基于红外热成像技术的架空输电线路高温监测方法

王兵

（宁夏送变电工程有限公司，宁夏 银川 750004）

0 引言

架空输电线路作为电网的“血脉”，其运行状况关系到电网的安全与效率，一旦发生故障将会造成重大的经济损失。相关调查结果显示，在电力系统中许多电力系统的失效都与高温有关［1］。在大量断电事件中，由设备局部发热引起的断电维修是经常出现的情况。例如，由于电缆接口等连接部分老化或因接触电阻增大产生高温，使邻近的连接部件工作状态恶化，严重时会发生故障。架空输电线路长期暴露在自然环境中，线路的老化、磨损及环境因素等都可能引发线路故障，导致温度异常升高［2］。传统的架空输电线路高温监测方法主要依赖人工定期对线路进行巡视和检查，发现异常情况立即处理。然而，这种方法工作量大、效率低，而且在恶劣天气和复杂地形条件下，人工巡检存在一定的安全风险。近年来，随着技术的发展，国内有较多研究者通过高新技术与计算机算法，实现对架空输电线路的高温监测。麻卫峰［3］提出采用机载激光雷达对架空输电线路进行巡检，通过点云数据，获取输电线路三维空间信息，实现对输电线路的高温监测。曾繁祎等［4］提出采用光纤传感技术监测输电线路运行，分析光纤传感技术的应用环境及特征，选择合适的布设方案对输电线路运行过程中的振动、温度和光学反应进行全方位监测。这种方法可通过分析光时域反射仪的监测数据实现，但容易受到环境影响而导致监测结果降低。李勇辉等［5］基于射频技术设计一种输电线路智能测温巡检方法，通过安装射频装置，实时在线监测输电线路导线和线夹节点的温度，实现输电线路的温度监测。

红外热成像技术能快速、准确地检测出线路中的热异常，提高监测效率和准确度。架空输电线路高温监测首先需要具备实时监控的能力，在监控过程中，一旦发现任何异常发热情况，能立即发出警报；其次，应具备远程指挥、调度、调节的能力，以便在不同的架空输电线路上进行远程管理和控制；最后，由于架空输电线覆盖范围较广，在监测点较多的情况下，需要选择通信速率和响应时间更快的通信方式，以确保对每一个监测点进行及时数据传输和查询。为此，本文提出一种基于红外热成像技术的架空输电线路高温监测方法，旨在实现对架空输电线路高效、准确和稳定监测。

1 设计方案

1.1 架空输电线路红外热成像扫描

一切物体的表面温度高于绝对零度时，都会向外发射外辐射红外能量，物体温度越高，发射的外辐射红外能量越多，该能量又称红外线，物体温度的空间分布可以用红外线表示［6］。红外热成像技术就是利用该原理，将温度的空间分布以图像的形式呈现。目标发热和散热等参数是影响红外热成像效果的重要因素，这些参数的获取直接决定了成像效果，扫描目标装置发出的红外线并将其转化为电信号，形成物体的红外热图像。鉴于红外热成像技术的优势，本文采用该项技术对架空输电线路进行高温监测。通过对架空输电线路进行红外热成像扫描，获取架空输电线路红外热图像信息［7］。根据架空输电线路高温监测的需求，此次采用型号为IYHFA-A4F88 的红外热像仪，选择UKFA-AFGA8 型无人机作为红外热像仪搭载装置，将红外热像仪安装在无人机上，按表1 的数值对红外热像仪进行参数设定。

表1 红外热成像技术参数

在对架空输电线路进行红外热成像扫描之前，利用红外热像仪以不同的扫描方式扫描架空输电线路不同的空间。红外热像仪将架空输电线路的扫描空间划分为多个面元，按顺序对其进行帧图像扫描，扫描时间为

其中：td表示架空输电线路第d个面元红外热成像扫描时间；T表示红外热成像扫描周期；x表示第d个架空输电线路面元；g表示红外热像仪扫描帧频。按照公式（1）更新红外热像仪扫描时间的参数。为保证红外热成像的精度，对架空输电线路扫描时应尽量避开人体热源等红外辐射，扫描环境温度不能低于3.5 ℃，最佳相对湿度在10%～50%。将红外热像仪探头对准架空输电线路，逐个扫描架空输电线路面元，扫描到的红外热图像通过以太网发送到计算机上，用于后续线路的高温识别监测。

1.2 红外热图像非线性平滑滤波

红外热像仪对架空输电线路扫描期间，周围环境的温度会对生成的红外热图像质量产生影响，使输电线路的红外热图像中出现噪声分量，需通过对红外热图像非线性平滑滤波，去除图像中的噪声分量。非线性平滑滤波是利用图像概率密度函数区分图像中的噪点，假设架空输电线路红外热图像为y，概率密度函数用公式表示为

其中：p(y)表示架空输电线路红外热图像概率密度函数；pa表示与黑噪点相对应的概率；m表示架空输电线路红外热图像灰度值；a表示黑噪点；pb表示与白噪点相对应的概率；b表示白噪点。根据架空输电线路红外热图像像素点的灰度值，计算出架空输电线路红外热图像的灰度中值，计算公式为

其中：B表示架空输电线路红外热图像灰度中值；Zxy表示架空输电线路红外热图像素坐标灰度值；Zmax表示红外热图像中灰度的最大值；Zmin表示红外热图像中灰度的最小值。将计算得到的红外热图像灰度中值代替公式（2）中黑噪点的灰度值，保留架空输电线路红外热图像概率密度函数中的白噪点，以此降低架空输电线路红外热图像的信噪比，进而消除红外热图像的噪声，为后续架空输电线路相对温差判断监测奠定基础。

1.3 架空输电线路相对温差判断监测

在消除红外热图像噪声的基础上，利用相对温差判断法对架空输电线路进行高温识别与监测，判断架空输电线路是否存在高温现象。本次研究中，基于相对温差判断法的架空输电线路高温监测机理如下：通过图像中某一架空输电线路结构单元的温升与温差，计算出该结构单元的相对温差，从而识别架空输电线路的高温状态。温升指的是物体在吸收或释放热量的过程中，温度出现升高或降低的现象［8］，这个过程可以是快速的也可以是缓慢的，取决于吸收或释放的热量以及物体本身的性质，温升计算公式为

其中：αi表示架空输电线路第i个结构单元的温升；εi表示红外热图像中架空输电线路第i个结构单元的温度；gi表示红外热图像中架空输电线路环境温度参照物的表面温度。温差为两个不同物体之间或同一物体不同部分之间的温度差异，在热量传递过程中，热量会从高温物体向低温物体传递，直到两者达到热平衡状态，温差计算公式为

其中：ηi表示架空输电线路第i个结构单元的温差；hi表示正常情况下架空输电线路第i个结构单元的最高温度［9］。根据架空输电线路的温升与温差，确定架空输电线路的相对温差，计算公式为

公式（6）中：K表示架空输电线路的相对温差［10］，相对温差越高，说明架空输电线路高温程度越大，如果架空输电线路的相对温差在20%内，说明此时架空输电线路温度正常，不存在高温现象；如果架空输电线路的相对温差超过20%，但不超过70%，监测结果显示为此时架空输电线路存在一般高温；如果架空输电线路的相对温差超过70%，但不超过90%，监测结果显示为此时架空输电线路存在重大高温；如果架空输电线路的相对温差超过90%，监测结果显示为此时架空输电线路为紧急高温［11］。按照以上规则，确定架空输电线路的高温程度，生成监测报告并输出，以此实现基于红外热成像技术架空输电线路的高温监测。

2 实验与分析

2.1 实验设计

选择基于机载激光点云的监测方法和基于光纤传感技术的监测方法进行实验测试。以某区域架空输电线路为实验对象，架空输电线路采用HFAAF-A58F 型号的电缆，形状为圆形，纤芯绞合方式为对绞，表面镀锌处理，纤芯导体材质为纯无氧铜。实验环境内架空输电线路总长为8 645.42 m，根据实际情况，准备一台红外热成像仪和一台无人机，通过对架空输电线路进行红外热成像扫描，采集到2 000 张红外热图像，通过图像非线性平滑滤波处理，图1 为随机抽选的1 张架空输电线路红外热图像。

图1 架空输电线路红外热成像示意图

红外热图像中识别到的输电线路发热点为2 000个，对发热点进行相对温差判断，得到相应的监测结果。表2 为随机抽选的10 根输电线路发热点的高温监测结果。

表2 架空输电线路高温监测结果

本次实验共监测到该架空输电线路一般高温1 148 个，重大高温652 个，紧急高温200 个。基于以上数据分析实验结果。

2.2 实验结果与讨论

实验指标：Recall（查全率）与F1是监测方法性能评价的2个重要指标，Recall计算公式为

其中：TF表示正确监测架空输电线路高温的数量；TP表示错误监测架空输电线路高温的数量。Recall值越高，说明监测精度越高。F1是用于综合评估监测方法性能的指标，结合了Recall与精确率，用来衡量方法在保持精确率和召回率之间平衡时的性能，其计算公式为

公式（8）中，precision表示架空输电线路高温监测的精确率。F1值越高，说明架空输电线路高温监测的精确性越高，方法的监测性能越好。以上2 个指标实验结果分别见表3和图2。

图2 架空输电线路F1曲线图

表3 架空输电线路高温Recall值（单位：%）

如表3 和图2所示，本文方法对架空输电线路高温监测的Recall值未低于95%，处于一个比较高的水平，比应用机载激光点云的方法高将近45%，比应用光纤传感技术的方法高将近55%，基本实现对架空输电线路高温的全面监测；本文方法的F1 值在0.75以上，最高值可达0.86，比应用机载激光点云的方法高将近0.25，比应用光纤传感技术的方法高将近0.31。因为本文方法采用了红外热成像技术，红外热成像技术对温度的灵敏度较高，所以能精准扫描和识别问题线路的温度，保证了架空输电线路高温监测的精度。通过以上对比分析，证明本文方法具有良好的高温监测性能，相比目前的监测方法，适用性和可靠性更强。

3 结语

架空输电线路高温是电力系统中一项重要的监测项目，通过检测输电线路的表面温度，发现输电线路中存在的潜在故障，预防事故的发生，提高电力系统的安全性和稳定性。红外热成像技术具有高灵敏度、高分辨率、非接触等特点，可快速、准确地检测出输电线路的微小温度变化，并通过分析和计算温度，对输电线路的健康状况进行评估，预防潜在的故障。本文介绍的基于红外热成像技术的架空输电线路高温监测方法，经实验证明，具有较高的效率和安全性。然而，本文方法仍存在一些不足之处，例如监测设备的成本较高，在恶劣天气和复杂地形条件下的应用受限。未来的研究方向可以包括开发更经济实用的监测设备，或研究更智能化的监测方法，提高设备在恶劣天气和复杂地形条件下的应用能力。