一種基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法與流程
2023-10-04 08:03:49
本發明屬於電氣監測技術領域，更具體地，涉及一種基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法。
背景技術：
為了掌握輸電線路的覆冰情況，傳統的做法是在覆冰嚴重區域設置覆冰觀測站，架設模擬導線。此法原理簡單，易於操作，但由於覆冰觀測哨所多建在崇山峻岭之中，此法成本高，危險性大，而且由於影響輸電線路覆冰的因素較為複雜，模擬導線的覆冰情況無法準確地反映輸電線路的真實覆冰厚度。近年來出現的基於力學模型的輸電線路覆冰探測方法實現了覆冰厚度的在線檢測。該方法首先通過安裝在輸電線路上的各種傳感器獲得導線的重力變化、杆塔絕緣子的傾斜角、導線舞動頻率以及線路現場的溫度、溼度、風速、風向、雨量等信息，然後再通過建立數學模型近似計算出當前的導線等效覆冰厚度；該方法測量裝置和原理均比較複雜，在輸電線路上安裝或更換傳感器需要電網斷電，影響電力裝置正常運行。傳感器長時間工作，精度會受影響，可靠性低；而且由於該方法是通過建立簡化的數學模型，再經過模擬分析的方法得出當前的導線覆冰厚度，這樣得出的覆冰厚度與所選取的數學模型有很大的關係，模型不同，得出的覆冰厚度值可能相差很大。
國內外一些文獻中提到過應用視頻圖像法檢測導線和絕緣子覆冰厚度的思想，利用安裝在監測終端的攝像機即時獲得輸電線路覆冰前後的圖像，根據圖像得到輸電線路覆冰前、後的輪廓值；將兩者進行差運算獲得其覆冰厚度像素值，再利用對應關係得到真實覆冰厚度。由於輸電線路背景環境複雜，這種方法獲取到的圖像不理想，難以確定圖像的準確邊界，尤其在遇到惡劣天氣時精確度會急劇下降。
申請號為201310089706.5的中國專利「輸電線路圖像採集裝置及輸電線路覆冰厚度檢測裝置」提供了一種輸電線路圖像採集裝置及輸電線路覆冰厚度檢測裝置，該裝置需要利用無線傳輸模塊將輸電線圖像遠傳，在遠端對圖像進行處理，該方法對帶寬要求高，功耗大，不利於節能。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法，其目的在於由此解決現有輸電線覆冰探測裝置可靠性不高，測量方法精度較低的問題。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置，包括圖像採集處理模塊、無線通訊模塊和供電模塊；
圖像採集處理模塊的電源端連接供電模塊的第一輸出端；無線通訊模塊的信號端連接圖像採集處理模塊的信號端，電源端連接供電模塊的第二輸出端；無線通訊模塊具有通信接口，用於與監控中心通訊；
其中，圖像採集處理模塊用於採集輸電線上光照區域的圖像，並通過對該圖像進行處理獲取輸電線覆冰厚度；無線通訊模塊將輸電線覆冰厚度信息和採集到的圖像傳送至監控中心；供電模塊輸出穩定的直流電壓，用於給圖像採集處理模塊和無線通訊模塊供電；本發明提供的這種架空輸電線覆冰厚度監測裝置，硬體設備少、自重輕、無明顯受力，具有較高的可靠性。
優選地，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置，其圖像採集處理模塊包括線雷射光源、攝像單元和嵌入式圖像處理單元；
其中，線雷射光源覆蓋區域廣、線上亮度既能起照明作用又有助於後續圖像處理，攝像單元用於在線雷射垂直投射範圍內採集輸電線上被線雷射照射區域的圖像；嵌入式圖像處理單元用於提取採集到的圖像上雷射區域的輪廓，並根據輪廓獲取輸電線覆冰厚度信息；
安裝時，將攝像單元與線雷射光源置於輸電線的上方，使線雷射光源的出射光與輸電線垂直，使得在攝像單元所拍攝的圖像上，輸電線水平或豎直放置，線雷射與輸電線垂直且貫穿輸電線。
優選的，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置，還包括保護殼，保護殼通過支架安裝於輸電線上；圖像採集處理模塊、無線通訊模塊和供電模塊均置於保護殼內，可避免監測裝置受外界幹擾影響。
優選的，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置，其保護殼為半球形，在半球形保護殼上的沿輸電線圓弧方向上開設有防冰窗口，以防止攝像頭和線雷射的窗口結冰，影響圖像採集。。
優選地，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置，其供電模塊包括感應取電單元和太陽能供電單元；其中，感應取電單元利用高壓輸電線路周圍感應的電磁能量獲取電能；太陽能供電單元用於將太陽能轉化為電能並存儲；感應取電單元與太陽能供電單元分時運行，當太陽能供電單元不能提供足夠且穩定的電能時啟動感應取電單元，輸出穩定的直流電壓，為覆冰厚度監測裝置提供穩定的電能。
為實現本發明目的，按照本發明的另一方面，在上述於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置的基礎上，提供了一種基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測方法，包括以下步驟：
(1)在達到設定的監測間隔時間，或者接收到外部監測命令，採集輸電線上的線雷射垂直投射區域內的圖像；
(2)從上述圖像中獲取雷射光照區域的清晰輪廓；
(3)根據上述清晰輪廓以及未覆冰時輸電線上雷射照射區域的輪廓，計算獲得當前輸電線路的覆冰厚度；
上述覆冰厚度信息通過無線通信方式實時傳輸到監控中心；
由於圖像採集中使用線雷射作為光源，圖像上有線雷射的區域明顯區別於其它區域，輪廓提取方便且精度高。
優選地，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測方法，其步驟(3)包括如下子步驟：
(3.1)根據圖像上雷射覆蓋區域的輪廓，獲取該輪廓的外接矩形；矩形的長即為輸電線覆冰後直徑的像素值；
(3.2)根據未覆冰時輸電線上雷射光照區域的輪廓，獲取未覆冰輪廓的外接矩形；矩形的長即為輸電線覆冰前直徑的像素值；
(3.3)根據上述兩個外接矩形的邊長信息與輸電線半徑，獲取輸電線上的覆冰厚度；具體地，獲取上述兩個外接矩形的長邊長的差值，將該差值除以輸電線覆冰前直徑對應的像素值，再乘以輸電線半徑，獲的輸電線上的覆冰厚度；
本方法中，可通過多次採集，將多次採集到的圖像所對應的外接矩形的長取均值，再計算輸電線上的覆冰厚度，以提高檢測精度；
受空氣中的小顆粒影響，光線在空氣中會發生反射、散射、折射的作用，所以線雷射對遠處景物影響甚小；架空輸電線下方景物距雷射源較遠，雷射對下方景物的影響可以忽略不計；因此，所採集到的圖像上的雷射覆蓋區域就是輸電線上的線雷射垂直投射區域，區域長度對應輸電線的寬度；根據覆冰前後輸電線寬度的像素值相減，獲取輸電線覆冰後冰層厚度的像素值；通過將該冰層厚度像素值與輸電線覆冰前直徑對應像素值相比，並乘以輸電線的半徑，獲取輸電線路的覆冰厚度；通過無線通訊模塊將輸電線覆冰厚度信息發送給監控中心，以決定是否採取保護措施。
優選地，上述基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測方法，在到達設定的監測間隔時間後，開啟線雷射光源；在採集到輸電線上線雷射垂直投射區域內的圖像後，關閉線雷射光源，以節省電能延長線雷射光源使用壽命。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
(1)本發明提供的基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法，利用圖像採集處理模塊對採集到的圖像在本地進行處理，不需要對圖像進行遠傳即可獲得覆冰厚度，對網絡帶寬要求不高，避免因傳輸過程中的信號幹擾所造成的出錯，並且具有節能的效果；
(2)本發明提供的基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法，由於使用到線雷射提供光源，並通過感應取電單元和太陽能供電單元分時供電，當太陽能供電單元不能提供足夠且穩定的電能時啟動感應取電單元供電；具有能耗低的特點，能夠實現對架空輸電線路覆冰情況的全天監視，可廣泛用於架空輸電線覆冰厚度的測量；
(3)本發明提供的基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法，由於使用到線雷射，圖像上有線雷射的區域明顯區別於其它區域，輪廓提取方便，具有精度高的特點；
(4)本發明提供的基於光學的架空輸電線覆冰厚度監測裝置及方法，由於硬體設備少、自重輕、無明顯受力，具有可靠性好的特點。
附圖說明
圖1是本發明實施例提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測裝置的功能模塊示意圖；
圖2是本發明實施例提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測裝置的結構示意圖；
圖3是本發明實施例提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測方法的流程圖；
圖4是本發明實施例中所採集到的圖像示意圖；
圖5是本發明實施例中所採集到的圖像經過輪廓提取並加外接矩形框後的效果示意圖；
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1.1-第一線雷射光源，1.2-第二線雷射光源，2.1-第一攝像裝置，2.2-第二攝像裝置，3-架空輸電線，4-太陽能電池板，5-保護殼，6-支架，7.1-第一防冰窗口，7.2-第二防冰窗口，8-採集到的圖像，9-覆冰輸電線，10-覆冰輸電線被雷射照射部分，11-覆冰輸電線被雷射照射部分的外接矩形。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
如圖1所示，為本發明實施例提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測裝置的功能模塊示意圖，該裝置包含圖像採集處理模塊、無線通訊模塊和供電模塊；圖像採集處理模塊的電源端連接供電模塊的第一輸出端；無線通訊模塊的輸入端連接圖像採集處理模塊的輸出端，電源端連接供電模塊的第二輸出端；無線通訊模塊具有通信接口，用於與監控中心通訊；
圖像採集處理模塊用於拍攝圖像並對圖像進行處理獲取輸電線覆冰厚度信息，無線通訊模塊將輸電線覆冰厚度信息傳送至監控中心，供電模塊用於給圖像採集處理模塊和無線通訊模塊供電。
實施例提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測裝置的整體結構如圖2所示，其中，圖像採集處理模塊、無線通訊模塊和供電模塊置於半球形保護殼5內；半球形保護殼5通過支架6安裝於架空輸電線3上。
實施例中，圖像採集處理模塊包括線雷射光源、攝像單元和嵌入式圖像處理單元；攝像頭與線雷射光源安裝於輸電線上方，使得線雷射光源所發出的光線與輸電線垂直；嵌入式圖像處理單元用於控制線雷射光源開閉和攝像頭拍攝圖像，以及對圖像進行處理；在本實施例中，攝像單元和線雷射光源與輸電線之間的間距為30cm～50cm；
供電模塊包括感應取電單元和太陽能供電單元；感應取電單元利用取能線圈將高壓輸電線路周圍感應的電磁能量轉化為電能的感應取電裝置；太陽能供電單元採用太陽能電池板4，將太陽能轉化為電能並存儲；感應取電單元和太陽能供電單元分時運行，當太陽能供電單元不能提供足夠且穩定的電能時啟動感應取電單元；兩感應取電單元和太陽能供電單元協調配合為裝置提供穩定的直流電壓。在本實施例中供電模塊輸出電壓為5V。
實施例中，圖像採集處理模塊包括兩個攝像頭，分別為第一攝像頭2.1和第二攝像頭2.2；還包括兩個線雷射光源，分別為第一線雷射光源1.1和第二線雷射光源1.2；可以對輸電線兩個位置的覆冰情況進行監測；
應當說明的是，在本實施例中，為了與覆冰的背景色相區別，線雷射光源發出紅色光束投射在覆冰輸電線上，本領域的技術人員應當了解，採用其他的顏色照射架空輸電線路也是可以實現本發明目的。
基於上述的輸電線覆冰厚度監測裝置，實施例還提供了基於光學的輸電線覆冰厚度監測方法；圖3所示為基於光學的輸電線覆冰厚度監測方法的流程圖，其步驟如下：
(1)判斷預設監測間隔時間是否到達，若是，則進入步驟(2)，否則一直等待，直到到達預設的監測間隔時間，進入步驟(2)；
還可以通過外部觸發來下達監測命令；譬如，監控中心通過無線通訊模塊將遠程主動命令發送至圖像採集處理模塊，開啟圖像採集和處理；
監測間隔時間可根據用戶要求和氣候狀態自行設定，在本實施例中，可將監測間隔時間設置為10分鐘；
(2)線雷射光源開啟電，發出線雷射投射到輸電線上；拍攝線雷射照射區域的圖像；實施例匯中，拍攝到的圖像示意圖如圖4所示，該圖未考慮背景僅表示圖像上輸電線和雷射的位置，採集到的圖像8上，9所指示的區域是圖像上覆冰的輸電線，10所指示的是圖像上的線雷射光照區域；線雷射垂直射在輸電線上，所述拍攝的圖像上輸電線處於水平或豎直位置；
(3)將圖像上的雷射覆蓋區域分割出來，獲取圖像上輸電線被線雷射照射部分的輪廓，並獲取該輪廓的外接矩形；實施例中，獲得的外接矩形如圖5所示，外接矩形的長度即為覆冰輸電線寬度像素值；將覆冰前後輸電線寬度的像素值相減，獲取輸電線覆冰後冰層厚度的像素值；通過將該冰層厚度像素值與輸電線覆冰前直徑對應像素值相比，並乘以輸電線的半徑，獲取輸電線路的覆冰厚度；
(4)關閉線雷射光源，通過無線通訊模塊將輸電線覆冰厚度信息發送至監控中心。
本發明提供的基於光學的架空輸電線路覆冰厚度監測裝置及方法，在線雷射光源下採集輸電線圖像，並在線對採集到的圖像進行處理，實現對架空輸電線路覆冰情況的全天監視，具有精度高、可靠性好、能耗低的特點，可廣泛用於架空輸電線覆冰厚度的測量。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。