本發(fā)明涉及配網(wǎng)架空線路運(yùn)維，特別涉及一種配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置。

背景技術(shù)：

1、冬季是低溫少雨的氣候，當(dāng)?shù)蛯哟髿庵杏心鏈貙?，近地表溫度?5到-1℃之間時(shí)，滴落在其上的雨水就會(huì)凍結(jié)成雨凇，并迅速地包覆住輸電線，很容易形成線路覆冰，而在降雪時(shí)，輸電線上也容易出現(xiàn)積雪。當(dāng)覆冰積雪產(chǎn)生的掛冰載荷超過一定的極限值，會(huì)使桿塔倒塌令供電中斷，危及輸電安全，輸電線路覆冰對(duì)世界各國均造成過巨大危害。

2、目前，面對(duì)覆冰較厚的輸電線路情況，一般只能采用人工線上除冰的方法進(jìn)行清除操作，而使用人工除冰不僅安全保障較低，且效率較低。人工除冰方法有時(shí)會(huì)受到地形、地貌、氣候和安全等條件的限制，在工作效率上難以滿足大規(guī)模除冰任務(wù)的需求，當(dāng)輸電線上的覆冰較厚且凍結(jié)了較長(zhǎng)的時(shí)間，使用人工方法進(jìn)行除冰還常常會(huì)出現(xiàn)無法徹底清除，容易二次結(jié)冰，甚至出現(xiàn)不能有效除冰的情況。

3、輸電線路的覆冰問題一直部分地區(qū)在冬季面臨的一個(gè)顯著挑戰(zhàn)，它不僅威脅到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還增加了工人進(jìn)行除冰作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于目前存在的問題，本發(fā)明提供一種配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置，此裝置專為高壓輸電線路設(shè)計(jì)，能自動(dòng)檢測(cè)線路覆冰情況并快速進(jìn)行除冰，從而保障電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置，該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置包括振動(dòng)模塊、取電模塊和觀冰模塊，其中取電模塊和觀冰模塊安裝于第一殼體內(nèi)，振動(dòng)模塊安裝于第二殼體內(nèi)，取電模塊對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電；所述配網(wǎng)架空線路上安裝有若干套配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置，觀冰模塊利用ai圖像識(shí)別對(duì)配網(wǎng)架空線路進(jìn)行覆冰檢測(cè)，并能夠向振動(dòng)模塊傳輸控制指令；振動(dòng)模塊啟動(dòng)后，裝置與輸電線路固有頻率相匹配引發(fā)共振，增強(qiáng)導(dǎo)線的振動(dòng)幅度，使輸電線路舞動(dòng)，從而進(jìn)行導(dǎo)線的防冰保護(hù)。

4、進(jìn)一步，所述觀冰模塊包括配備加熱組件的500萬像素光學(xué)攝像頭、4g天線、空氣溫濕度傳感器、導(dǎo)線溫度傳感器和振動(dòng)傳感器；所述光學(xué)攝像頭、4g天線、空氣溫濕度傳感器、導(dǎo)線溫度傳感器和振動(dòng)傳感器均與第一殼體內(nèi)的電源電路板連接，且第一殼體軸側(cè)設(shè)有配合配網(wǎng)架空線路穿過的通孔。

5、進(jìn)一步，所述觀冰模塊進(jìn)行覆冰檢測(cè)，包括以下步驟：

6、步驟1，通過光學(xué)攝像頭、空氣溫濕度傳感器、導(dǎo)線溫度傳感器和振動(dòng)傳感器分別采集配網(wǎng)架空線路圖像、外部環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)、導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)和導(dǎo)線固有頻率數(shù)據(jù)，并通過4g天線傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)；步驟2，后臺(tái)管理系統(tǒng)通過灰度修正進(jìn)行圖像增強(qiáng)，得到預(yù)處理圖像；步驟3，使用小波變換或形態(tài)學(xué)方式對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)；步驟4，基于擬合角平分線方式進(jìn)行邊界跟蹤，得到圖像邊緣提取結(jié)果；采用像素級(jí)融合方式進(jìn)行圖像融合；讀取裸線圖像數(shù)據(jù)與圖像融合后數(shù)據(jù)比對(duì)，輸出配網(wǎng)架空線路覆冰判定結(jié)果。

7、進(jìn)一步，所述步驟2中灰度修正采用直方圖均衡化，基于概率論原理，通過調(diào)整像素點(diǎn)的灰度值，使得整個(gè)圖像的灰度分布更加均勻；

8、若一幅灰度圖像的灰度級(jí)數(shù)為n，假設(shè)灰度級(jí)為i的像素點(diǎn)出現(xiàn)概率為pi，圖像中i級(jí)灰度所對(duì)應(yīng)的熵為：

9、e(i)＝-pilog?pi

10、式中，e(i)為圖像中i級(jí)灰度所對(duì)應(yīng)的熵；pi為灰度級(jí)為i的像素點(diǎn)出現(xiàn)概率。

11、進(jìn)一步，所述取電模塊包括電流互感器、與電流互感器連接的儲(chǔ)能元件、以及與儲(chǔ)能元件并聯(lián)的整流電路；所述整流電路包括位于電流互感器與儲(chǔ)能元件間連接線路上的鉗位電路、整流濾波電路、以及dc/dc模塊；所述儲(chǔ)能元件采用磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容；當(dāng)一次輸電電流較小時(shí)，儲(chǔ)能元件作為補(bǔ)充儲(chǔ)能對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電；當(dāng)一次電流較大，二次輸出功率較大時(shí)，電流互感器直接對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電，并且將多余電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件。

12、進(jìn)一步，所述電流互感器的設(shè)計(jì)過程如下：

13、根據(jù)電磁理論，設(shè)輸出電壓的峰值為u，得：

14、u＝4.44fn2φm

15、φλm＝bms

16、式中，f為線圈激勵(lì)電流的頻率；n2為特制線圈繞制匝數(shù)；φm為線圈橫截面的磁通量幅值；bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值；s為鐵心截面積；λ為鐵心疊片系數(shù)；

17、由安培環(huán)路定律：

18、h?lm＝n?i1

19、式中，hm為磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值；n1為一次側(cè)繞組匝數(shù)；l為平均磁路長(zhǎng)度；i為一次側(cè)繞組中的電流；

20、磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值bm與磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值hm的關(guān)系為：

21、bm＝μμ0rhm

22、式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；

23、由此能夠計(jì)算出相應(yīng)的取能線圈繞阻匝數(shù)，選取適合除冰裝置的電流互感器來進(jìn)行輸電導(dǎo)線感應(yīng)取電，對(duì)觀冰模塊和振動(dòng)模塊供電。

24、進(jìn)一步，所述振動(dòng)模塊包括安裝于第二殼體內(nèi)的電路板上的單片機(jī)、與單片機(jī)連接安裝于配網(wǎng)架空線路上的振動(dòng)發(fā)生裝置、以及加速度計(jì)；所述振動(dòng)發(fā)生裝置采用慣性式激振器，其通過電機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使偏心塊或偏心輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)；所述單片機(jī)和加速度計(jì)均安裝于第二殼體內(nèi)的電路板上，且電路板與取電模塊連接，第二殼體軸側(cè)設(shè)有配合配網(wǎng)架空線路穿過的通孔。

25、進(jìn)一步，所述振動(dòng)模塊的工作過程如下：

26、步驟i，后臺(tái)管理系統(tǒng)根據(jù)配網(wǎng)架空線路覆冰檢測(cè)結(jié)果，向振動(dòng)模塊下達(dá)啟動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的全面初始化，并進(jìn)入持續(xù)運(yùn)行的工作狀態(tài)；

27、步驟ii，工作時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生pwm波控制振動(dòng)發(fā)生裝置的振動(dòng)頻率，同時(shí)加速度計(jì)收集加速度數(shù)據(jù)計(jì)算為振幅數(shù)據(jù)，作為反饋控制振動(dòng)發(fā)生裝置始終運(yùn)行在振幅最大點(diǎn)。

28、進(jìn)一步，步驟ii中，基于卡爾曼濾波、傅里葉變換和時(shí)域積分三種算法的協(xié)同作用，對(duì)加速度計(jì)收集加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，計(jì)算出振幅數(shù)據(jù)，具體計(jì)算過程如下：

29、步驟一，架空導(dǎo)線上的覆冰積雪，在振動(dòng)發(fā)生裝置不間斷周期性外力的作用下，產(chǎn)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)發(fā)生裝置轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的周期性的外力，即為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力f設(shè)為：

30、f＝f0cosωt

31、式中，f0為驅(qū)動(dòng)力幅值，ω為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；t為時(shí)間；

32、在驅(qū)動(dòng)力下，運(yùn)動(dòng)方程為：

33、

34、令m＝2β，則得到：

35、

36、式中，m為物體的質(zhì)量；x代表物體的位置；t為時(shí)間；k為彈性常數(shù)；f0為驅(qū)動(dòng)力的幅值；ω為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；ω0為固有頻率；β為阻尼系數(shù)；

37、基于等幅運(yùn)動(dòng)，則得到：

38、

39、式中，x代表物體的位置；a為振幅；ω為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；t為時(shí)間；φ0為初相位，表示運(yùn)動(dòng)開始時(shí)的位置相位；

40、根據(jù)理論計(jì)算，得到振幅為：

41、

42、式中，f0為驅(qū)動(dòng)力的幅值；m為物體的質(zhì)量；ω0為固有頻率；ω為驅(qū)動(dòng)力的角頻率；β為阻尼系數(shù)；

43、步驟二，基于步驟一得到的振幅數(shù)據(jù)，進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算，卡爾曼濾波會(huì)根據(jù)各測(cè)量量在不同時(shí)間下的值，考慮各時(shí)間下的聯(lián)合分布，再產(chǎn)生對(duì)未知變數(shù)的估計(jì)；

44、預(yù)測(cè)狀態(tài)估計(jì)：

45、xk|k-1＝fkxk-1|k-1+bkuk

46、式中，xk|k-1為k時(shí)刻對(duì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)估計(jì)；xk-1|k-1為k-1時(shí)對(duì)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)；fk為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；bk為控制矩陣；uk為外部控制輸入；

47、預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差：

48、

49、式中，pk|k-1為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；fk表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，用于描述從時(shí)刻k-1到時(shí)刻k狀態(tài)的變化；pk-1|k-1為k-1時(shí)對(duì)狀態(tài)誤差的最優(yōu)估計(jì)協(xié)方差矩陣；qk為過程噪聲的協(xié)方差矩陣；為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣fk的轉(zhuǎn)置，表示對(duì)誤差傳播的影響；

50、更新卡爾曼增益：

51、

52、式中，kk表示卡爾曼增益；pk|k-1為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；hk為觀測(cè)矩陣；為觀測(cè)矩陣hk的轉(zhuǎn)置；rk為觀測(cè)噪聲的協(xié)方差矩陣；

53、更新狀態(tài)估計(jì)：

54、xk|k＝xk|k-1+kk(zk-hkxk|k-1)

55、式中，xk|k表示在時(shí)刻k更新后的狀態(tài)估計(jì)；xk|k-1為k時(shí)刻對(duì)狀態(tài)的預(yù)測(cè)估計(jì)；kk表示卡爾曼增益；zk為時(shí)刻k的觀測(cè)值；hk為觀測(cè)矩陣；

56、更新誤差協(xié)方差：

57、pk|k＝(i-kkhk)pk|k-1

58、式中，pk|k為在時(shí)刻k更新后的狀態(tài)誤差協(xié)方差矩陣；i為單位矩陣；kk表示卡爾曼增益；hk為觀測(cè)矩陣；pk|k-1為k的預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差矩陣；

59、通過預(yù)測(cè)狀態(tài)估計(jì)、預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差、更新卡爾曼增益、更新狀態(tài)估計(jì)和更新誤差協(xié)方差進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)；

60、步驟三，信號(hào)從時(shí)域描述變換成頻域描述稱為時(shí)頻域變換：

61、n點(diǎn)序列x(r)的n點(diǎn)離散傅里葉變換可表示成：

62、

63、式中，x(k)為離散傅里葉變換(dft)后的頻域信號(hào)，表示對(duì)應(yīng)頻率k的復(fù)數(shù)幅度和相位信息；x(r)表示時(shí)域信號(hào)，表示在時(shí)刻r的樣本值；e(j2π/n)kr表示復(fù)指數(shù)函數(shù)，用于將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域，形成頻率k的基函數(shù)；j為虛數(shù)單位；n為信號(hào)的總采樣點(diǎn)數(shù)；k頻域信號(hào)的索引，取值范圍從0到n-1；r為時(shí)域信號(hào)的索引，取值范圍從0到n-1；

64、步驟四，通過時(shí)域積分將加速度振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度或位移信號(hào)：

65、時(shí)域積分算法如下：

66、

67、式中，y(k)在時(shí)刻k的積分結(jié)果，表示從時(shí)域信號(hào)x中計(jì)算得到的積分值；δt為時(shí)間步長(zhǎng)，表示兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔；x(i)為時(shí)域信號(hào)的采樣值，在時(shí)刻i的信號(hào)值；i為積分過程的索引，表示從1到k的每一個(gè)采樣點(diǎn)；k表示當(dāng)前的時(shí)刻索引，從1到n進(jìn)行積分。

68、本發(fā)明的有益效果是：

69、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置將極大地提升輸電線路的管理效率，降低因線路覆冰導(dǎo)致的電力事故。同時(shí)，自動(dòng)化的除冰過程減少了工人在惡劣天氣條件下作業(yè)的需要，顯著提高了工作安全性。此外，通過減少人工干預(yù)，還可以降低運(yùn)維成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

70、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置能適用于高原山區(qū)多變氣候條件的輸電線路除冰系統(tǒng)，能夠有效應(yīng)對(duì)和清除各類型的覆冰(如透明冰、霜冰等)，確保輸電線路在各種惡劣天氣條件下的穩(wěn)定運(yùn)作。

71、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置能夠最小化對(duì)輸電線路的機(jī)械沖擊，避免由于操作粗暴導(dǎo)致線路損傷或故障。

72、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置確保除冰技術(shù)在有效移除覆冰的同時(shí)，不會(huì)對(duì)導(dǎo)線材料造成任何形式的損害。通過精確控制除冰力度和作用方式，維護(hù)導(dǎo)線的完整性和使用壽命。

73、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置采用模塊化設(shè)計(jì)理念，使除冰系統(tǒng)具備高度的靈活性和可配置性。根據(jù)不同地理位置、氣候條件及覆冰特性，可以快速調(diào)整或替換系統(tǒng)的特定模塊，以適應(yīng)不同的除冰需求。

74、該配網(wǎng)架空線路覆冰監(jiān)測(cè)及清除裝置能夠自動(dòng)感知覆冰的形成和程度，實(shí)時(shí)啟動(dòng)除冰程序，并在無需人工干預(yù)的情況下完成整個(gè)除冰過程，實(shí)現(xiàn)早期干預(yù)，減少人力需求，提高反應(yīng)速度和效率。