CN114353880A - 一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法，采集耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，给处理模块进行信号处理，将处理后的数据存储于存储模块，并通过通信模块上传后台处理系统；后台处理系统读取振动状态图像数据和环境数据，对振动状态图像进行处理，并提取当前环境下的振动特征信息，包括振动频率和振动幅值；与当前环境下对应频率的临界振动幅值进行对比，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。本发明实现耐张绝缘子串振动状态的在线监测，解决了传统周期巡检的耗时长、人力成本高、可靠性低等问题，及时发现存在振动缺陷的耐张绝缘子串，保证高压输电线路的安全稳定运行。

Description

一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及输电线路防灾减灾技术领域，具体涉及一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法。

背景技术

为解决我国一次能源匮乏、分布不平衡的问题，发展特高压电网，是我国能源发展的重大战略。目前，国家电网在运在建 22项特高压工程线路长度达到3.2万公里，由于特高压输电线路跨越区域广、里程长，途径区域气候条件复杂多变，部分地区线路运行条件非常苛刻，其中持续风激励引起的金具风致振动是影响线路安全运行的重要因素之一。

如今特高压直流输电线路耐张绝缘子串金具的设计只注重其机械强度设计和电气特性设计，而忽略了动力学设计，导致长期的风致振动会引起焊缝疲劳破坏，金具严重弯曲等现象，威胁线路的安全运行。同时，特高压输电线路现有的在线监测方法无法有效反映耐张绝缘子串的振动状态，导致不能及时发现存在疲劳缺陷的耐张绝缘子串，难以有效避免金具因风致振动损坏造成的电力生产事故。

鉴于这种需求，本发明提出一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统及方法。

本发明采用如下的技术方案。

一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，所述系统包括在线监测装置和后台处理系统；

在线监测装置包括采集模块、处理模块、存储模块、通信模块以及储能模块；

采集模块采集耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，传输给处理模块进行信号处理，将处理后的数据存储于存储模块，并通过通信模块上传后台处理系统；储能模块为各模块供电；

后台处理系统读取耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，对振动状态图像进行处理，并提取当前环境下的振动特征信息，包括振动频率和振动幅值；与当前环境下对应频率的临界振动幅值进行对比，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。

进一步地，采集模块包括高频摄像机、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、应变式传感器；高频摄像机用于实时拍摄耐张绝缘子串的振动状态图像，温湿度传感器用于实时监测环境温度和湿度，风速传感器用于实时监测环境风速，风向传感器用于实时监测环境风向，雨量传感器用于实时监测环境雨量，应变式传感器用于实时监测绝缘子串应力。

进一步地，处理模块包括信号处理单元，用于对采集的耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据进行信号处理，包括数据压缩、数据去冗余。

进一步地，存储模块包括数据存储单元，用于暂存经过处理模块处理后的图像数据和环境数据；数据存储单元为高速随机存取存储器、非易失性存储器。

进一步地，通信模块包括叉指换能器，用于与后台处理系统建立联系，实现远程数据读取；

后台处理系统通过阅读器定时发射一定频率的射频查询信号，叉指换能器接收到射频查询信号后，从数据存储单元读取数据，并将电信号转换为声表面波信号发射出去；阅读器接收到反馈的声表面波信号后，进行声电转换并将所得电信号传输至后台处理系统。

进一步地，查询和反馈信号采取全双工通信通道互不干扰。

一种耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，所述方法包括步骤：

步骤1，采集当前耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，将所采集数据进行处理并置于数据存储单元进行暂存；

步骤2，后台处理系统向在线监测装置发出射频查询信号，要求读取其数据存储单元中的耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据；

步骤3，后台处理系统进行耐张绝缘子串振的振动状态图像处理，包括图像转换、图像滤波、图像增强、图像分割、图像去雾；

步骤4，提取当前环境下的振动特征信息，包括振动频率和振动幅值；与当前环境下对应频率的临界振动幅值进行对比，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。

进一步地，步骤3中，图像转换，将每一帧图像转换为灰度图，只保留图像中各部位的位置信息，摒弃其余冗杂信息。

进一步地，步骤3中，图像滤波，通过计算灰度距离对图像进行双边滤波处理，根据空间距离确定卷积的系数，计算公式如下：

其中，gray(x_c,y_c)是中心点坐标像素点灰度值，gray(x_i,y_i)为当前点坐标点灰度值，σ为空间域标准差。

进一步地，步骤3中，图像增强，采用非线性灰度增强方法，用非线性函数对图像灰度进行映射，通过调整参数a、b、c，实现输入图像f(x,y)的低灰度范围得到扩展，高灰度范围得到压缩，使图像分布均匀，得到增强后的新图像 g(x,y)：

进一步地，步骤3中，图像分割，采用Gaussian函数对图像进行平滑，然后采用LOG算子根据二阶导数过零点来检测图像边缘，数字图像的近似公式为：

进一步地，步骤3中，图像去雾，采用小波变换去雾算法，对频域中图像做小波多尺度变换，然后对分解的高频和低频系数进行操作，最终使用小波重构来实现图像去雾。

进一步地，步骤4中，提取当前环境下的振动特征信息具体包括：

截取视频图像中的每一帧图像，使所截取的图像包含耐张绝缘子串振动方向上的一个边缘及其邻域的局部图像，通过对截取图像中某列像素的灰度值作向前差分处理，确定边缘像素所在位置，并以极值或极值中的最大值作为像素位置结构边缘，结合录像时间，形成像素时间序列，并去除直流分量后，进行时频域转换，得到振动频率；

通过成像原理进行实物图像比例转换，计算振动幅值

其中，n_AB为参考边缘，n_CD为对应参考拍摄图像，

为耐张绝缘子串拍摄图像。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明可提高耐张绝缘子串的防振性能和运行可靠度，实现特高压输电线路耐张绝缘子串振动状态的在线监测，解决了传统周期巡检的耗时长、人力成本高、可靠性低等问题，及时发现存在振动缺陷的耐张绝缘子串，保证高压输电线路的安全稳定运行。

本发明提出的在线监测系统及方法具有数据收集方便、算法简单可靠、计算准确度高等优点，无需人员前往现场测量，能够很好地解决人工巡线效率不高、偏远地区现场巡查不便的问题。

附图说明

图1为本发明的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统示意图；

图2为本发明的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统的在线监测装置示意图；

图3为本发明的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统的后台处理系统的信息处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，包括在线监测装置和后台处理系统。

本发明所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，包括高频摄像机、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、应变式传感器、数据处理单元、数据存储单元、叉指换能器、阅读器和后台处理系统。

其中，高频摄像机、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、应变式传感器、数据处理单元、数据存储单元、叉指换能器构成线监测装置。

其中，高频摄影机用于实时拍摄耐张绝缘子串的振动状态，温湿度传感器用于实时监测环境温度和湿度，风速传感器用于实时监测环境风速，风向传感器用于实时监测环境风向，雨量传感器用于实时监测环境雨量，应变式传感器用于实时监测绝缘子串应力。以上所有被检测量均能反应在当前环境因素下，耐张绝缘子串的振动状态以及健康程度。

上述高频摄影机和传感器的监测数据传输至信号处理单元进行加工处理后，放至数据存储单元进行存储。阅读器定时发射出一定频率的射频查询信号，用于查询前端实时监测数据。叉指换能器接收到后端发出的射频查询信号后，从数据存储单元读取监测数据，并将电信号转换为声表面波发射出去，从而避免强电磁环境对数据传输产生干扰。阅读器接收到前端反馈的声表面波信号后，对此回波信号进行声-电转换，并将所得电信号传输至后台处理系统。后台处理系统能够对信号进行分析，从而获得耐张绝缘子串的实时振动状态。

如图2所示，特高压输电线路耐张绝缘子串风致振动在线监测装置示意图，在线监测装置安装于输电线路杆塔上，整个监测装置外形为类球状流线型，减少装置处于杆塔上监测时由于高频脉动风载作用引起监测设备自身振动误差。

整个在线监视装置包含采集模块20、处理模块21、存储模块22、通信模块 23以及储能模块24；各模块之间可以通过总线或其它方式连接，图2中以通过总线连接为例。

采集模块20包括高频摄像机、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、应变式传感器。高帧摄像机的频率有多种可选，以大于绝缘子串结构振动频率的2倍为准，本实施例采用210帧/s，实时拍摄耐张绝缘子串的振动情况，其余传感器实时采集现场环境指标。

处理模块21包括信号处理单元，对采集模块20所拍摄的视频和现场环境信息进行信号处理，其中包括了数据压缩、数据去冗余等处理。

存储模块22包括数据存储单元，可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件，用于暂存经过处理模块21处理后的图像数据和现场环境信息。

通信模块23包括叉指换能器，与后台管理系统建立联系，实现远程读取监测数据。

储能模块24是采用太阳能和锂电池联合供电。

将若干传感器和高频摄影机集成为采集模块，采集当前耐张绝缘子串所处的工作环境状态以及本身振动情况。将所采集数据进行处理并置于数据存储单元进行暂存，保证信号通道的可靠传输。通过叉指换能器传输所采集的数据信息，而后台处理系统可以随时调用阅读器存储单元中的信息，并经过特征参数提取方法得到该环境下绝缘子串的振动特征量，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。

如图3所示，耐张绝缘子串风致振动在线监测系统的后台处理系统的信息处理流程示意图，后台管理系统对远程传输来的环境信息和视频信号进行分析处理提取当前环境下绝缘子串的振动特征信息。首先将每帧图像转换成灰度图，并进行滤波、增强、分割、去雾操作后，截取视频的每一帧图像，使所截取的图像都能包含耐张绝缘子串振动方向上的一个边缘及其邻域的局部图像，通过对截取图像中某列像素的灰度值作向前差分处理，确定边缘像素所在位置，并以极值或极值中的最大值作为像素位置结构边缘，结合录像时间，形成像素时间序列，并去除直流分量后，本实施例采用傅里叶变换得到振动频率，也可采用其它时频域转换方法，最后通过成像原理计算振动幅值。将所采集到的振动频率和幅值与当前环境因素下对应频率的临界振动幅值进行对比，评估此时耐张绝缘子串是否存在疲劳缺陷而损坏。

本发明所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，采集当前耐张绝缘子串所处的工作环境状态以及本身振动情况，将所采集数据进行处理并置于数据存储单元进行暂存，保证信号通道的可靠传输；

步骤2，后台管理系统向前端在线监测装置发出射频信号，要求读取其数据存储单元中的相关环境及耐张绝缘子串振动信息，采取全双工通信通道，保证访问和回传信号的互不干扰；

步骤3，进行耐张绝缘子串振动视频图像处理；

在阴天、雨、雾等情况下，拍摄的图像会出现模糊、扭曲等问题，因此需要进行图像预处理，包括图像转换、图像滤波、图像增强、图像分割、图像去雾五个环节。

优选地，图像转换采取将视频中的每一帧图像转换为灰度图，只保留视频中各部位的位置信息，摒弃RGB颜色、亮度等其余冗杂信息对于振动状态判定的误差。

优选地，图像滤波采用双边滤波法，双边滤波法对去除噪声有很好的效果，同时能够很好地保存图像的边缘信息。通过计算灰度距离如式(1)所示对图像进行双边滤波处理，根据空间距离确定卷积的系数。

其中，gray(x_c,y_c)是中心点坐标像素点灰度值，gray(x_i,y_i)为当前点坐标点灰度值，σ为空间域标准差。

优选地，图像增强采用非线性灰度增强方法，具体算法为：用非线性函数对图像灰度进行映射时，如式(2)所示，通过调整式中参数a、b、c，以实现输入图像f(x,y)的低灰度范围得到扩展，高灰度范围得到压缩，以使图像分布均匀，得到增强后的新图像g(x,y)。

优选地，图像分割采用LOG算子，其具有旋转不变性质，能够很好地提取出每帧图像的边缘信息，定位精度高，连续性好。首先采用Gaussian函数对图像进行平滑，然后采用LOG算子根据二阶导数过零点来检测图像边缘，数字图像的近似公式为式(3)。

优选地，图像去雾算法采用小波变换去雾算法，具体过程为：对频域中图像做小波多尺度变换，然后对分解的高频和低频系数进行操作，最终使用小波重构来实现图像去雾。它对于阴天或者光照不均匀情况下的图像边缘模糊、暗淡有很好的提亮效果。

步骤4，耐张绝缘子串振动特征信息提取与评估；

截取视频的每一帧图像，使所截取的图像都能包含耐张绝缘子串振动方向上的一个边缘及其邻域的局部图像，通过对截取图像中某列像素的灰度值作向前差分处理，确定边缘像素所在位置，得到一个数组A。并以极值或极值中的最大值作为像素位置结构边缘，结合录像时间，形成像素时间序列数组P，并去除直流分量后，进行时频域转换，即进行傅里叶变换得到振动频率。

最后通过成像原理进行实物图像比例转换，通过参考边缘n_AB、对应参考拍摄图像n_CD和耐张绝缘子串拍摄图像

计算振动幅值

如式(4)所示。

即可对此时耐张绝缘子串的振动幅值和频率进行提取。

将所采集到的振动频率和幅值与当前环境因素下对应频率的临界振动幅值进行对比，评估此时耐张绝缘子串是否存在疲劳缺陷而损坏。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明可提高耐张绝缘子串的防振性能和运行可靠度，实现特高压输电线路耐张绝缘子串振动状态的在线监测，解决了传统周期巡检的耗时长、人力成本高、可靠性低等问题，及时发现存在振动缺陷的耐张绝缘子串，保证高压输电线路的安全稳定运行。

本发明提出的在线监测系统及方法具有数据收集方便、算法简单可靠、计算准确度高等优点，无需人员前往现场测量，能够很好地解决人工巡线效率不高、偏远地区现场巡查不便的问题。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，所述系统包括在线监测装置和后台处理系统；

在线监测装置包括采集模块、处理模块、存储模块、通信模块以及储能模块；

采集模块采集耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，传输给处理模块进行信号处理，将处理后的数据存储于存储模块，并通过通信模块上传后台处理系统；储能模块为各模块供电；

后台处理系统读取耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，对振动状态图像进行处理，并提取当前环境下的振动特征信息，包括振动频率和振动幅值；与当前环境下对应频率的临界振动幅值进行对比，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。

2.根据权利要求1所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，

采集模块包括高频摄像机、温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、应变式传感器；高频摄像机用于实时拍摄耐张绝缘子串的振动状态图像，温湿度传感器用于实时监测环境温度和湿度，风速传感器用于实时监测环境风速，风向传感器用于实时监测环境风向，雨量传感器用于实时监测环境雨量，应变式传感器用于实时监测绝缘子串应力。

3.根据权利要求1所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，

处理模块包括信号处理单元，用于对采集的耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据进行信号处理，包括数据压缩、数据去冗余。

4.根据权利要求1所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，

存储模块包括数据存储单元，用于暂存经过处理模块处理后的图像数据和环境数据；数据存储单元为高速随机存取存储器、非易失性存储器。

5.根据权利要求1所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，

通信模块包括叉指换能器，用于与后台处理系统建立联系，实现远程数据读取；

后台处理系统通过阅读器定时发射一定频率的射频查询信号，叉指换能器接收到射频查询信号后，从数据存储单元读取数据，并将电信号转换为声表面波信号发射出去；阅读器接收到反馈的声表面波信号后，进行声电转换并将所得电信号传输至后台处理系统。

6.根据权利要求5所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，

查询和反馈信号采取全双工通信通道互不干扰。

7.一种耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，基于权利要求1-6所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测系统，其特征在于，所述方法包括步骤：

步骤1，采集当前耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据，将所采集数据进行处理并置于数据存储单元进行暂存；

步骤2，后台处理系统向在线监测装置发出射频查询信号，要求读取其数据存储单元中的耐张绝缘子串的振动状态图像数据和环境数据；

步骤3，后台处理系统进行耐张绝缘子串振的振动状态图像处理，包括图像转换、图像滤波、图像增强、图像分割、图像去雾；

步骤4，提取当前环境下的振动特征信息，包括振动频率和振动幅值；与当前环境下对应频率的临界振动幅值进行对比，以评估耐张绝缘子串的风致振动状态。

8.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤3中，图像转换，将每一帧图像转换为灰度图，只保留图像中各部位的位置信息，摒弃其余冗杂信息。

9.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤3中，图像滤波，通过计算灰度距离对图像进行双边滤波处理，根据空间距离确定卷积的系数，计算公式如下：

其中，gray(x_c,y_c)是中心点坐标像素点灰度值，gray(x_i,y_i)为当前点坐标点灰度值，σ为空间域标准差。

10.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤3中，图像增强，采用非线性灰度增强方法，用非线性函数对图像灰度进行映射，通过调整参数a、b、c，实现输入图像f(x,y)的低灰度范围得到扩展，高灰度范围得到压缩，使图像分布均匀，得到增强后的新图像g(x,y)：

11.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤3中，图像分割，采用Gaussian函数对图像进行平滑，然后采用LOG算子根据二阶导数过零点来检测图像边缘，数字图像的近似公式为：

12.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤3中，图像去雾，采用小波变换去雾算法，对频域中图像做小波多尺度变换，然后对分解的高频和低频系数进行操作，最终使用小波重构来实现图像去雾。

13.根据权利要求7所述的耐张绝缘子串风致振动在线监测方法，其特征在于，

步骤4中，提取当前环境下的振动特征信息具体包括：

截取视频图像中的每一帧图像，使所截取的图像包含耐张绝缘子串振动方向上的一个边缘及其邻域的局部图像，通过对截取图像中某列像素的灰度值作向前差分处理，确定边缘像素所在位置，并以极值或极值中的最大值作为像素位置结构边缘，结合录像时间，形成像素时间序列，并去除直流分量后，进行时频域转换，得到振动频率；

通过成像原理进行实物图像比例转换，计算振动幅值

其中，n_AB为参考边缘，n_CD为对应参考拍摄图像，

为耐张绝缘子串拍摄图像。

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