输电线路覆冰导线图像处理及边缘检测

输电线路覆冰导线图像处理及边缘检测

黎彬楷

广西博阳电力勘察设计有限公司 广西南宁市530000

摘要：当前，我国经济飞速发展，电力输电工程建设水平不断提高。输电线路覆冰事故的损坏程度主要与覆冰厚度有关。如果输电线路的覆冰厚度超过了线路设计的上限值，很有可能发生线路断股、杆塔变形、绝缘子断裂、金具损坏等机械性损坏，很有可能会引发闪络、断线等电气事故，造成大面积停电，甚至出现电网崩溃的局面，造成难以估量的损失。因此对输电线路覆冰厚度的研究十分必要。

关键词：输电线路；覆冰导线；图像处理；边缘检测

引言

在覆冰导线厚度识别过程中，考虑到镜头易模糊、难以从周围环境中分离出目标物体、线路档距大不易拍到覆冰严重区域等问题，本研究提出一种基于图像处理技术并利用相机光学成像原理的线路覆冰厚度测量方法。将目标图像经过图像灰度化、滤波去噪、直方图均衡化增强图像等图像预处理，通过对比经典算法边缘检测法与阈值分割边缘图像。

1图像处理

1.1滤波法去噪

图像滤波可以分为频域滤波和空域滤波两种，频域滤波是将原始灰度化图像进行数学函数变换，调整变换后的系数，再逆变回去从而达到去噪的效果；空域滤波是通过直接处理像素点灰度值实现图像除噪，常用方法有均值滤波法、中值滤波法。

1.2直方图均衡化增强图像

覆冰线路所处环境复杂，自然光照强度的变化会削弱覆冰线路边缘与周围环境的对比度，对后期图像边缘检测工作增加难度。因此，图像增强不仅能使图像中的覆冰线路更有辨识度，而且对后续覆冰线路边缘特征提取起着重要作用。直方图均衡化法是增强图像最常用、有效的方法。通过图像的灰度直方图确定一条映射曲线，让图像上任一像素点的灰度值使用这条曲线进行变换，按照几种集中值均匀分布在整个灰度域中，增大整幅图像像素灰度值的动态范围，使像素灰度值变化率增大，从而增强图像的对比度。

2输电线路覆冰导线边缘检测

2.1基于导线动态张力的覆冰质量计算方法

近年来，覆冰灾害事故在我国时有发生，给电网和国民经济带来的损失不可估量，针对电网冰灾防治的研究已开展多年，极大的改善了电网对于冰灾事故的抵御能力，但电网冰灾防治从未在根本上得到解决，重要原因之一便是无法准确监测导线覆冰。现在，较为精准的输电线路覆冰监测方法主要以力学模型监测为主，视频图像监测为辅。覆冰形状、覆冰厚度以及瞬时风参数都能显著改变导线气动阻力系数。自然条件下，导线覆冰一般都是不规则形状，覆冰导线气动阻力系数难以使用仿真以及风洞试验计算，因此须先确定不同覆冰情况下风荷载与瞬时风速关系。大风往往伴随着覆冰增长，输电线路一般处于拉紧状态，少量覆冰质量增长就会引起覆冰导线端部张力较大增加，因此自然状态下针对覆冰导线瞬时风荷载的研究须截取合适时间段Δt，认定Δt内，覆冰质量增长可以忽略，覆冰导线端部张力变化只与风荷载有关。时间段Δt可以根据历史气象、统计覆冰数据确定。在无风或软风条件（有效瞬时风速<临界风速）时，覆冰导线可以认为是静态的，将覆冰前后导线低挂点张力及温差带入式（4）便可以计算出导线覆冰质量，临界风速可以根据历史气象数据及张力数据确定。

2.2输电导线高频临界融冰

覆冰严重威胁电力系统安全运行，使输电线路荷重增大，易造成导线舞动形成风振，引发绝缘子闪烁、断线、垮塔倒架等事故，造成巨大的社会经济损失。目前，输电线路融冰主要采用的工频交流、直流短路融冰技术虽能在一定范围内实现有效除冰，然而在融冰过程中线路需要停运，且此方法仅利用电流流经导线所产生的焦耳热，效率较低。导线临界融冰过程实质上是热量交换的过程，主要散热形式有对流散热、蒸发散热、传导散热；主要发热形式为当导线通以高频电流时，覆冰极化后有损电介质热和电流集肤效应焦耳热；其次还有导线上水滴温度变化、水滴凝固、水滴与空气的摩擦热。当产热之和与冰层外表面热损失之和相等，且冰层内表面温度为0℃时，即为临界融冰状态，导线中通过的电流为高频融冰临界电流。高频临界融冰电流、融冰时间随环境温度的升高而减小；融冰时间随覆冰厚度的增大而呈线性增加，但覆冰厚度对临界电流影响较小；融冰电流及融冰时间受风速影响较大，当风速大于7m/s时，临界融冰电流增大趋势变大，当风速大于6m/s时，融冰时间增加趋势变大。因此准确预测气候环境变化，选择适当时机开展融冰，可有效减小融冰电流，缩短融冰时间，提高融冰效果，对于指导实际融冰工程具有重要意义。

2.3吸能超双疏防覆冰涂层

吸能超双疏防覆冰涂层具有减少覆冰量、降低冰附着力、低温脱冰的特点，在输电线路防覆冰领域有广阔的应用前景。（1）-2℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少98%；-10℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少60%输电线路；-20℃环境条件下，吸能超双疏防覆冰样板比空白样板覆冰减少20%。防覆冰样板在环境温度-10℃以上对初期覆冰减缓有明显效果；（2）冰对吸能超双疏防覆冰样板的水平粘结力比空白样板减少99%，垂直粘结力减少89%，在覆冰初期，冰在的外力下易脱落；（3）吸能超双疏防覆冰涂层具有明显的脱冰效果，在-2℃环境温度下，阳光照射30min，吸能超双疏防覆冰样板脱冰量98%。

2.4输电线路典型塔的优化加固

对输电线路典型塔的优化加固，包括对输电线路桁架结构的截面进行优化加固、拓扑结构进行优化加固、以及桁架结构的形状进行优化加固等。以桁架结构的截面进行优化加固为例进行分析，其属于组合优化技术范畴，即从各类输电线路截面组合方案中，需要最佳的截面组成方案。当输电线路较长，涉及到的优化变量数较多时，此时截面的组合数也快速增长，属于大规模的组合优化问题。为此可以利用蚁群算法来处理这类大规模优化问题，该算法能够很好地处理众多的优化变量和规模较大的可行解数量，首先将输电线路结构模型中的相关变量进行初始化，之后再进行输电线路结构的承载力数据。如果当前输电线路的承载力不满足安全稳定运行约束条件，则需要利用蚁群算法重新寻找线路截面组合方案，并在迭代计算过程中不断更新寻找最优解的路径。当计算到满足算法的收敛条件时，将输电线路的结构截面优化计算结果输出，程序计算结束，从而得出了输电线路的截面组合优化技术方案。

2.5经典边缘检测算法

经典边缘检测算法通过微分算子和卷积得到，根据模板大小和元素值不同分为Roberts算子检测、Sobel算子检测、Prewitt算子检测、Log算子检测、Canny算子检测。因Canny算子边缘检测对噪声极其敏感，效果较为理想。

结语

本文分析的方法可实现有冰导线及无冰导线自动分类，对复杂背景下的导线识别与分割泛化能力较强，在各年监测图像数据中准确率达到了92％以上。这种分割方法可以有效地排除各种复杂背景或相似物体对导线分割的干扰，在图像质量不高的情况下精确分割导线，并可利用导线掩膜边缘进一步评估导线覆冰程度。

参考文献

[1]刘艳,李腾飞.对张正友相机标定法的改进研究[J].光学技术,2014,40(6):565-570.

[2]陈相武,徐爱俊.基于单目视觉的立木高度测量方法研究[J].中南林业科技大学学报,2019,39(11):29-35.

[3]菅瑞琴.基于图像处理的输电线路覆冰厚度研究[D].山西大学,2018.

[4]冯玲,黄新波,朱永灿.基于图像处理的输电线路覆冰厚度测量[J].电力自动化设备,2011,31(10):76-80.