一种输电导线运行状态监测方法和装置
阅读：287发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种输电导线运行状态监测方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种输电 导线 运行状态监测方法和装置，包括：获取输电导线在基准状态下的振动视频，提取输电导线在基准状态下的振动特性；分析基准状态下的振动特性得到基准前2阶模态 频率 ；获取输电导线在运行状态下的振动视频，提取输电导线在运行状态下的振动特征；分析运行状态下的振动特征得到运行前2阶模态频率；比较基准前2阶模态频率和运行前2阶模态频率。本发明提供的输电导线运行状态监测方法和装置，结构简单、可操作性强、 精度 高，利用工业摄像机非 接触 式地获取输电导线的基准和运行状态的视频信息，分别分析基准和运行状态下的视频信息，进行降噪并对不重要的的特征进行去除，以提高监测的精度。，下面是一种输电导线运行状态监测方法和装置专利的具体信息内容。
1.一种输电导线运行状态监测方法，其特征在于：所述监测方法包括：
获取所述输电导线在基准状态下的振动视频，提取所述输电导线在所述基准状态下的振动特性；
分析所述基准状态下的振动特性得到基准前2阶模态频率；
获取所述输电导线在运行状态下的振动视频，提取所述输电导线在所述运行状态下的振动特征；
分析所述运行状态下的振动特征得到运行前2阶模态频率；
比较所述基准前2阶模态频率和所述运行前2阶模态频率；
若比较值大于等于预设阈值，则所述输电导线运行出现异常状态；
若所述比较值小于所述预设阈值，则所述输电导线运行正常。
2.如权利要求1所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：所述基准状态采用动力测试方法和无损检测方法评估。
3.如权利要求2所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：
所述基准前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得；
所述运行前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得。
4.如权利要求3所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：所述基准状态下的振动视频和所述运行状态下的振动视频均以I(A,Φ)表示，利用所述复数金字塔分解方法提取所述振动视频的相位信号Φ和幅值信号A。
5.如权利要求4所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：所述相位信号Φ以初始时刻为基准，在时间维度上做差分求出相位差变化信号δ。
6.如权利要求5所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：将所述相位变化信号δ的矩阵缩聚投影到r维上，然后对降维后的r维矩阵向量进行变分模态分解得到2K个本征模态分量。
7.如权利要求6所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：将所述2K个本征模态分量进行独立成分分析，得到前2阶目标模态频率分量信号，再重构所述输电导线的相位变化信号 及前2阶模态频率ωi，其中，i＝1,2。
8.如权利要求7所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：所述比较所述基准前
2阶模态频率和所述运行前2阶模态频率采用 进行表征；
若 时，说明输电导线运行异常；
若 时，说明输电导线运行正常；其中ωi为基准前2阶模态频率， 为运
行前2阶模态频率，i＝1,2。
9.如权利要求7所述的输电导线运行状态监测方法，其特征在于：若所述输电导线运行异常，将所述重构的相位变化信号 进行放大，叠加相位基准信号后得到重构的相位信号根据复数金字塔重构原理，得到振动放大的视频以观察所述输电导线运行异常的动态情况。
10.一种输电导线运行状态监测装置，所述监测装置用于执行所述权利要求1至9任一所述监测方法，其特征在于，所述监测装置包括：
图像采集模块，配置成采集输电导线的视频模拟信号；
图像传输模块，配置成传输所述视频模拟信号；
图像转换模块，配置成模/数转换，存储数字信号；
数据分析模块，配置成分析所述数字信号；以及配置成运行振动放大算法，并设定预设阀值进行判别；
存储模块，配置成存储所述视频模拟信号和所述数字信号。
一种输电导线运行状态监测方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及输电塔线体系结构健康监控与故障诊断技术领域，具体为一种基于输电塔振动视频的输电导线运行状态监测方法和装置。
背景技术
[0002] 对大跨度输电塔线体系结构，长柔输电导线结构类同动力学弦结构，在风载荷作用下，极易发生微风振动，进而对塔线连接结构(塔线体系的线夹结构等)造成微动疲劳，降低连接刚度和输电导线的轴向拉力，直接影响长柔输电导线的低阶模态频率特性。而输电铁塔作为输电导线的端部夹持工程结构，其局部多螺栓连接架结构，容易受到地脚螺栓和塔架多螺栓连接结构松动状态的影响，可降低对输电导线端部的夹持刚度，进而降低输电导线的轴向刚度，最终降低输电导线的低阶模态频率。
[0003] 传统的输电导线振动特性测量方法主要是接触式的直接位移传感器及间接加速度传感器。前者由于需要选取位移零值参考点，且多为点测量，所以难以获取全场位移信息。后者基于加速度传感器，需要将测得的加速度信号经过积分获得速度和位移，但其附加质量高，由于输电导线结构低频率及大幅值得振动特点，难以应用于长柔的输电导线结构振动测量，同时在信号处理中，由于长柔输电导线模态频率低，难以降噪及保证精度。
发明内容
[0004] 鉴于上述状况，有必要提供一种非接触式的输电导线运行状态监测方法和装置以解决上述问题。
[0005] 本发明的一个目的是提供一种结构简单、可操作性强、精度高的输电导线运行状态监测方法和装置。
[0006] 本发明的另一个目的是提供一种为检修工作提供技术指导的输电导线运行状态方法和装置。
[0007] 本发明提供了一种输电导线运行状态监测方法，监测方法包括：
[0008] 获取输电导线在基准状态下的振动视频，提取输电导线在基准状态下的振动特性；
[0009] 分析基准状态下的振动特性得到基准前2阶模态频率；
[0010] 获取输电导线在运行状态下的振动视频，提取输电导线在运行状态下的振动特征；
[0011] 分析运行状态下的振动特征得到运行前2阶模态频率；
[0012] 比较基准前2阶模态频率和运行前2阶模态频率；
[0013] 若比较值大于等于预设阈值，则输电导线运行出现异常状态；
[0014] 若比较值小于预设阈值，则输电导线运行正常。
[0015] 优选地，基准状态采用动力测试方法和无损检测方法评估。
[0016] 优选地，基准前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得；
[0017] 运行前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得。
[0018] 优选地，基准状态下的振动视频和运行状态下的振动视频均以I(A,Φ)表示，利用复数金字塔分解方法提取振动视频的相位信号Φ和幅值信号A。
[0019] 优选地，相位信号Φ以初始时刻为基准，在时间维度上做差分求出相位差变化信号δ。
[0020] 优选地，将相位变化信号δ的矩阵缩聚投影到r维上，然后对降维后的r维矩阵向量进行变分模态分解得到2K个本征模态分量。
[0021] 优选地，将2K个本征模态分量进行独立成分分析，得到前2阶目标模态频率分量信号，再重构输电导线的相位变化信号 及前2阶模态频率 其中，i＝1,2。
[0022] 优选地，比较基准前2阶模态频率和运行前2阶模态频率采用 进行表征；
[0023] 若 时，说明输电导线运行异常；
[0024] 若 时，说明输电导线运行正常；其中 为基准前2阶模态频率，为运行前2阶模态频率，i＝1,2。
[0025] 优选地，若输电导线运行异常，将重构的相位变化信号 进行放大，叠加相位基准信号后得到重构的相位信号 根据复数金字塔重构原理，得到放大后的视频以观察输电导线运行异常的动态情况。
[0026] 本发明还提供了一种输电导线运行状态监测装置，监测装置用于执行上述监测方法的监测，监测装置包括：
[0028] 图像传输模块，配置成传输视频模拟信号；
[0029] 图像转换模块，配置成模/数转换，存储数字信号；
[0031] 存储模块，配置成存储视频模拟信号和数字信号。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 本发明提供的输电导线运行状态监测方法和装置，结构简单、精度高，利用工业摄像机非接触获取输电导线的基准和运行状态的视频信息，分别分析基准和运行状态下的视频信息，降噪并对不重要的的特征进行去除，以提高监测的精度。通过获取输电导线的视频信息，并对视频信息进行处理后，可以直观地为检修工作提供技术指导。
[0034] 进一步地，利用复数金字塔分解方法提取振动视频的相位信号和幅值信号。复数金字塔算法不同于传统的线性欧拉放大方法侧重对幅值信号进行放大处理，基于相位的方法具有更优良的性质和更大的放大倍数，并且其抑制噪声的能力也大大提高，因为这种方法针对相位信号进行处理，而不是幅值信号，这不会增加空间噪声的大小，可以证明基于相位的方法可以获得更大的振动放大率和更少的失真。附图说明
[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0036] 图1是本发明一实施例的输电导线运行状态监测方法的流程示意图；
[0037] 图2是本发明一实施例中的输电导线运行状态监测装置的模块示意图；
[0038] 图中：100、输电导线运行状态监测装置，110、图像采集模块，120、图像传输模块，130、图像转换模块，140、数据分析模块，150、存储模块。
具体实施方式
[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040] 需要说明的是，当一个元件或组件被认为是“连接”另一个元件或组件，它可以是直接连接到另一个元件或组件可能同时存在居中设置的元件或组件。当一个元件或组件被认为是“设置在”另一个元件或组件，它可以是直接设置在另一个元件或组件上或者可能同时存在居中设置的元件或组件。
[0041] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0042] 请参见图1，图1为本发明提供的输电导线运行状态监测方法，该监测方法主要用于输电塔线体系输电导线结构的松动在线监测，输电塔线体系的安全运行提供技术保障，并为有目标检修工作提供技术指导。该监测方法主要包括如下步骤：
[0043] 步骤S101，获取输电导线在基准状态下的振动视频，提取输电导线在基准状态下的振动特性。
[0044] 具体地，首先判断输电导线的基准状态，基准状态采用动力测试方法和无损检测方法评估。动力测试方法可以但不限于采用动力测试方法，无损检测方法是指在不损害或不影响被检测对象使用性能,不伤害被检测对象内部组织的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等反应的变化，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法，无损检测方法可以但不限于采用超声波衍射时差法。
[0045] 判断输电导线处于基准状态后，获取输电导线的振动视频，进一步提取输电导线在基准状态下的振动特性。获取输电导线的振动视频后，将视频图像信号转化为数字信号，以I(A,Φ)表示，其中，A代表图像幅度信号，Φ代表图像相位信号。
[0046] 步骤S102，分析基准状态下的振动特性得到基准前2阶模态频率。
[0047] 基准前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得。对输电塔线体系而言，连接部件的松动可以造成结构前几阶模态对应的模态频率降低，从分析精度和计算效率来看，取用前2阶模态频率作为结构的松动损伤监测指标足以对危害输电塔线结构安全运行的损伤，，包括考虑气动弹性效应的导线舞动(导线固有频率同样有所变化)，进行并完成区分度高的监测任务。
[0048] 具体地，基准状态下的振动视频以I(A,Φ)表示，利用复数金字塔分解方法提取振动视频的相位信号Φ和幅值信号A。复数金字塔即方向可控金字塔，是双树复小波分解的一种推广，采用两叉树结构的两路离散小波变换分析，一树生成实部，一树生成虚部，两树滤波器之间的延迟恰是一个采样间隔，保证虚部树的二抽取正好采样到实部树因二抽取丢掉的采样值，因此拥有近似平移不变性以及更多的方向选择性。
[0049] 相位信号Φ以初始时刻为基准，在时间维度上做差分求出相位差变化信号δ。
[0050] 将相位差变化信号δ的矩阵缩聚投影到r维上，然后对降维后的r维矩阵向量进行变分模态分解得到2K个本征模态分量(r＝2)。具体地，通过主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)算法，将相位变化信号矩阵[δ]缩聚投影到r维(r＝2)上，具体如下：按照[δ][δ]'＝[A][D][A]'，其中[A]为特征向量矩阵，[D]为特征值矩阵，按对应特征值大小将特征向量从上到下按行排列成矩阵，取其前r＝2行组成矩阵[P]后，应用[Y]＝[P][δ]得到2维后的主成分矩阵；然后应用变分模态分解(Variational Mode Decomposition，VMD)2阶的主成分矩阵[Y]，该方法分解矩阵[Y]的2个主成分分量向量为2K个本征模态分量，将主要的频率成分分离提取，降低噪声干扰。
[0051] 现实世界是时空连续变化的变量，而在具体数值分析上，需要将连续的时空变量进行时空分离及降阶处理，类似于空间坐标需要用三维坐标进行降阶描述类似。在统计学、机器学习和信息论中，降维是通过获得一组主变量来减少所考虑的随机变量数量的过程。它可以分为特征选择和特征提取。高维度的数据可以通过降维来提取一些重要特征，信号噪声及不重要的特征在处理过程中被去除，为后续的数据处理提供便利，大大提高了信号处理的效率，因此降维被广泛应用于数据预处理中。
[0052] 在本实施例中，通过复数金字塔算法可以将各尺度方向上相位随时间变化的信号δ提取出来，但是对每个像素点的时频变换，计算量巨大，耗时严重，因此需要将相位变化信号矩阵缩聚投影到r维上，然后对降维后的r维矩阵向量进行变分模态分解(Variational ModeDecomposition，VMD)，降低信号噪声并对不同频率信号进行分离。
[0053] 将2K个本征模态分量进行独立成分分解，得到前2阶目标模态频率分量信号，并进行反变换，然后再次依据主成分分析，重构基准状态下的输电导线的相位变化信号 及前2阶模态频率ω1,2。
[0054] 步骤S103，获取输电导线在运行状态下的振动视频，提取输电导线在运行状态下的振动特征。
[0055] 获取运行状态下输电导线的振动视频，进一步提取输电导线在运行状态下的振动特性。获取输电导线的振动视频后，将视频图像信号转化为数字信号，以I1(A,Φ)表示，其中，Φ1代表图像幅度信号，A1代表图像相位信号。
[0056] 步骤S104，分析运行状态下的振动特征得到运行前2阶模态频率。
[0057] 运行前2阶模态频率采用复数金字塔分解方法、变分模态分解方法和独立成分分解方法获得。
[0058] 具体地，运行状态下的振动视频以I1(A,Φ)表示，利用复数金字塔分解方法提取振动视频的相位信号Φ1和幅值信号A1。
[0059] 相位信号Φ1以初始时刻为基准，在时间维度上做差分求出相位变化信号δ1。
[0060] 将相位变化信号δ1的矩阵缩聚投影到r维上，然后对降维后的r维矩阵向量进行变分模态分解得到2K个本征模态分量。计算运行状态下的相位变化信号和前2阶模态频率和基准状态下相同，请详见上文，在此不赘述。
[0061] 重构运行状态下的输电导线的相位变化信号 及前2阶模态频率
[0062] 步骤S105，比较基准前2阶模态频率和运行前2阶模态频率。
[0063] 具体地，比较上述基准前2阶模态频率ω1,2和运行前2阶模态频率 使用运行前2阶模态频率相对于基准前2阶模态频率的变化率进行表示，即 其中ωi为基准前2阶模态频率， 为运行前2阶模态频率，i＝1,2。
[0064] 步骤S106，若比较值大于等于预设阈值，则输电导线运行出现异常状态。
[0065] 若 时，说明输电导线的运行前2阶模态频率相对基准前2阶模态频率的变化大，输电导线运行异常，需要对输电导线进行检查维修。
[0066] 步骤S107，若比较值小于预设阈值，则输电导线运行正常。
[0067] 若 时，说明输电导线的运行前2阶模态频率相对前2阶模态频率的变化在标准值范围内，输电导线运行正常，无需对输电导线进行维护。
[0068] 若输电导线运行异常，将重构的相位变化信号 进行放大(振动放大算法)，即各元素乘以放大系数α，叠加相位基准信号后得到重构的相位信号 根据复数金字塔重构原理，得到振动放大视频以观察输电导线运行异常的动态情况，即视频图像。同样的方法，可以得到输电导线在基准状态下的动态情况，将两种状态下的动态情况进行对比，可以得出输电导线的异常情况，维护人员得到需要维护的地方的动态信息，对输电导线进行维护。
[0069] 请参见图2，本发明还提供了一种输电导线运行状态监测装置100，该监测装置100用于执行以上实施例中任一种输电导线运行状态监测方法，以能够实现对输电导线的在线监测。
[0070] 具体地，该监测装置100依次包括图像采集模块110、图像传输模块120、图像转换模块130、数据分析模块140和存储模块150。
[0071] 图像采集模块110配置成采集输电导线的视频模拟信号，在一些具体实施例中，图像采集模块110可以但不限于使用工业摄像机，图像采集模块110非接触式获取输电导线在基准和运行状态的视频信息。
[0072] 图像传输模块120配置成传输视频模拟信号。
[0073] 图像转换模块130配置成模/数转换，将视频模拟信号转换为视频数字信号，并存储上述数字信号。
[0074] 数据分析模块140配置成分析上述数字信号。具体地，根据图像获取模块获取的基准和运行状态下的视频信息，分别获取基准和运行状态下的前2阶模态频率。具体的分析过程见上文监测方法中的分析，在此不赘述。
[0075] 进一步地，数据分析模块140还配置成比较基准前2阶模态频率和运行前2阶模态频率。
[0076] 数据分析模块140还配置成运行振动放大算法，并设定预设阈值进行判别。具体的比较过程见上文监测方法中的分析，在此不赘述。
[0077] 存储模块150配置成存储上述视频模拟信号和数字信号，以方便提取上述信号进行处理。
[0078] 该监测装置100投入运行时，首先将工业摄像机安装于输电塔塔端，调节摄像机镜头焦距，选择大小合适的视野范围，通过工业摄像机获取输电导线的视频信息，将输电导线视频信息转化为模拟视频信号，输入到图像转换模块120，将视频模拟信号转为数字信号，存储在存储模块150中，再经过图像传输模块120将视频模拟信号和数字信号传输到数据分析模块140，即可得到连续完整的输电导线运行视频流。通过数据分析模块140处理，得到输电导线在基准状态和运行工况下的模态频率，以及相对应的放大视频，然后进行对比分析并诊断输电导线的运行状态，实现输电导线振动特性的实时、自动、非接触式监测。
[0079] 该监测装置100的工作原理是，通过实时监测输电导线的振动特性(前2阶模态频率)，获得基准状态下的模态频率，并同运行状态下的输电导线模态频率进行对比分析，判断输电塔线体系是否发生连接松动，导致输电导线夹持刚度不足，降低结构固有频率，便于及时发现塔线体系的安全隐患，提前采取检修措施，保证输电网络安全运行。
[0080] 本发明提供的输电导线运行状态监测方法和装置，结构简单、可操作性强、精度高，利用工业摄像机非接触获取输电导线的基准和运行状态的视频信息，分别分析基准和运行状态下的视频信息，降噪并对不重要的的特征进行去除，以提高监测的精度。通过获取输电导线的视频信息，并对视频信息进行处理后，可以直观地为检修工作提供技术指导。
[0081] 进一步地，利用复数金字塔分解方法提取振动视频的相位信号和幅值信号。复数金字塔算法不同于传统的线性欧拉放大方法侧重对幅值信号进行放大处理，基于相位的方法具有更优良的性质和更大的放大倍数，并且其抑制噪声的能力也大大提高，因为这种方法针对相位信号进行处理，而不是幅值信号，这不会增加空间噪声的大小，可以证明基于相位的方法可以获得更大的振动放大率和更少的失真。
[0082] 本领域普遍技术人员可以理解实现上述实施方式中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成，的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。
[0083] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在相同处理器中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在相同单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
[0084] 上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是手持式电子设备，如智能手机、笔记本电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、智能式穿戴式设备等，也可以是桌面式电子设备，如台式机、智能电视等)或处理器(Processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或者光盘等各种存储程序代码的介质。
[0085] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或系统也可以由同一个单元或系统通过软件或者硬件来实现。第一、第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0086] 最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
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