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輸電線路覆冰是一種自然現(xiàn)象，常發(fā)生于冬季。自1954年首次記錄到電網(wǎng)覆冰事件以來，因覆冰引發(fā)的冰雪災(zāi)害事故對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了巨大的沖擊并給人民正常生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重影響。

覆冰導(dǎo)致電氣設(shè)備的絕緣性能顯著下降，一旦超出設(shè)計(jì)的抗冰能力，就可能引起線路過載、斷線、閃絡(luò)跳閘等事故。若未能及時(shí)處理線路上的積雪與覆冰，當(dāng)覆冰掉落時(shí)，輸電線將發(fā)生舞動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致桿塔變形、折斷、倒塌，使當(dāng)?shù)仉娏?yīng)完全癱瘓，造成大范圍停電事故。

歷史數(shù)據(jù)表明，冰災(zāi)事故對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行有極大影響：2008年，我國(guó)南方冰災(zāi)導(dǎo)致36000多條10kV及以上線路因故障停運(yùn)，超過2000座35kV及以上變電站無法正常工作；2009年底至2010年初，我國(guó)北方多省發(fā)生大面積線路覆冰，53條500kV線路，97條220kV線路及44條110kV線路因覆冰發(fā)生舞動(dòng)現(xiàn)象，并引起多條線路故障，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)正常運(yùn)行。

由于覆冰對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的嚴(yán)重影響，有必要對(duì)線路的覆冰狀態(tài)進(jìn)行偵測(cè)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)覆冰并采取應(yīng)對(duì)措施。許多高校與科研機(jī)構(gòu)已在此方面開展研究。早期的覆冰偵測(cè)主要采用人工觀冰的方式，由運(yùn)維人員在觀冰站使用稱重法模擬導(dǎo)線覆冰后質(zhì)量的變化情況，并根據(jù)公式反推冰層厚度，從而判斷此時(shí)線路的覆冰狀態(tài)。但該方法受制于精度與安全性，正逐漸被其他方法取代[7]。

為解決人工觀冰法的缺陷，通過監(jiān)測(cè)終端采集現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)控中心進(jìn)行分析的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)法應(yīng)運(yùn)而生。目前主流的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法根據(jù)目標(biāo)對(duì)象不同，劃分為物理方法與圖像處理方法兩大類。

物理方法主要通過機(jī)械傳感器測(cè)量各物理參量，并構(gòu)建力學(xué)模型進(jìn)行綜合判斷，如考慮垂直比載變化特性的線路覆冰狀態(tài)力學(xué)分析模型，結(jié)合風(fēng)載荷及不均勻冰校正系數(shù)的改進(jìn)力學(xué)模型，導(dǎo)入風(fēng)偏因素的改進(jìn)力學(xué)模型等。基于物理參量與力學(xué)模型的偵測(cè)方法具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳感器價(jià)格昂貴且易受環(huán)境干擾的缺陷。

圖像處理方法需要通過攝像機(jī)采集輸電線路圖像，再結(jié)合機(jī)器視覺與機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析線路覆冰狀態(tài)。比如在桿塔上安裝四目攝像機(jī)拍攝圖像，并采用基于三維即時(shí)成像立體視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)覆冰厚度測(cè)量；華南理工大學(xué)郝艷捧等通過3階B樣條函數(shù)結(jié)合Hough變換識(shí)別覆冰導(dǎo)線；此外，也有采用無人機(jī)搭載攝像機(jī)航拍線路圖像后通過算法計(jì)算冰層厚度的方案。

以上方法均能夠偵測(cè)線路覆冰狀態(tài)，但多目攝像機(jī)安裝難度大，且在桿塔上使用易受大風(fēng)影響而振動(dòng)，影響辨識(shí)精度；使用單目攝像機(jī)獲取圖像，受環(huán)境影響不大，但該方法計(jì)算過程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不足；采用無人機(jī)巡航的方案，嚴(yán)重受制于冰災(zāi)環(huán)境的惡劣天氣，無法正常工作。

綜上所述，現(xiàn)有的輸電線路覆冰偵測(cè)方法各有不足，在綜合分析各方法優(yōu)缺點(diǎn)后，福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院、國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司寧德供電公司的研究人員提出一種基于改進(jìn)K均值聚類的輸電線路覆冰狀態(tài)偵測(cè)方法。

圖1 整體方法流程

該方法通過機(jī)器視覺算法處理單目攝像機(jī)拍攝的圖像，從而實(shí)現(xiàn)輸電線路覆冰狀態(tài)辨識(shí)。整體方法簡(jiǎn)單高效，能夠定位圖像中的輸電線路導(dǎo)線，在此基礎(chǔ)上求解此刻導(dǎo)線的寬度并結(jié)合參考值獲取冰層厚度。根據(jù)冰層厚度及歷史覆冰數(shù)據(jù)綜合分析，可以判斷輸電線路當(dāng)前的覆冰狀態(tài)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境測(cè)試結(jié)果表明，所提方法在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同天氣、光照條件下均能準(zhǔn)確定位導(dǎo)線并判斷覆冰狀態(tài)；在實(shí)驗(yàn)環(huán)境的簡(jiǎn)單背景下，誤差不超過±0.1cm，復(fù)雜背景下誤差也小于±0.2cm，誤差率均在5%以內(nèi)，充分表明所提方法具有良好的性能，具備較高的辨識(shí)精度，滿足工程實(shí)際需求，可輔助電力部門及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的冰雪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

本文編自《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種基于改進(jìn)K均值聚類的輸電線路覆冰狀態(tài)偵測(cè)方法”，作者為翁秉鈞、楊耿杰等。