1.背景及意义

    架空输电线路是电力系统中传输电能的重要组成部分，而在特高压输电线路的建设中，环境对其运行的影响也是一个不容忽视的问题。极端气候条件、风振以及特殊环境等因素都可能引起输电线路故障，而导线断线造成的危害最为巨大。导线断股是断线的早期征兆，不同条件下会发生断股。虽然近年来导线质量不断提高，施工过程更加规范，但导线断股故障仍然无法避免。因此，如何提高运行维护效率，降低电能损耗，保证特高压输电线路安全运行也显得十分重要。

    为了避免输电导线发生断线故障，及时识别导线断股进行修补或更换是一种有效措施。然而，微风振动可能导致输电导线局部磨损或断股，这些问题往往难以在初期发现。因此，使用振动分析和模态参数提取方法来识别输电导线的断股是一种可行的解决方案。对输电导线微风振动机理和断股识别技术进行深入研究，有助于指导输电导线的维护、维修和管理决策。

2.输电线断股的识别

    导线微风振动本身与其结构密切相关，微风振动的信号包含了大量的导线结构信息，如质量、刚度、阻尼比等模态参数。当输电导线发生断股时，由于导线的长度、预张力和单位长度质量不变，但抗弯刚度会发生变化，导致输电线的固有频率发生变化。因此，使用输电线的固有频率（包括高阶固有频率）进行其导线的断股识别是一种有效的方法。【1-2】

    目前越来越多的输电铁塔都加装了监控摄像头，如图1所示。

    视频微振动监测技术可以通过视觉方式获取输电线的微风振动信息。这种技术可以采用计算机视觉算法进行处理，通过图像处理技术从视频中提取出输电线的模态信息，得到输电线的位移、振动频率等模态信息。利用目前已经安装的监测摄像头，通过对这些信息的分析，可以建立每一根导线的“动力学指纹”。根据文献[1]的研究，输电线断股可以导致其固有频率的变化，参见表1。基于文献[1]的研究成果，对于每根输电线的“动力学指纹（1-高阶的固有频率）”进行长期监测和自动比对，可以实现对输电线断股状态进行实时监测。

    这种方法可以快速、高效地检测输电线是否存在断股等问题，以便及时修复，避免断电事故的发生。利用视频监测技术进行输电线微风振动监测具有很高的应用前景。它可以帮助电力公司实现输电线路的实时监测和预测性维护，避免线路故障的发生，保障供电的稳定性和安全性。

3.视觉微振动监测技术

    风载荷会使输电导线在其固有频率处产生振动，但其振动幅值是非常微小的。对于在较远距离采集的视频，这种微小振动的幅值往往处于亚像素级，视觉振动分析技术首先对其进行微小运动放大，然后在运动放大后的视频中对感兴趣的区域（ROI, Region of Interest）进行振动幅值、频率和相位的测量，如图2所示。

    针对微小运动的视觉振动分析技术是近几年美国麻省理工学院团队提出的将视频中微小运动进行放大的新技术方法，该技术犹如一个“运动显微镜”能帮助人们观察到图像像素中细微的差异变化，并在视觉上形成一个运动放大的效果，如图3所示。

    视觉振动分析技术中的微运动放大部分是一种线性的基于欧拉的微小运动放大方法（Eulerian Video Magnification, EVM）[5]，算法框架如图3所示。

    视觉振动分析算法对视频进行运动放大技术处理主要包括以下四个步骤：

1.空域分解：将视频中的每一帧进行2维图像金字塔分解，得到不同空域分辨率的视频，参见图3中空域分解部分；

2.时域滤波：依据被测物振动的大体频带，对金字塔上不同尺度的图像进行频域带通滤波处理，以提高信噪比，参见图3中时域滤波部分；

3.运动放大：对带通滤波后的图像信号进行线性放大并加到原图像信息中，参见图3中运动放大部分；

4.视频重构：将不同频带的图像进行金字塔重建，最后合成经过放大后的图像，参见图3中视频重构部分。

    在运动放大后的视频中，对视频每一帧中的ROI进行图像互相关计算，获取其沿画幅（帧）X，Y轴的像素位移时序。对此位移时序进行快速傅里叶变换，在采样定理决定的0Hz至1/2视频采样帧率（fps）的频域内，对风机固有频率进行辨识和测量。

4.对输电线中部区域的试验

4.1 试验目的和条件

    输电线中部区域在微风作用下，振动位移较大，但相距监测摄像头的位置较远，摄像头自身振动对测量影响较大。此试验目的：对于目前已经投入使用的监测摄像头，针对此种典型的测量区域是否可以准确地测量输电导线的振动位移、固有频率。

1. 拍摄设备：固定于输电铁塔底部的监测球机摄像头（可变焦）；

2. 测量对象：对内蒙古电力公司巴德一线143号输电铁塔上监控球机所采集的监测视频进行视觉微振动分析，如图4所示;

3. 风速：2m/s;

4. 视频帧率：15fps；

5. 焦距：24倍变焦，变焦后效果参见图5；

6. 待测对象物理尺寸：500mm*500mm，在平面内标记大于等于4个点的物理尺寸坐标，可以测量此平面内X，Y轴方向的绝对振动位移，平面内物理尺寸的坐标标记参见图5.

7. 测量方向：X轴方向，参见图5；

8. 测量区域：选择2处测量区域，参见图6。

4.2测量结果

    对7分钟的监测视频进行视觉微振动分析，可以获取其时域信号和振动频谱，可以得到：

1. 时域信号非常强烈、清晰，测量区域的振动峰峰幅值在10mm左右，已安装的摄像头可以获得至少1mm的振动测量精度，参见图7；

2. 频域中存在非常显著的1-7阶输电线的固有频率，参见图8。

5.输电线和输电铁塔连区域的试验

5.1 试验目的和条件

    输电线与输电铁塔连接区域在微风作用下，振动位移最小。此试验目的：对于目前已经投入使用的监测摄像头，针对此种振动位移最小的部位是否可以准确地测量输电导线的振动位移和固有频率。

1. 测量对象：巴德一线001号输电铁塔顶部绝缘子，如图9所示；

2. 拍摄条件与4.1中一致，但测量对象为绝缘子；

3. 可以建立像素与物体尺寸的对应关系，如图9所示。

4. 测量方向为视频画幅中的Y轴，如图9所示；

5. 选择测量区（红色框：绝缘子）和参考区（绿色框：铁塔），如图9所示；

图9 待测对象：绝缘子

5.2测量结果

    对5分钟的监测视频进行视觉微振动分析，可以获取其时域信号和振动频谱，可以得到：

1. 相比于输电铁塔参考区（绿色），绝缘子测量区（红色），振动信号清晰，振动峰峰幅度大致在1mm左右；

2. 频域中，相对于参考区，测量区的频谱存在明显峰值，如图11所示；由于绝缘子结构与输电线不同且摄像头为仰视拍摄，频峰还难以确定所属。

6.结论

    通过对输电线的两个部位（中部和铁塔连接的绝缘子部位）进行视觉微振动放大和测量，可以获得如下结论：

1. 使用已安装的摄像头，可以在输电线中部测量其1至7阶的固有频率，可以建立输电线动力学指纹，为输电线断股评估奠定了基础；

2. 对与铁塔连接的绝缘子部分进行测量，通过测量区域和参考区域的对比，实证了测量的真实性和可靠性。绝缘子振动幅度测量精度大致在0.2mm左右；同时，其频谱可作为绝缘子与铁塔连接螺栓可靠性的动力学指纹；

3. 使用已安装摄像头所拍摄的视频进行时域、频域分析，为每一根导线建立动力学指纹，为其断股评估、螺栓连接可靠性评估开辟了一个低成本、高效率的技术路径。

参考文献：

1.赵隆.输电导线振动机理与断股识别方法研究. 博士电子期刊，西安电子科技大学，博士学位论文，2020年第2期

2.Cheng Wang, Shufan Wang，etc.Research on the Identification Method of Overhead Transmission Line Breeze Vibration Broken Strands Based on VMD−SSA−SVM.Electronics ( IF 2.690 ) Pub Date : 2022-09-23.