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一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法

阅读：191发布：2024-01-20

专利汇可以提供一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法，属于电力行业监测系统产品领域，所述远程监测系统包括模拟导线，与模拟导线相连的拉力传感器，双目摄像机和控制箱，其中，所述控制箱内设置有与双目摄像机相连的数据采集模块，与拉力传感器相连的控制模块，与中控端相连的通信模块等，所述方法采用基于视差原理并由多幅图像获取物体三维几何信息的方法，由双目摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置，并将三维图像数据发送到中控端进行计算，实时掌握覆冰动态变化情况；能够满足覆冰数据监测的准确性和便捷性，具有优良的可拓展性，提高数据监测灵敏度。，下面是一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：包括模拟导线，与模拟导线相连的拉力传感器，双目摄像机和控制箱，其中，所述控制箱内设置有与双目摄像机相连的数据采集模块，与拉力传感器相连的控制模块，与中控端相连的通信模块，以及为控制箱内各个模块和双目摄像机供电的电源模块，所述双目摄像机镜头与模拟导线位于同一水平测量面上，上述模拟导线与实际线路导线为同材质且同型号。
2.如权利要求1所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：所述拉力传感器安装在圆筒型测量部件内，模拟导线穿设在圆筒型测量部件的连接件内，拉力传感器的测量头位于连接件内，用于测量模拟导线的重力。
3.如权利要求1所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：所述控制箱内的控制单元采用微处理器控制，数据采集模块和拉力传感器将相关的采集数据发送给控制单元后，由微处理器经过初步分析处理后通过通信模块发送到中控端。
4.如权利要求3所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：所述微处理器Intel凌动处理器。
5.如权利要求1所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：所述双目摄像机内部设有DSP处理单元，所述DSP处理单元将光学系统测量到的模拟导线上覆冰图像转化会标准的复合视觉信号格式，由信号电缆输送到控制箱的数据采集模块。
6.如权利要求1所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，其特征在于：所述电源模块与太阳能供电系统相连，采用光伏供电。
7.一种输电线路覆冰过程的远程监测方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、重力辅助监测步骤：
步骤1-1：拉力传感器将检测的传感信号通过控制箱发送给中控端，中控端先根据式(1)计算得到模拟导线常态下的荷载w1(N/m)，
1
w＝qg≈qgn＝9.80665q (1)
式中gn为标准重力加速度，gn＝9.80665(m/s2)；
步骤1-2：根据式(2)、式(3)计算得到模拟导线覆冰时的荷载
假设各种类型及不同断面外形的覆冰均折算为密度为0.9g/cm3的圆形雨淞断面，当己知导线外径D(mm)和覆冰厚度b(mm)时，其单位长度冰荷载w2(N/m)为
式中κ＝0.027728
导线覆冰时垂向总荷载w3为导线自重荷载w1和覆冰荷载w2之和，即
3 1 2
w＝w +w (3)
步骤1-3：根据式(4)计算得到模拟导线的覆冰厚度b(mm)：
步骤2、双目测量步骤：
步骤2-1：已标定的双目摄像机分别采集同一环境下模拟导线上的覆冰图像(左图像和右图像)，并将2个覆冰图像通过控制箱发送给中控端；
步骤2-2：中控端根据覆冰图像中各视觉节点独立地提取该节点视野范围内的视觉特征；
步骤2-3：中控端根据覆冰图像中各视觉节点计算步骤2-2中所提取视觉特征的三维坐标，并缓存处理；
步骤2-4：中控端根据模拟导线的轮廓定位目标点，计算模拟导线上覆冰厚度的范围，所述计算模拟导线上覆冰厚度范围的具体方法为：
提取模拟导线轮廓上各点的三维坐标：根据左右覆冰图像上的同名点，进行交会得到空间点三维坐标；
根据中心投影的构像方程(共线方程)，采用三点共线的原理构建测试计算公式：
其中r为覆冰厚度，d1为已知模拟导线半径；
根据计算选出的覆冰厚度的值，取出最大有效值与最小有效值，并计算出覆冰厚度的平均值。
步骤3、中控端通过步骤1和步骤2分别计算得到模拟导线的覆冰厚度平均值，当两者的覆冰厚度差值在设定范围内，且在覆冰厚度的有效值范围内，则认为监测结果无误差，直接输出步骤2得到的模拟导线的覆冰厚度；当两者的覆冰厚度差值大于设定值时，则重新采样，重复步骤1与步骤2，直到测量厚度差值在允许误差范围内。
8.如权利要求7所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测方法，其特征在于：用户可以根据实际需求，在覆冰图像上点选任意2点计算当前测量点的覆冰厚度值。
9.如权利要求7所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测方法，其特征在于：步骤2-2所述的视觉特征提取具体方法为：
1)每个视觉节点采用一个已标定的双目立体像机，包含了左、右两个像机，可实时获取左、右立体图像；然后采用PCA-SIFT方法，分别提取左、右图像的SIFT特征描述符，每个特征描述符为36维矢量，每一维矢量用8位来表示；
2)采用KD-Tree方法实现左、右图像间的SIFT特征匹配，并记录每对SIFT特征匹配的匹配代价；
3)采用外极线约束滤除误匹配点；对于已标定的双目立体像机，外极线约束要求正确匹配点对在左、右图像中的垂直坐标差小于1；
4)以左图像为视觉特征提取的基准图像，将左图像划分为20×20个大小相等的区域，在每个区域中只选取一个具有最大匹配代价的SIFT特征作为该区域的视觉特征，即从左图像中最多可提取出400个视觉特征，并将这些视觉特征作为节点当前帧的视觉特征；因此每一个视觉节点从每一帧立体图像对中提取视觉特征的描述符最大数据量为
400×36×8/1024＝112.5kb。
10.如权利要求7所述的一种输电线路覆冰过程的远程监测方法，其特征在于：步骤
2-3所述的视觉特征三维坐标计算具体方法为：
步骤2-2中所提取视觉特征在左、右图像中的垂直坐标差小于1，而水平坐标差称为视差d，根据双目立体视觉三维重建公式，可得视觉特征i在左像机坐标系下的三维坐标i i i
(X,Y,Z)：
其中b，f，(u0,v0)分别为双目立体像机标定中获得的基线、焦距和左图像光心坐标。
(ui,vi)为视觉特征i在左图像中的坐标，di为视觉特征i的视差。

说明书全文

一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法，属于电力行业监测系统产品领域。

背景技术

[0002] 2013年根据国家电网公司要求，各地市局在覆冰重点监控点安装人工观冰器，用来测量覆冰。但由于覆冰期间，天气恶劣，且观冰区域一般位于人员难以到达的地区，以往的人工观冰方式需要消耗大量的人力，且天气极度恶劣的情况下，人员根本无法到达观测点测量。另外由于覆冰的不规则性，用人工测量的方式无法准确测量出覆冰的厚度及形状。人工观冰器安装的位置较低与实际覆冰情况不一致。

[0003] 目前，通过监测导线悬挂点倾角和悬垂绝缘子串偏移角测量线路覆冰的装置；通过监测导线应力变化测量线路覆冰的装置；采用分布式光纤传感系统监测线路覆冰的装置；采用加装模拟导线监测线路覆冰的装置等方式广泛应用输电线路的覆冰监测。但线路覆冰以后导线的综合荷载发生变化，常见的几种监测方式不能很好的反应线路覆冰的状况，对实际生产工作指导意义有限。

[0004] 有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法，本案由此产生。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法，能够满足覆冰数据监测的准确性和便捷性，具有优良的可拓展性，提高数据监测灵敏度。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

[0007] 一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，包括模拟导线，与模拟导线相连的拉力传感器，双目摄像机和控制箱，其中，所述控制箱内设置有与双目摄像机相连的数据采集模块，与拉力传感器相连的控制模块，与中控端相连的通信模块，以及为控制箱内各个模块和双目摄像机供电的电源模块，所述双目摄像机镜头与模拟导线位于同一水平测量面上，上述模拟导线与实际线路导线为同材质且同型号。

[0008] 作为优选，所述拉力传感器安装在圆筒型测量部件内，模拟导线穿设在圆筒型测量部件的连接件内，拉力传感器的测量头位于连接件内，用于测量模拟导线的重力。

[0009] 作为优选，所述控制箱内的控制单元采用微处理器控制，数据采集模块和拉力传感器将相关的采集数据发送给控制单元后，由微处理器经过初步分析处理后通过通信模块发送到中控端。

[0010] 作为优选，所述微处理器Intel凌动处理器。

[0011] 作为优选，所述双目摄像机内部设有DSP处理单元，所述DSP处理单元将光学系统测量到的模拟导线上覆冰图像转化会标准的复合视觉信号格式，由信号电缆输送到控制箱的数据采集模块。

[0012] 作为优选，所述电源模块与太阳能供电系统相连，采用光伏供电。

[0013] 一种输电线路覆冰过程的远程监测方法，包括如下步骤：

[0014] 步骤1、重力辅助监测步骤：

[0015] 步骤1-1：拉力传感器将检测的传感信号通过控制箱发送给中控端，中控端先根据式(1)计算得到模拟导线常态下的荷载w1(N/m)，

[0016] w1＝qg≈qgn＝9.80665q (1)

[0017] 式中gn为标准重力加速度，gn＝9.80665(m/s2)；

[0018] 步骤1-2：根据式(2)、式(3)计算得到模拟导线覆冰时的荷载

[0019] 假设各种类型及不同断面外形的覆冰均折算为密度为0.9g/cm3的圆形雨淞断面，当己知导线外径D(mm)和覆冰厚度b(mm)时，其单位长度冰荷载w2(N/m)为[0020]

[0021] 式中κ＝0.027728

[0022] 导线覆冰时垂向总荷载w3为导线自重荷载w1和覆冰荷载w2之和，即[0023] w3＝w1+w2 (3)

[0024] 步骤1-3：根据式(4)计算得到模拟导线的覆冰厚度b(mm)：

[0025]

[0026] 步骤2、双目测量步骤：

[0027] 步骤2-1：已标定的双目摄像机分别采集同一环境下模拟导线上的覆冰图像(左图像和右图像)，并将2个覆冰图像通过控制箱发送给中控端；

[0028] 步骤2-2：中控端根据覆冰图像中各视觉节点独立地提取该节点视野范围内的视觉特征；

[0029] 步骤2-3：中控端根据覆冰图像中各视觉节点计算步骤2-2中所提取视觉特征的三维坐标，并缓存处理；

[0030] 步骤2-4：中控端根据模拟导线的轮廓定位目标点，计算模拟导线上覆冰厚度的范围，所述计算模拟导线上覆冰厚度范围的具体方法为：

[0031] (1)提取模拟导线轮廓上各点的三维坐标：根据左右覆冰图像上的同名点，进行交会得到空间点三维坐标；

[0032] (2)根据中心投影的构像方程(共线方程)，采用三点共线的原理构建测试计算公式：

[0033]

[0034]

[0035]

[0036] 其中r为覆冰厚度，d1为已知模拟导线半径；

[0037] (3)根据计算选出的覆冰厚度的值，取出最大有效值与最小有效值，并计算出覆冰厚度的平均值。

[0038] 步骤3、中控端通过步骤1和步骤2分别计算得到模拟导线的覆冰厚度平均值，当两者的覆冰厚度差值在设定范围以内，且在覆冰厚度的有效值范围内，则认为监测结果无误差，直接输出步骤2得到的模拟导线的覆冰厚度；当两者的覆冰厚度差值大于设定值时，则重新采样，重复步骤1与步骤2，直到测量厚度差值在允许误差范围内。

[0039] 作为优选，用户可以根据实际需求，在覆冰图像上点选任意2点计算当前测量点的覆冰厚度值。

[0040] 作为优选，步骤2-2所述的视觉特征提取具体方法为：

[0041] 1)每个视觉节点采用一个已标定的双目立体像机，包含了左、右两个像机，可实时获取左、右立体图像；然后采用PCA-SIFT方法，分别提取左、右图像的SIFT特征描述符，每个特征描述符为36维矢量，每一维矢量用8位来表示；

[0042] 2)采用KD-Tree方法实现左、右图像间的SIFT特征匹配，并记录每对SIFT特征匹配的匹配代价；

[0043] 3)采用外极线约束滤除误匹配点；对于已标定的双目立体像机，外极线约束要求正确匹配点对在左、右图像中的垂直坐标差小于1；

[0044] 4)以左图像为视觉特征提取的基准图像，将左图像划分为20×20个大小相等的区域，在每个区域中只选取一个具有最大匹配代价的SIFT特征作为该区域的视觉特征，即从左图像中最多可提取出400个视觉特征，并将这些视觉特征作为节点当前帧的视觉特征；因此每一个视觉节点从每一帧立体图像对中提取视觉特征的描述符最大数据量为400×36×8/1024＝112.5kb；

[0045] 作为优选，步骤2-3所述的视觉特征三维坐标计算具体方法为：

[0046] 步骤2-2中所提取视觉特征在左、右图像中的垂直坐标差小于1，而水平坐标差称为视差d，根据双目立体视觉三维重建公式，可得视觉特征i在左像机坐标系下的三维坐标i i i(X,Y,Z)：

[0047]

[0048] 其中b，f，(u0,v0)分别为双目立体像机标定中获得的基线、焦距和左图像光心坐标。(ui,vi)为视觉特征i在左图像中的坐标，di为视觉特征i的视差。

[0049] 本发明所述的输电线路覆冰过程的远程监测系统及方法，远程监测系统通过构建双目立体视觉系统，采用基于视差原理并由多幅图像获取物体三维几何信息的方法。双目立体视觉系统由双目摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，由单摄像机在不同时刻从不同角度获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，重建物体三维轮廓及位置，并将三维图像数据发送到中控端通过3维测量模型计算，实时掌握覆冰动态变化情况；同时，远程监测系统采用重力传感器实时监测，测量安装在架空线路相同覆冰环境下的单位长度(1米)的模拟导线的受力变化情况，动态对比分析覆冰动态变化情况，使监测结果更精准。

[0050] 以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

[0051] 图1为本实施例的输电线路覆冰过程的远程监测系统控制框图；

[0052] 图2为本实施例的模拟导线、拉力传感器和双目摄像机的安装示意图；

[0053] 图3为本实施例的视觉测量基本示意图。

具体实施方式

[0054] 如图1-2所示，一种输电线路覆冰过程的远程监测系统，包括模拟导线1，与模拟导线1相连的拉力传感器2，双目摄像机3和控制箱，其中，所述控制箱内设置有与双目摄像机3相连的数据采集模块4，与拉力传感器2相连的控制模块5，与中控端7相连的通信模块6，以及为控制箱内各个模块和双目摄像机3供电的电源模块，所述双目摄像机镜头3与模拟导线1位于同一水平测量面上，两者距离为600MM-1200MM；上述模拟导线1与实际线路导线为同材质且同型号。在本实施例中，所述拉力传感器2安装在圆筒型测量部件内，模拟导线1穿设在圆筒型测量部件的连接件8内，拉力传感器2的测量头位于连接件8内，用于测量模拟导线1的重力。

[0055] 所述控制箱内的控制单元5采用微处理器控制，具体可以为Intel凌动处理器控制的嵌入式系统，数据采集模块4和拉力传感器2将相关的采集数据发送给控制单元5后，由微处理器经过初步分析处理后通过通信模块6发送到中控端7。

[0056] 所述双目摄像机3内部设有DSP处理单元，用于图像处理，所述DSP处理单元将光学系统测量到的模拟导线1上覆冰图像转化会标准的复合视觉信号格式，由信号电缆输送到控制箱的数据采集模块4。

[0057] 所述电源模块与太阳能供电系统相连，采用光伏供电，保证控制箱和双目摄像机3的持续供电。

[0058] 采用上述输电线路覆冰过程的远程监测系统的监测方法，包括如下步骤：

[0059] 步骤1、重力辅助监测步骤：

[0060] 步骤1-1：拉力传感器将检测的传感信号通过控制箱发送给中控端，中控端先根据式(1)计算得到模拟导线常态下的荷载w1(N/m)，

[0061] 在常态下模拟导线自重力单位荷载w1(N/m)为单位长度质量q和重力加速度g之积。

[0062] w1＝qg≈qgn＝9.80665q (1)

[0063] 式中gn为标准重力加速度，gn＝9.80665(m/s2)。

[0064] 步骤1-2：根据式(2)、式(3)计算得到模拟导线覆冰时的荷载：

[0065] 假设各种类型及不同断面外形的覆冰均折算为密度为0.9g/cm3的圆形雨淞断面。当己知导线外径D(mm)和覆冰厚度b(mm)时，其单位长度冰荷载w2(N/m)为[0066]

[0067] 式中κ＝0.027728

[0068] 导线覆冰时垂向总荷载w3为导线自重荷载w1和覆冰荷载w2之和，即[0069] w3＝w1+w2 (3)

[0070] 步骤1-3：根据式(4)计算得到模拟导线的覆冰厚度：

[0071]

[0072] 步骤2、双目测量步骤：

[0073] 步骤2-1：已标定的双目立体摄像机分别采集同一环境下模拟导线上的覆冰图像(左图像和右图像)，并将2个覆冰图像通过控制箱发送给中控端；

[0074] 步骤2-2：中控端根据覆冰图像中各视觉节点独立地提取该节点视野范围内的视觉特征；

[0075] 所述的视觉特征提取具体方法为：

[0076] 1)每个视觉节点采用一个已标定的双目立体摄像机，包含了左、右两个摄像机，可实时获取左、右立体图像；然后采用PCA-SIFT方法，分别提取左、右图像的SIFT特征描述符，每个特征描述符为36维矢量，每一维矢量用8位来表示；

[0077] 2)采用KD-Tree方法实现左、右图像间的SIFT特征匹配，并记录每对SIFT特征匹配的匹配代价；

[0078] 3)采用外极线约束滤除误匹配点；对于已标定的双目立体摄像机，外极线约束要求正确匹配点对在左、右图像中的垂直坐标差小于1；

[0079] 4)以左图像为视觉特征提取的基准图像，将左图像划分为20×20个大小相等的区域，在每个区域中只选取一个具有最大匹配代价的SIFT特征作为该区域的视觉特征，即从左图像中最多可提取出400个视觉特征，并将这些视觉特征作为节点当前帧的视觉特征；因此每一个视觉节点从每一帧立体图像对中提取视觉特征的描述符最大数据量为400×36×8/1024＝112.5kb；

[0080] 步骤2-3：中控端根据覆冰图像中各视觉节点计算步骤2-2中所提取视觉特征的三维坐标，并缓存处理。

[0081] 所述的视觉特征三维坐标计算具体方法为：

[0082] 步骤2-2中所提取视觉特征在左、右图像中的垂直坐标差小于1，而水平坐标差称为视差d，根据双目立体视觉三维重建公式，可得视觉特征i在左像机坐标系下的三维坐标i i i(X,Y,Z)：

[0083]

[0084] 其中b，f，(u0,v0)分别为双目立体像机标定中获得的基线、焦距和左图像光心坐标。(ui,vi)为视觉特征i在左图像中的坐标，di为视觉特征i的视差。

[0085] 步骤2-4：中控端根据模拟导线的轮廓定位目标点，计算模拟导线上覆冰厚度的范围。

[0086] 所述计算模拟导线上覆冰厚度范围的具体方法为：

[0087] (1)提取模拟导线轮廓上各点的三维坐标：根据左右覆冰图像上的同名点，进行交会得到空间点三维坐标；如图3所示，

[0088] (2)根据中心投影的构像方程(共线方程)，采用三点共线的原理构建测试计算公式：

[0089]

[0090]

[0091]

[0092] 其中r为覆冰厚度，d1为已知模拟导线半径；

[0093] (3)根据计算选出的覆冰厚度的值，取出最大有效值与最小有效值，并计算选出覆冰厚度的平均值。

[0094] 步骤3、中控端通过步骤1和步骤2分别计算得到模拟导线的覆冰厚度平均值，当两者的覆冰厚度差值在2毫米以内，且在覆冰厚度的有效值范围内，则认为监测结果无误差，直接输出步骤2得到的模拟导线的覆冰厚度，当两者的覆冰厚度差值大于2毫米时，则重新采样，重复步骤1与步骤2，直到测量厚度差值在允许误差范围内。

[0095] 步骤4：同时，用户可以根据实际需求，在覆冰图像上点选任意2点计算当前测量点的覆冰厚度值，中控端根据用户在覆冰图像中选择的2个目标点，定位到三维空间中相对应的三维坐标，实现三维空间的测量与认知。

[0096] 上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

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