基于紅外圖像識別技術的電力設備絕緣自動化檢測研究

顧 臻，李小平，周 磊，張靜月，賀 青

（1.國網上海市電力公司 電力科學研究院，上海 200051;2.四川大學 錦城學院 智能制造學院，成都 611731）

0 引言

隨著我國電力市場和電力系統的快速發展，電力行業面臨著改善發電設備的使用情況，減少電力設備的操作費用以及提高電網的安全性和穩定性的嚴峻挑戰。我國電力事業發展進入新階段[1]。”十一五”期間，國家電網新增了60,000公里及以上的330千伏及以上輸電線路，總投資9000億元。根據國家電網統計資料顯示，全國電力消耗總量已達到49591億千瓦時，比上年同期增加5.5%。隨著社會、經濟、科學技術的飛速發展，電力是國民經濟和社會發展的必要動力，保障電力的可靠供應關系到國家的整體民生。

電力設備是構成電網的重要組成部分，是保障電網安全運行的重要依據。電力設備組成材料：一類為金屬材料，另一類為絕緣材料，與金屬相比，有機絕緣材料更易老化，從而大大削弱了它們的機電強度[2]。

在線監測電力設備絕緣狀況可實時監測設備使用過程中出現的問題，通過多種先進的評價算法，對設備的絕緣運行狀況進行判定，由此得出評價的結論，通過對電網運行情況的實時監控，能提升電力系統的運行穩定[3]。參考文獻[4]在深入分析無源絕緣電阻測量方法的基礎上，設計了一種基于線性光耦器件HCNR201的絕緣檢測電路，闡述了利用該芯片設計絕緣檢測的測試電路以及修正光耦線性關系提高電阻檢測精度的改進方法，提高了抗干擾能力，打破了使用局限性。參考文獻[5]引入信號處理概念，設計基于信號處理的電抗器匝間絕緣檢測方法。通過電抗器匝間時域信號與原始功率的確定，近似熵值與信息熵值的確定，空頻能量分布的確定,完成電抗器匝間的信號識別。通過匝間絕緣開裂模擬，破損絕緣壽命評定，完成基于信號處理電抗器匝間絕緣檢測方法的搭建，完善了不能明確反應放電局部的起始電壓，不能持續增大匝間絕緣間隙的問題。然而以上兩種方法對于絕緣檢測的精準度不夠，誤差較大，因此本文提出基于紅外圖像識別技術的電力設備絕緣自動化檢測，檢測結果精準度高，誤差較小，與實際值更為接近。

1 電力設備紅外圖像識別

紅外圖像識別技術以計算機視覺為基礎發展起來，近年來在工業領域的應用越來越多。紅外傳感器不會向外界輻射能量，通過識別和偵察目標物體的熱能實現監控功能。

目標紅外輻射及溫度分布信息是紅外圖像形成的主要因素，紅外成像技術的質量取決于目標紅外輻射的采集情況。紅外熱像儀對裝置的紅外線輻射進行掃描，然后把它轉化為電信號，這時就會自動生成出紅外圖像。因此在對變電設備異常發熱故障檢測時，首先需要利用紅外熱成像技術獲取變電設備異常發熱圖像。

利用目標表面的溫度輻射對紅外圖像進行成像,在接受測量對象的紅外線時，還會受到其他多種因素的制約。因此，圖像對比度低、邊緣不清晰、分辨率不高等問題是必然存在的。故需要采用采用圖象過濾技術，有效地消除噪聲，提升圖像的對比度，為后期圖像的處理奠定基礎。

1.1 電力設備異常發熱圖像采集

對變電設備掃描前，選取線陣列紅外探測器對變電設備不同的掃描空間實行不同的掃描方式。假設線陣列紅外探測器在掃描時把掃描空間劃分成x個面元，按照順序依次對變電設備各個面元實行幀圖像掃描時，其掃描時間用式(1)來描述：

式(1)中，τd描述的是單元掃描時間，fp描述的是幀頻，Tp描述的是周期。

紅外掃描儀利用紅外探測器掃描變電設備時，會取得變電設備的紅外輻射信息，從而將信息轉換成電信號。通過yv元線對掃描空間中每個單元實行掃描，且在每組單元中都有一個列組合，包含yv個單元器件。若利用相同的周期時間速度對元面掃描，就會增強信號信噪比，達到倍。式中，y描述的是y個單元探測器。平面中的單元探測器越多，對變電設備各個元面掃描的時間就會越長，故障檢測效果也會提升。

根據掃描到的數據，利用固體攝像器件對掃描到的紅外信號實行轉換，以此取得電信號轉換，得出變電設備異常發熱圖像，完成對變電設備發熱紅外圖像的采集。

1.2 紅外圖像增強

在紅外成像時，由于各種因素的制約，以及各種隨機因素的影響，導致了紅外圖像的外觀質量下降，這對圖像的分割和特征提取是有礙的。因此對對輸出的圖像進行灰度校正、噪聲濾除，以保證輸出的圖像處于最佳狀態，大大改善人的視覺效果，增強對比度。

1）灰度變換法

對比圖增強按照一定的規律調整各個像素的灰度，該方法能夠擴大灰度的動態范圍，或能對其進行縮小和對灰度分段處理。其中，f(x,y)為輸入圖像，g(x,y)為輸出圖像，處理是按公式g(x,y)=T[f(x,y)]中運算法則T，計算出的相應點像素的映射，線性變換函數為：

式(2)中，f為輸入圖像，g輸出圖像，該函數為線性變換，a為斜率，b表示為坐標軸g的截圖。a=1，b=0，是圖像復制，灰度不變；a＞1，b=0時，對輸入圖像對比度進行擴展；a＜1，b=0時，對輸入圖像對比度進行壓縮；a＜0，b=0時，對輸入圖像取反處理；a=1，b≠0時，增加或減少輸入圖象的亮度。

2）分段線性變換

分段線性變換是對圖像進行局部處理的一種方法，其目的在于使所關注的對象或灰色區域更加突出，相對抑制無意義的灰色范圍。

三段線性變換的數學表達式如式(3)所示：

[0,a]和[b,Mf]的區間是灰度的壓縮變換，[a,b]區間是灰度的擴展變換。通過改變轉折點使斜率變化，從而隨機區間都能進行灰度調節。

3）非線性變換

非線性變換函數，一般主要是指對數函數、平方函數等等。

式(4)表示的對數變換。這是一個非常有用的形式，它可以擴展低灰度級區域中的輸入圖像的對比度。

2 電力設備絕緣自動化檢測

2.1 介質損耗角

當外加試驗電壓為直流時，吸收率比K與極化指數 PI均可作為反映絕緣狀態的參數，在施加的試驗電壓為交流電壓時，能夠測量出介質損耗角，這也能反應出絕緣狀態的優劣。從絕緣樣品的等效電路可以看出，當電壓為u(t)=Esin ωt時，全電流i(t)矢量圖如圖1所示。

圖1 電參量矢量圖

圖1中，為全電流，為電容性電流分量，為電阻性電流分量。

在絕緣試樣具有電阻的情況下，電容電流矢量與全電流矢量之間的角δ偏差,因為是有功成分，所以是將電能轉化為熱能的重要元素，即有功損耗。與δ呈正相關，介質損耗變大，即δ介質損耗角。介質損耗角δ的正切tanδ表達了介質損耗。tanδ是絕緣狀態的檢測的新方法。與其他絕緣條件下的其他參數相同，當tanδ作為依據時，單次測定不能充分反映問題，絕緣問題的發展趨勢，應從一段較短的追蹤測量中得到。

2.2 電容性漏電流的自適應分析

利用低頻率交流疊加方法能監測到配電網的絕緣電阻和泄漏電容。自適應電容性泄漏電流可將電容性漏電流分開，它的基本原理和對tanδ的度量有類似的地方，如圖2所示。通過流過回路的電流i(t)在取樣電阻Rm上生成對應的電壓信號，用低通濾波器對工頻成分及其他高頻成分進行濾波，獲得頻率ω1基波分量um(t)。A，B是與試驗電源同相位的方波信號，通過對A與B的相位進行比較，得出了i(t)與um(t)之間的相位差θ。因為低通網絡ZF決定了具有ω1頻率的基波成分的相位偏移θF，從而可以推斷出絕緣阻抗Zi會引起基波成分的相位偏移θi。

圖2 電流相位檢測原理圖

根據電流相位檢測原理可以看出：

式中，U為電路總電壓；j為自適應系數；Rs為負載等效電阻；Um為直流電壓；XF電阻電感；Ri為漏電電阻；Xi信號頻率。

為獲取式中Um1，可將按傅里葉級數展開：

式(7)中，um(t)為基波分量；ω1為基波頻率。

當n=1時，基波分量，所以um=25.465V，其他都是已知量，因此可以計算求解出來，由式(5)變式得：

對應的漏電阻抗模型如圖3所示，其泄露電容Ci，由絕緣阻抗Zi引起基波成分的相位偏移θi公式推導而來，如式(9)、式(10)所示：

圖3 漏電阻抗模型

式(9)、式(10)中，θi為絕緣阻抗Zi會引起基波成分的相位偏移；ω1為基波頻率；Ci為泄露電容；Ri為漏電電阻。

3 實驗測試

3.1 參數整定及試驗原理與裝置

實驗主要以直流絕緣檢測校驗一體機為核心，用大功率直流可編程穩壓電源輸出直流220V模擬直流母線，用不同阻值的功率電阻模電母線接地電阻或支路接地電阻，各支路用空氣開關控制支路是否接地，支路漏電流采用鉗型直流漏電流傳感器測量，實驗平臺整體如圖4所示。

圖4 實驗平臺

一體機基于單橋臂不平衡橋設計，內部已經寫好母線絕緣程序和支路絕緣程序，實驗時通過空開通斷模擬母線接地和支路接地，模擬接地電阻實際值由福祿克萬用表測量所得，其他實驗數據均由一體機測量，實驗結果通過液晶屏幕實時顯示。

實驗室試驗基本原理如圖5所示，在絕緣子的高壓端加均壓環，其余部位按絕緣測試。

圖5 實驗原理圖

圖5中，T為調壓器，G為隔離變壓器，B為變壓器，C為紅外成像儀，R1、R2為保護電阻，R為取樣電阻，G’為保護球隙，F為電容分壓儀，TVS為瞬態電壓抑制器，Y為示波器。

3.2 實驗及結果分析

電力設備時常因為異常發熱而導致發生絕緣故障，為了能夠有效檢測電力設備異常發熱導致絕緣故障，以紅外圖像識別為主，采用本文方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法獲取電力設備絕緣檢測，將獲取結果與實際結果比較，從而驗證三種方法的絕緣檢測效果，具體測試結果如圖6所示。

圖6 電力設備發熱絕緣點測試結果

分析圖6可知，電力設備實際發熱絕緣故障共有三處，本文方法可準確對發熱絕緣位置進行檢測的同時給出對應的溫度，其與實際定位結果相近，同時檢測出位置一致，說明本文方法檢測效果較高。文獻[4]方法檢測時，共檢測出三處熱絕緣故障，與實際結果相比文獻[4]方法的檢測出位置點與實際結果相差較大，存有一處檢測誤差大，可見文獻[4]方法的檢測準確率要低于本文方法。文獻[5]方法在測試期間共定位出2處熱絕緣故障點，與實際值對比發現，文獻[5]方法僅有一處故障定位結果與實際值相同，其余均錯誤。根據上述測試可知，本文方法的檢測效果最強，文獻[4]方法的檢測效果最差。

分別采用本文檢測方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法進行檢測電力設備的電壓、電流，確定絕緣檢測準確性，測試結果如下：

通過對圖7可以看出，在用本文提出的方法來測量電力裝置的電壓與電流時，獲得的電壓幅值和電流幅值與實際值相符；采用文獻[4]方法進行測試時，獲得的電壓幅值和電流幅值低于實際值；采用文獻[5]方法進行測試時，獲得的電壓幅值和電流幅值波動較大，與實際值的差值大。對比所提方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法的測試結果可知，所提方法可準確的完成電力設備電壓、電流的檢測，因為本文方法對電力設備絕緣自動化檢測之前，分析了電力設備基波分量進行了分析，通過對分析的結果進行測試，減少了測量誤差，提高了測量的準確性。

圖7 電壓和電流測試方法的比較

為了進一步驗證方法的有效性，采用本文方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法對電力設備電感和電阻進行估算，并將估算值與實際值進行對比，進一步確定絕緣檢測準確性，測試結果如圖8所示。

圖8 電阻、電感估算值

分析圖8可知，采用所提方法獲取的電阻估計值和電感估計值與實際值較為貼近，采用文獻方法和文獻[5]方法獲取的電阻估計值和電感估計值與實際值的差值較大，通過上述測試結果可知，所提方法可準確獲取電網的電阻和電感，表明所提方法具有良好的檢測性能。

4 結語

針對電力設備存在過熱導致絕緣檢測誤差大的問題，本文提出基于紅外圖像識別技術的電力設備絕緣自動化檢測方法。分別通過本文方法、文獻[4]、文獻[5]分別對電力設備異常發熱導致絕緣故障、電力設備的電壓、電流進行檢查，且對電力設備電感和電阻進行估算，實驗結果表明，采用本文方法其紅外過熱絕緣點檢測結果與實際值更為接近，且其相關電流、電壓、電阻與電感與實際值接近，檢測準確誤差較小，具有良好的檢測性能。