，采集绝缘子串在线运行时的视频图像发送给图像处理与识别单元；图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
一种上述测量装置的测量方法，包括：
步骤1，所述视频在线监测装置采集所述绝缘子串在线运行时的视频图像发送给所述图像处理与识别单元；
步骤2，所述图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
本发明的有益效果是：通过可见光摄像机采集绝缘子串在线运行时的视频图像，采用非接触式可见光图像处理技术自动监测绝缘子串摆动，经图像处理算法分析处理，计算并判断绝缘子串摆动的频率、方向和幅度，以及应力情况，对隐患进行提前预警，提升线路在线监测水平，保障电网安全稳定运行。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述图像处理与识别单元测量计算所述绝缘子串在空间的位移的过程包括：
设置所述视频图像中的参照距离，通过建立像素点与所述参照距离之间的关系计算空间的距离，根据所述空间的距离测量计算所述绝缘子串在空间的位移。
进一步，所述设置的参照距离为所述绝缘子串的串长，所述像素点为导线间隔棒。
进一步，所述测量装置还包括无线通信模块和供电模块；
所述供电模块以太阳能或储蓄能的方式为所述测量装置提供电能；
各个所述测量装置测量计算得到所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息后，通过所述无线通信模块发送给外部的中心处理***；
所述中心处理***根据所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定所述绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在所述绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
光学镜头将可见光聚焦在可见光图像传感器CMOS，可见光通道经CMOS驱动与数据采集后经处理电路，由DSP进行图像处理，得到处理数据后。再由通讯接口电路发送给后台中心处理***。
进一步，所述步骤2计算所述绝缘子串在空间的位移的过程包括：
步骤201，测量视频拍摄点到导线间隔棒距离10m时导线间隔棒在视频中的像素点位置S0；
步骤202，计算所述绝缘子串在垂直于地面状态时与所述视频监测点的距离
Figure BDA0002301513670000031
其中，S测AD表示所述绝缘子串在垂直于地面状态时所述导线间隔棒在视频中的像素点位置；
步骤203，计算所述绝缘子串在风偏运动至最远端状态时与所述视频监测点的距离
Figure BDA0002301513670000032
其中，S测AC表示所述绝缘子串在风偏运动至最远端状态时所述导线间隔棒在视频中的像素点位置；
步骤204，计算所述绝缘子串的风偏角：
Figure BDA0002301513670000041
其中，lBE表示横担端点到杆塔最高点的距离，lAB表示横担端点到所述视频在线监测装置的距离，
Figure BDA0002301513670000042
lAE表示杆塔最高点到所述视频在线监测装置的距离，lBC表示所述绝缘子串的串长。
进一步，所述步骤201-203中确定导线间隔棒在视频中的像素点位置的过程包括：
设定所述导线间隔棒的RGB表示的颜色范围，图像处理与识别过程中通过设定的颜色范围识别所述导线间隔棒。
进一步，所述步骤4之后还包括：
步骤5，根据所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定所述绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在所述绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：安装与维护方便，且远离强电场区域；由于本装置安装在杆塔塔身上，远离强电场区域，便于安装和维护，装置的通信受放电的干扰小，有利于降低通信模块的功率。取能方式多样，供电可靠性高；由于装置安装与杆塔塔身上，取能和储能安装的空间大且安装牢固，可以避免输电线路导线运行对装置体积和重量的限制，还可避免导线的振动对装置运行可靠性的影响。获取绝缘子的风偏、舞动等多维信息；通过获取导线和绝缘子在空间的位移和时间信息，可以获得绝缘子的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率等信息，为绝缘子在大风或微风下的故障或损坏机理的分析提供依据。减少数据的传输量；由于装置对绝缘子风偏摆动的视频信息进行处理，提取有用的特征信息，图像识别采用RGB三维颜色梯度计算，减少图像识别耗费的内存和计算时间，避免了海量的视频信息的传输，一方面减少了通信的流量费用，另一方面降低了通信模块的功耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种视频在线监测装置的实施例的安装示意图；
图2为本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置的实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的一种图像处理与识别单元的实施例的电路原理图；
图4为本发明提供的一种图像处理与识别单元的处理器的实施例的电路原理图；
图5为本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置确定绝缘子串在空间的位移的实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置，测量装置包括：视频在线监测装置和图像处理与识别单元。如图1所示为本发明提供的一种视频在线监测装置的实施例的安装示意图。
由图1可知，视频在线监测装置设置于杆塔的底部，视频在线监测装置的摄像头方向为斜向上方向，使绝缘子串运动时处于摄像范围内，采集绝缘子串在线运行时的视频图像发送给图像处理与识别单元。
图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置，通过可见光摄像机采集绝缘子串在线运行时的视频图像，采用非接触式可见光图像处理技术自动监测绝缘子串摆动，经图像处理算法分析处理，计算并判断绝缘子串摆动的频率、方向和幅度，以及应力情况，对隐患进行提前预警，提升线路在线监测水平，保障电网安全稳定运行。此装置也可推广应用于输电线路杆塔、导地线的覆冰舞动的振动特性的测量。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置的实施例，如图2为本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置的实施例的结构示意图，由图2可知，该测量装置包括：视频在线监测装置和图像处理与识别单元。视频在线监测装置设置于杆塔的底部，视频在线监测装置的摄像头方向为斜向上方向，具体的，该摄像头方向可以为与水平线夹角为45°的方向，使绝缘子串运动时处于摄像范围内。采集绝缘子串在线运行时的视频图像发送给图像处理与识别单元。
图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
图像处理与识别单元测量计算绝缘子串在空间的位移的过程包括：
设置视频图像中的参照距离，通过建立像素点与参照距离之间的关系计算空间的距离，根据空间的距离测量计算绝缘子串在空间的位移。该设置的参照距离为绝缘子串的串长，像素点为导线间隔棒。
用数字图像处理技术可以实现对拍摄***高精度的标定和误差修正，在实际测量中往往只需要测定一个或两个方向上的变形量，光学***采用方块式标准件标定法：即把标准件的精确尺寸与标准件CCD图像的像素坐标进行对应，计算出标定矩阵参数。
优选的，测量装置还包括无线通信模块和供电模块。
供电模块以太阳能或储蓄能的方式为测量装置提供电能。
各个测量装置测量计算得到绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息后，通过无线通信模块发送给外部的中心处理***。
中心处理***根据绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
光学镜头将可见光聚焦在可见光图像传感器CMOS，可见光通道经CMOS驱动与数据采集后经处理电路，由DSP进行图像处理，得到处理数据后。再由通讯接口电路发送给后台中心处理***。
如图3为本发明提供的一种图像处理与识别单元的实施例的电路原理图，根据***对信号处理的要求，电路需要实现可见光图像传感器的驱动及信号预处理，图像数据的实时处理，采用大规模现场可编程逻辑阵列FPGA，***采用SRAM缓存，大规模现场可编程逻辑阵列，其内部逻辑单元、IO口数目、RAM容量均满足要求，外接两片SRAM，用于图像暂存。
图4为本发明提供的一种图像处理与识别单元的处理器的实施例的电路原理图，FPGA内部由RAW/RGB888、时钟与复位模块、SDRAM控制器、FIFO1、FIFO2、VGA驱动。时钟与复位模块用来提供不同时钟信号及个模块的复位信号，输入时钟为50MHz晶振时钟和CMOS图像传感器时钟，输出时钟为其他模块工作时钟，包括100MHz时钟、25MHz时钟、I2C接口时钟等。其中RAW/RGB888模块完成图像格式转换，实现Bayer阵列格式转换为RGB888格式，将图像处理为每个像素得到RGB三个信号分量的总位宽为24位。FIFO1实现RAW/RGB888控制器之间的数据转发，FIFO2实现SDRAM控制器与VGA驱动模块之前的数据转发。VGA驱动模块用于输出VGA视频图像阵列信息显示信号，VGA接口包括5个信号：视频场信号、视频行同步信号、R信号、G信号、B信号，其驱动基准时钟为25.175MHz。
实施例2
本发明提供的实施例2为本发明提供一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置的测量方法的实施例，如图5所示为本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置确定绝缘子串在空间的位移的实施例的示意图，由图5可知，该测量方法基于本发明实施例提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置。
步骤1，视频在线监测装置采集绝缘子串在线运行时的视频图像发送给图像处理与识别单元。
步骤2，图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
进一步的，该步骤2计算绝缘子串在空间的位移的过程包括：
步骤201，测量视频拍摄点到导线间隔棒距离10m时导线间隔棒在视频中的像素点位置S0。
步骤202，计算绝缘子串在垂直于地面状态时与视频监测点的距离
Figure BDA0002301513670000081
其中，S测AD表示绝缘子串在垂直于地面状态时导线间隔棒在视频中的像素点位置。
步骤203，计算绝缘子串在风偏运动至最远端状态时与视频监测点的距离
Figure BDA0002301513670000082
其中，S测AC表示绝缘子串在风偏运动至最远端状态时导线间隔棒在视频中的像素点位置。
步骤204，计算绝缘子串的风偏角：
Figure BDA0002301513670000083
其中，lBE表示横担端点到杆塔最高点的距离，lAB表示横担端点到视频在线监测装置的距离，
Figure BDA0002301513670000084
lAE表示杆塔最高点到视频在线监测装置的距离，lBC表示绝缘子串的串长。
优选的，步骤201-203中确定导线间隔棒在视频中的像素点位置的过程包括：
设定导线间隔棒的RGB(红绿蓝)表示的颜色范围，图像处理与识别过程中通过设定的颜色范围识别导线间隔棒。
优选的，步骤4之后还包括：
步骤5，根据绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
本发明提供的一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置的测量方法，安装与维护方便，且远离强电场区域；由于本装置安装在杆塔塔身上，远离强电场区域，便于安装和维护，装置的通信受放电的干扰小，有利于降低通信模块的功率。取能方式多样，供电可靠性高；由于装置安装与杆塔塔身上，取能和储能安装的空间大且安装牢固，可以避免输电线路导线运行对装置体积和重量的限制，还可避免导线的振动对装置运行可靠性的影响。获取绝缘子的风偏、舞动等多维信息；通过获取导线和绝缘子在空间的位移和时间信息，可以获得绝缘子的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率等信息，为绝缘子在大风或微风下的故障或损坏机理的分析提供依据。减少数据的传输量；由于装置对绝缘子风偏摆动的视频信息进行处理，提取有用的特征信息，图像识别采用RGB三维颜色梯度计算，减少图像识别耗费的内存和计算时间，避免了海量的视频信息的传输，一方面减少了通信的流量费用，另一方面降低了通信模块的功耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种输电线路绝缘子串风偏运动姿态测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：视频在线监测装置和图像处理与识别单元；
所述视频在线监测装置设置于杆塔的底部，所述视频在线监测装置的摄像头方向为斜向上方向，采集所述绝缘子串在线运行时的视频图像发送给所述图像处理与识别单元；
所述图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述图像处理与识别单元测量计算所述绝缘子串在空间的位移的过程包括：
设置所述视频图像中的参照距离，通过建立像素点与所述参照距离之间的关系计算空间的距离，根据所述空间的距离测量计算所述绝缘子串在空间的位移。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述设置的参照距离为所述绝缘子串的串长，所述像素点为导线间隔棒。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括无线通信模块和供电模块；
所述供电模块以太阳能或储蓄能的方式为所述测量装置提供电能；
各个所述测量装置测量计算得到所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息后，通过所述无线通信模块发送给外部的中心处理***；
所述中心处理***根据所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定所述绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在所述绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
光学镜头将可见光聚焦在可见光图像传感器CMOS，可见光通道经CMOS驱动与数据采集后经处理电路，由DSP进行图像处理，得到处理数据后。再由通讯接口电路发送给后台中心处理***。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，所述视频在线监测装置采集所述绝缘子串在线运行时的视频图像发送给所述图像处理与识别单元；
步骤2，所述图像处理与识别单元基于高速视觉动态测量计算所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤2计算所述绝缘子串在空间的位移的过程包括：
步骤201，测量视频拍摄点到导线间隔棒距离10m时导线间隔棒在视频中的像素点位置S0；
步骤202，计算所述绝缘子串在垂直于地面状态时与所述视频监测点的距离
Figure FDA0002301513660000021
其中，S测AD表示所述绝缘子串在垂直于地面状态时所述导线间隔棒在视频中的像素点位置；
步骤203，计算所述绝缘子串在风偏运动至最远端状态时与所述视频监测点的距离
Figure FDA0002301513660000022
其中，S测AC表示所述绝缘子串在风偏运动至最远端状态时所述导线间隔棒在视频中的像素点位置；
步骤204，计算所述绝缘子串的风偏角：
Figure FDA0002301513660000023
其中，lBE表示横担端点到杆塔最高点的距离，lAB表示横担端点到所述视频在线监测装置的距离，
Figure FDA0002301513660000024
lAE表示杆塔最高点到所述视频在线监测装置的距离，lBC表示所述绝缘子串的串长。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤201-步骤203中确定导线间隔棒在视频中的像素点位置的过程包括：
设定所述导线间隔棒的RGB表示的颜色范围，图像处理与识别过程中通过设定的颜色范围识别所述导线间隔棒。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4之后还包括：
步骤5，根据所述绝缘子串在空间的位移及对应的时间信息确定所述绝缘子串的最大摆幅、水平和垂直位移以及振动的频率，在所述绝缘子串风偏运动超过设定范围时发出预警信息。
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