圖像背景修正對電纜終端狀態監測效果研究

汪利波，段建家，邱超

(1.浙江大立科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南株洲 412000)

0 引言

電力電纜由于其擁有穩定的供電可靠性、較小的占地面積等技術特點，常用于城市地下電網、發電站引出線路、工礦企業內部供電及過江海水下輸電線。橡塑交聯電力電纜(簡稱XLPE電纜)由于其電氣性能優越、耐熱性和機械性能好等特點，被廣泛地應用到電纜線路中，且使用率日益提高。但電纜附件制作由普通施工人員完成，對附件安裝工藝掌握不精通，電纜監督水平低，部分電纜附件帶缺陷投運。如35 kV電纜運維常年處于盲點，健康狀態基本欠佳，電纜故障頻發，2015年以來湖南省35 kV電纜平均故障率達11.1次/(百公里·年)。

在長期運行過程中，電力電纜載荷運行，且受安裝環境等因素影響容易出現短路、斷線、接地等故障，電力電纜本體及附屬配件故障屢見不鮮。采取有效的解決措施，將電力電纜故障率降低，提前發現故障先兆，保證電力設備安全、可靠運行十分重要。電力電纜出現問題的主要原因是長期受到外力、腐蝕、環境(高溫、高濕)等因素的影響，出現絕緣性能下降、失效。針對上述問題，行業內主要采用三種方案進行狀態檢測:接地電流檢測、局部放電檢測(超聲波、地電波、特高頻)、紅外熱成像檢測[1]。

1 常規的電纜缺陷監測方法

目前國內在電力電纜狀態領域檢測的主要方式有以下有種:局部放電測試法[2]、直流疊加法、直流分量法、低頻疊加法。

電力電纜異常部分會產生局部放電現象，利用高精度局放儀可檢測設備局部放電現象。直流疊加法是外接50 V電源，通過計算絕緣電阻值，計算電力電纜異常部位，通過劣化的絕對量，判斷電纜是否異常。直流分量法在直流疊加法的基礎上進行了改進，利用水樹枝整流效應，計算直流電流分量，判斷是否存在異常，該方式無外接電源，但是會受互層絕緣電阻與雜散電流的影響，因此準確度也無法進行保證。低頻疊加法現場實際應用也較多，在高壓回路與地面外加低頻電壓(7.5 Hz，20 V)，測量阻性電流，從而進行分析[3]。

以上方法中，直流疊加法、直流分量法、低頻疊加法容易實現，在線監測操作簡單，但是主要檢測電力電纜絕緣老化程度，無法在故障產生前進行預警，無法定位具體的故障部位，不便于現場應用[4]。

紅外熱成像的測溫原理是接收物體表面輻射的紅外能量[5－8]，將紅外能量轉換成溫度信息，進行故障分析判斷。相比較接地電流檢測、局部放電檢測技術，紅外熱成像檢測技術具有遠離被檢測設備，保證運維人員人身安全、大面積高效檢測，提高運維巡視效率，被動非接觸式測溫，不影響電力電纜正常運行，且能定位具體的異常部位等技術優點[9－15]。本文提出一種基于紅外熱成像背景修正技術的方式，可提高對電力電纜狀態監測的有效性。

2 背景修正技術原理與方法

2.1 設備選型與性能參數

電力電纜終端狀態監測裝置是一款可移動式在線測溫系統，如圖1所示。該系統主要有前端信號采集系統(紅外熱成像系統、可見光系統、聲波系統)、后端信號分析系統(控制中樞、傳輸系統、供電系統)組成。該系統具備IP66防護等級，可滿足常規現場環境使用需求。該裝置現場布置完成，可通過紅外熱成像系統實時檢測電力電纜設備狀態，通過4G網絡，將異常信息發送給遠端運維人員手機，實現對電力電纜的終端監測。

圖1 電力電纜終端狀態監測裝置

該裝置配備200萬30倍一體網絡攝像機，電動鏡頭，標準鏡頭(25 mm)，手動、自動云臺，碳纖維三腳架、雙光測溫攝像機、平板、主控箱、電池箱(選配)、移動線盤，內置天線支持4G、WIFI訪問。高溫預警、報警信息通過郵件及短信形式通知至運維人員[7]。

2.2 后端全數字測溫處理

1)在調試現場，對需要監視的電力設備設置預置位位置，并拍攝基準照片，其中紅外圖像為IRImage格式，高清圖像是CCDImage格式，如圖2和圖3所示。

圖2 電纜中間接頭異常發熱

圖3 電纜均壓頭異常發熱

2)在紅外基準圖像上標記電纜接頭關鍵部位的輪廓，同時標記背景溫度來源位置，如圖4所示。

圖4 電纜接頭關鍵部位輪廓

3)基于紅外熱成像圖像分析技術，在建模階段將設備輪廓勾勒出來。采用JPEG文件格式存儲當前巡檢測溫點位置信息的文件格式。在這個格式文件中，首先存儲JPEG格式的高清圖像信息，然后在JPEG文件的附件數據段中存儲紅外熱圖數據文件及設備位置信息。這個文件存儲在線巡檢系統在當前位置進行電纜接頭設備監測位置的所有信息，同時采用標準JPEG格式文件。

4)系統在自動巡檢工作過程中，首先需要將采集到的紅外熱圖通過自動識別匹配的方法，確定設備在實時熱圖中的位置。步驟如下:

①將前期建模完成的紅外輪廓熱圖IRImage作為基準模板S，每次巡檢采集的紅外熱成像IRImage2作為待處理模板。

②將基準設備模板圖像上設備多邊形為基準，按多邊型的周長為計算依據，在多邊型周邊上平均選取4個標點，作為4個設備數據特征點S1、S2、S3、S4。

③在基準設備模板的紅外熱成像數據中提取圖像關鍵點，以關鍵點為基礎，選取一個長、寬均為M像素的矩形數據模塊(M＝21)，將該紅外矩形數據模塊作為匹配計算的基礎。

④在待處理的紅外熱圖數據中采用全局搜索的方法計算與T數據塊相似度最高的數據塊，計算公式如下:

式中，Sij代表的是待處理的紅外熱成像數據中以圖像坐標(i，j)位置為中心的長度寬度都為M的紅外數據塊；i的取值范圍是M/2到(W－M/2)，W為整幅圖像的寬度，j的取值范圍為(M/2)到(H－M/2)，H為整幅圖像的高度；m，n分別為圖像輪廓中的橫縱標；T(m，n)為匹配的模塊。

⑤統計步驟④中計算得到的R(i，j)的最大值，最大值代表的含義是待處理的紅外熱成像數據與模板紅外熱成像數據最匹配的位置，不斷重復上述步驟，從而實現在新采集的紅外熱成像上體現建模勾勒的設備輪廓，得到目標特征點位置T1、T2、T3、T4。

⑥再計算模板中設備輪廓中S1分別到S2、S3、S4點的距離與新采集的紅外熱成像數據圖中這3個點距離之間的差值誤差，若差值誤差大于3個像素點，則認為匹配失敗，需要重新進行上述步驟，直到滿足差值小于等于3個像素點為止。

⑦根據T1、T2、T3、T4四個點的位置，并根據基準設備模板圖像中設備輪廓多邊型，確定在待處理的紅外熱圖數據中設備的精確外框多邊型的位置。

⑧根據T1、T2、T3、T4四個點的位置，并根據基準設備模板圖像中背景溫度矩形的位置，確定在待處理的紅外熱圖數據中背景溫度矩形的精確外框的位置。

5)按照以上步驟，在系統巡檢過程中，每一次自動拍攝設備工作溫度狀態圖片，都可以獲得一張電纜終端設備工作狀態圖，同時確定在該熱圖上電纜終端的位置。

6)將待處理的紅外熱圖數據電纜終端設備區域內(輪廓線內部)的溫度區域分成一個一個的方塊區域(10×10)，計算該方塊區域內所有點的溫度平均值TN，同時計算背景溫度矩形內的溫度平均值Ta。

①溫差判別法:如果(TN－Ta)＞1.0，意味著電纜終端設備表面溫度與環境溫度存在1℃以上的溫差，該電纜終端可能存在故障。

②溫度分布判別法:如果(TN－Ta)＞0.2，將比較值該溫度區域位置矩陣設置為1，負責設置為0。將所有方塊區域溫度都按上述步驟計算以后，得到一個比較值矩陣，矩陣中為1的部分就是代表在圖像上該部分溫度與環境溫度有0.2℃的差異，否則矩陣中為0。

按該步驟，系統每一次巡檢，都會產生一個比較值矩陣，系統自動按時間次序比較一段時間內該矩陣的變化率。如果發現有較大變化(例如矩陣中數值為1的單元數量隨時間增長也在增加)，說明該電纜終端可能存在故障。

3 應用前景

通過背景溫度修正后的比較分析方法，可以輕易地發現電纜終端表面溫度變化情況。將本裝置充電完畢，在現場部署，即可無人自主運行。系統可周期性自動巡檢，自動控制云臺轉動，通過角度反饋設置不受數量限制的預置位，在不同的預置位采集不同的電力電纜紅外熱圖，基于背景修正技術對設備狀態進行監測，同時將巡檢數據保存。后臺分析軟件可對同一設備不同時間段的狀態進行曲線分析，可對相鄰設備同一時間段的數據進行分析。若發現異常信息，可以報表的形式進行導出，亦可在事后對采集的每張紅外熱成像數據圖進行逐像素分析，重現故障先兆，提高對電力電纜故障分析的準確性。

4 結語

電力電纜終端狀態檢測系統應用“背景修正技術”，該技術以紅外熱成像圖像匹配計算為核心，有效降低系統巡視誤報率，提高電力電纜終端狀態檢測系統的可靠性，促使運維模式由現場向遠端進行轉變。