基于防覆冰闪络的输电杆塔运行状态监测及其LSD 算法研究

曲诺亚， 张 红

（长春工程学院， 吉林 长春 130000）

引言

冻雨灾害能够引起部分线路跳闸、覆冰舞动，严重影响各线路设备并大大增加各器件损耗。由于雨水持续时间较长且气温一直在0 ℃左右，这就导致了在有一定风力因素条件下，物体表面温度在0 ℃以下，雨水落在导线上时形成了一定密度较大而且分布不均匀的冰层。随着降雨的持续以及侧向的风力，极易引起导线的覆冰舞动，严重影响了各个设备的损耗，同时也使得相间距离不足放电，绝缘子断串后对横担放电，引起设备跳闸等。电力系统作为国民经济发展的重要支柱之一，对经济发展、人民安居乐业起着至关重要的作用，因此保证电网在任何情况下的可靠运行，也就是保障了经济继续高速发展，人民生活水平的不断提高[1]。

1 防覆冰闪络对电网的不良影响

雷击等自然灾害影响范围小，造成跳闸、倒塔的范围不会很大。相比之下，积冰对电网造成的影响大得多，其特点是影响范围广。积冰一般会造成电网机械性损伤，如杆塔倒塌、导线断线等，恢复时间长，难度大；电网经济损失严重，恢复重建投资巨大；恶劣天气有发生和发展过程，可以预测。寒潮引发的冻雨天气会使电线上积满雨凇，雨凇最大的危害是使供电线路中断，高压线高高的钢塔在下雪天时，可以会承受2～3 倍的重量，但是如果有雨凇的话，可能会承受10～20 倍的电线重量，电线或树枝上出现雨凇时，电线结冰后，遇冷收缩，加上风吹引起的震荡和雨凇重量的影响，能使电线和电话线不胜重荷而被压断，几公里以致几十公里的电线杆成排倾倒，造成输电、通讯中断，严重影响当地的工农业生产。历史上许多城市出现过高压线路因为雨凇而成排倒塌的情况。另外寒潮来袭还会加重电力部门的负荷，根据电力部门常年的经验，天越冷，电网负荷就会越大，并且增长幅度每年递增。近年来，这种灾害性气候出现的频率呈现上升趋势且严重程度每年都在加剧。由于对如何防覆冰以及融冰和除冰技术不够重视，总结经验不够且未加大对如何防覆冰以及融冰措施等的研究力度，因而导致在此次大规模的冰冻灾害中没有切实可行与有效的应对方法和措施，现场融冰、除冰都非常困难。在考虑覆冰时存在设计标准偏低问题的同时，在线路跨距设计上还存在线路跨距过大的问题[2]。

2 传统方法

针对覆冰闪络问题，传统方法总结起来大致有如下方法：

2.1 热能融冰法

常见的除冰方式，一般方法是将导线端接，接入发电机，缓慢增大导线传输电流，使温度缓慢增大到线路可承受的最大温度从而使冰层融化。或者是使用系统变压器融冰法等方式，本质来说都是采用增大导线的短路电流融冰使导线自身发热，温度升高。这样的方式一般来说都需要大量电能，且一般来说融冰线路都需要停电操作。总体而言，操作简单，短程线路尚可，并不适用于长线路，而且缺点也十分明显[3]。

2.2 机械除冰法

机械除冰法一般是指应用一定的机械工具对线路的覆冰进行破除的方式。常见的方法有敲除法、滑轮铲刮发和强力振动法。敲除法一般是指在冰层还不厚的阶段以人力操作一定简易工具进行敲除作业，该方法不仅需要大量人力反复操作，而且安全上也存在诸多隐患。滑轮铲刮法是目前较为常见的有实际应用的机械操作方法之一，其原理是地面行走的人员拉动线路上的滑轮铲进行线路的除冰操作，该方法相对于之前的方法有着工具实用、操作简单、安全有效等优点。强力振动法一般是指在线路两端安装外部振动器，使导线产生强力振动，使覆冰区域导线振动除冰，从而到达清除覆冰的目的。近些年以来有些国家采用无人机或一些其他设备进行远距离遥控清除线路表面覆冰，也提供了一种思路。2009年我国国家电网公司也成立了专门的公司来负责直升机等大型航空设备专门用于巡线和日常维护等业务。

2.3 被动除冰法

该方法是一般工程优先考虑的方法，其特点是经济性优秀，但是缺点也十分的明显，如时效性普遍较低。该方法一般是借助外界自然因素如气温变化、风力变化等使线路覆冰自然脱落的一种方法。

2.4 其他方法

目前针对线路防冰涂层材料，新型绝缘子等已经被逐步应用到电力系统当中，都能在一定程度上起到防控减灾的作用。目前针对线路舞动，很多地方已经安装防震锤等方式抑制。目前还有一些针对控制飞行器进行线路除冰的设想也在积极的研讨中，如：电磁脉冲、超声波、气动法等。针对这类问题，开展基于防覆冰闪络的输电杆塔运行状态监测的研究显得十分重要。

3 输电杆塔防覆冰闪络在线监控系统的软硬件结构

3.1 硬件结构

输电杆塔防覆冰闪络在线监测系统由软件和硬件组成，其中硬件包括由双轴倾角传感器和GPRS通信模块组成的测量装置，以及由GPRS 接收设备和终端PC 组成的数据采集系统。软件采用Lab-VIEW 平台构建，具有登录管理、操作控制和退出的逻辑结构，其中操作控制包括塔台实时监控、数据查询和软件管理三个功能。输电线路杆塔防覆冰闪络在线监测系统软件基于Labview 实现了同步采集、数据查询和数据管理功能。系统运行时，传感器采集的塔架状态数据被快速同步采集，然后进行处理和显示，并存储在相关数据库中[4]。

由两轴倾角传感器组成的测量装置、由GPRS通信模块组成的数据传输装置、由终端PC 组成的终端系统，共同完成塔架实时在线监测和数据传输、处理、显示、报警等功能。图1 为输电杆塔防覆冰闪络在线监测系统的主要结构。

3.2 软件结构

输电杆塔防覆冰闪络在线监测系统软件需要实现的主要功能可以通过LabVIEW 编译实现，并可为天气监控模块预留接口。

4 运行状态监测LSD 算法

与其他算法相比，LSD 算法具有运算时间短、无需手动设置参数、无需边缘图像等优点。因此，它在研究领域得到了广泛的赞誉。处理过程大致如下：

步骤一：对图像进行高斯下采样以消除锯齿效应，计算图像中每个像素的梯度值和梯度方向；

步骤二：根据梯度值对所有点进行伪排序，并建立状态列表，所有点都处于初始状态；

步骤三：生成包含满足条件的所有点的矩形。判断点的一致性的公式是：

式中：region_ang（t）是分割备选区域t 的梯度方向角；ang（i，j）是像素（i，j）的梯度方向角。

步骤四：判断矩形中一致点的密度是否满足阈值要求，如果不满足，则将矩形切割成多个矩形，重复此步骤直到满足阈值要求。计算一致点密度的公式为：

式中：ρ 为一致点的密度；n 为满足一致性标准的点的数量；N 为矩形中的点的总数。

步骤五：使用像素值随机分配且不包含直线段的噪声图像作为模板，分配的像素值独立且均匀地分布其中，并计算矩形框在图像中的误检个数NFA值，其定义如公式（3）所示：

式中：N 为当前图像中直线（矩形框）的数量；k（r，l）为模板图片中矩形l 中一致点的数量；k（r，i）为测试图片中矩形i 中一致点的数量；Ph0 为二项分布初始系数。

5 防覆冰闪络的输电杆塔运行状态监测

输电杆塔的识别和分析：通过无人机巡逻的航空摄影采集输电塔的航空图像，进行算法实验。实验在64位Windows7 的软件环境、E7500、4G 内存和320G硬盘的硬件环境、Opencv2.4.10 和Microsoft Visual Studio 2010 的开发环境中进行。对提出的输电杆塔识别和检测方法进行了验证和分析。对分辨率约为600×400 像素的600 幅航空影像的算法进行了测试，部分测试结果如图2 所示。

该算法的目的是准确识别和检测航空图像中输电杆塔异常，以满足无人机故障诊断的需要。本章提出的算法能够很好地处理和计算输电杆塔图像，具有通用性和较强的鲁棒性。

6 创新型改进方案

随着信息化数据技术、互联网技术、云技术、人工智能技术的不断发展、改革和创新，电网运行的安全维护工作也应该实现技术突破、技术创新，电力系统企业应结合目前目前发展中的新技术，对电网冻雨灾害预防和应急措施提出如下创新型建议：

1）完善目前的应急处理预案。当突发自然灾害来临前，结合气象大数据分析技术、云计算技术，各级供电公司应针对可能出现的自然灾害对电网安全运行造成的未知影响做好充分的准备。在山路、丘陵、垭口等复杂地形处设置装备站，当突发情况发生时避免无专业装备可用的情况发生。同时在危险监测、物资装备、抢险组织以及后勤保障等方面也要进行思路上的创新改革，完善应急响应预案预演等。

2）在新线路架设时制定适合本地实际情况的输电线路铺设、维护方案，改革巡线巡查工作，结合各地实际季节气象情况合理分配组织巡线工作并合理运用无人机技术、巡线机器人技术，在地形复杂的地方保证高效作业，以改革人力成本，同时保障电力系统安全运行。

3）建立预报- 监测机制，充分利用互联网资源、信息化技术等新兴高科技资源，与气象部门密切合作。以当前气象科学水平，大部分极端天气均可在一定时间段内预报出来，通过结合新技术如：大数据分析、人工智能等。并且保证此类信息及时有效精准的送达负责该区域的供电公司等电力运营维护部门；同时在不过多增加运行维护成本的同时，改革原输电线路监测系统，在一定区域、一定长度设置气象监测装置合理运用新技术如无人机、巡线机器人等。实时监测风向、湿度等、并及时监测线路覆冰积雪等情况，早发现早处置，避免更严重的后果。