胡立錦,楊永全

(國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司建設(shè)分公司，重慶 410021)

0 引 言

為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和人民生活水平提升對(duì)電力供應(yīng)的需求，電力設(shè)施建設(shè)規(guī)模和速度不斷加快，中國(guó)以特高壓為主的電力平衡傳輸網(wǎng)絡(luò)日益成熟，次級(jí)配套網(wǎng)架也不斷深化，常規(guī)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性明顯提升。在保證電力供應(yīng)基本功能需求的前提下，現(xiàn)代城市電力設(shè)施與周圍環(huán)境的相容性越來(lái)越被關(guān)注，加之城市用地緊張與電力走廊占地的矛盾不斷加深，電纜化成為城市電力的發(fā)展趨勢(shì)。

電纜化一方面催生電纜制造業(yè)飛速增長(zhǎng)且電纜應(yīng)用范圍向不同電壓等級(jí)延伸；另一方面也給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。電力電纜為封閉、緊湊型構(gòu)造，絕緣合成材料或油浸紙構(gòu)成的復(fù)合絕緣包裹于線芯之外。由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于電纜隧道或電纜溝等有限、狹小空間中，故障不易判定且維修難度大，不能及時(shí)消缺易導(dǎo)致停電事故。研究典型電纜事故案例并結(jié)合電纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，安裝不當(dāng)和外力機(jī)械破壞是造成電纜故障的主要主觀原因，而電纜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量則是主要的客觀原因[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于電纜故障方面的研究多集中于前期故障和永久故障的檢測(cè)方面，包括故障機(jī)理分析、故障定位測(cè)距、故障在線監(jiān)測(cè)等。美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等研究起步較早，技術(shù)己經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究也取得較大進(jìn)步，文獻(xiàn)[4]提出，隨著信息存儲(chǔ)與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)時(shí)更新、存儲(chǔ)、調(diào)用電纜故障數(shù)據(jù)庫(kù)信息，并對(duì)故障樣本進(jìn)行動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)，不斷豐富和完善智能故障診斷專家系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)電纜故障在線檢測(cè)。文獻(xiàn)[5]將小波分析理論應(yīng)用到電纜故障診斷中，通過對(duì)故障信號(hào)的時(shí)域和頻域進(jìn)行多層分解，提取特征信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電纜故障定位。文獻(xiàn)[6-10]對(duì)電纜故障發(fā)生的基本原理進(jìn)行了深入研究，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外電纜故障診斷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，將引力搜索算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到電纜故障診斷研究中，提出通過希爾伯特變換進(jìn)行故障識(shí)別和定位，改進(jìn)電纜故障診斷模型，合理優(yōu)化診斷算法。

然而，對(duì)于電纜故障的事前控制研究鮮有涉獵，電纜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H依靠電纜抽樣送檢，送檢樣本截取、抽樣頻率、送檢周期等諸多因素制約了電纜入場(chǎng)和安裝的質(zhì)量把控。鑒于此，從提升電纜結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)手段出發(fā)，提出基于機(jī)器視覺技術(shù)的電纜結(jié)構(gòu)和相序檢測(cè)系統(tǒng)研究，以期改善電纜入場(chǎng)、安裝前可檢項(xiàng)目種類和檢測(cè)精度，從源頭增強(qiáng)電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行可靠度。

1 電纜故障與電纜檢測(cè)

電纜故障按照故障表現(xiàn)通?？煞譃殚_路故障(即電纜導(dǎo)體斷裂)、短路故障(包括導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)體短路和導(dǎo)體對(duì)地短路)、絕緣故障(老化或擊穿，絕緣電阻大幅下降)[11]。

誘發(fā)電纜故障的成因可分為主觀原因(如安裝工藝缺陷、誤操作、制造和設(shè)計(jì)缺陷等)和客觀原因(如運(yùn)行環(huán)境惡劣、非人為外力破壞、超期老化等)兩個(gè)方面[12]，目前研究多集中在外部原因方面，而對(duì)電纜本身質(zhì)量問題研究較少。

1.1 電纜主要質(zhì)量問題分析

隨著電纜化程度的不斷提升，電纜事故發(fā)生的頻次也逐步增加，電纜實(shí)體質(zhì)量和安裝質(zhì)量驗(yàn)收愈發(fā)重要。電纜導(dǎo)體缺斤少兩或銅材純度不足將直接降低電纜載流量，使同等條件下電纜發(fā)熱量增加，當(dāng)發(fā)熱量超過電纜承受范圍后可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故[13]。

絕緣屏蔽燒蝕擊穿是電纜故障頻發(fā)的重要誘因。目前，電纜絕緣屏蔽的燒蝕損傷缺乏有效的檢測(cè)手段。而導(dǎo)致高壓電纜絕緣屏蔽燒蝕除了受運(yùn)行條件、環(huán)境影響外，絕緣屏蔽層本身質(zhì)量也是主要因素之一，加強(qiáng)絕緣屏蔽層最大、最小厚度檢測(cè)，對(duì)預(yù)防絕緣屏蔽燒蝕擊穿有積極意義。

1.2 電纜檢測(cè)項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)分析

1)導(dǎo)體及線芯截面積

電力電纜通常由多股銅芯導(dǎo)線構(gòu)成，電纜導(dǎo)體表面應(yīng)干凈、無(wú)損傷，無(wú)明顯質(zhì)量缺陷，導(dǎo)體截面積應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范，并不小于廠家供貨參數(shù)中的標(biāo)稱截面積。當(dāng)實(shí)際截面積小于標(biāo)稱截面積90%時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并對(duì)電纜進(jìn)行強(qiáng)制實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)。

2)絕緣層厚度

絕緣層的主要作用是實(shí)現(xiàn)線芯電氣隔離、保證電能正常輸送。絕緣層厚度平均值不應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的標(biāo)稱值，絕緣層最小測(cè)量厚度應(yīng)大于0.9倍標(biāo)稱值，且在相同截面測(cè)得的絕緣偏心度應(yīng)小于0.1。

3)屏蔽層厚度

高電壓等級(jí)電力電纜一般還有導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層。屏蔽型電纜在纜芯外應(yīng)有銅/聚酯復(fù)合膜構(gòu)成的屏蔽層，并在內(nèi)側(cè)有1.0 mm裸銅線貫穿整個(gè)電纜長(zhǎng)度，以便接地用，屏蔽層重疊繞包的重疊率應(yīng)不小于15%。

4)金屬鎧裝層厚度

電纜鎧裝層多為鍍鋅鋼帶鎧裝，兩層螺旋繞包于絕緣層外，外層的中間大致在內(nèi)層間隙上方，繞包應(yīng)圓整光滑，鎧裝層厚度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

5)不圓度

電纜不圓度會(huì)改變電纜的截面積，也會(huì)改變絕緣及護(hù)套的厚度，從而改變電纜的電阻和擊穿電壓。一般情況下，電纜不圓度應(yīng)滿足：

2 機(jī)器視覺模塊

2.1 視覺測(cè)量技術(shù)

視覺測(cè)量技術(shù)是通過高倍工業(yè)相機(jī)獲取高質(zhì)量數(shù)字圖像，通過軟件編程對(duì)圖像做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)挖掘，從而獲取需要的數(shù)據(jù)[14-16]，相機(jī)系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 顯微成像系統(tǒng)模型

圖中實(shí)物坐標(biāo)為P(X,Y,Z)，鏡像坐標(biāo)為p(x,y,z)，成像原點(diǎn)為O(0,0,f)，則實(shí)物與鏡像對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(1)

2.2 視覺測(cè)量系統(tǒng)

視覺測(cè)量系統(tǒng)中最重要的部分為工業(yè)相機(jī)，它是采集高質(zhì)量數(shù)字圖像的關(guān)鍵，并直接影響以此為基礎(chǔ)的檢測(cè)精度[17]。相機(jī)的選擇主要考慮鏡頭和分辨率兩個(gè)因素，一般工業(yè)相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 視覺測(cè)量系統(tǒng)

鏡頭的相關(guān)的參數(shù)包括焦距(F)、工作距離(WD)、景深(DOV)、電荷耦合芯片(CCD)及視場(chǎng)(FOV)，其中焦距是鏡頭最重要的參數(shù)。相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系為

(2)

2.3 視覺測(cè)量標(biāo)定與精度分析

視覺測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定的本質(zhì)是從圖象出發(fā)恢復(fù)出空間點(diǎn)三維坐標(biāo)的過程，亦即實(shí)現(xiàn)世界坐標(biāo)系(參考坐標(biāo)系)、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像物理坐標(biāo)系、像素坐標(biāo)系的統(tǒng)一[18]，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示意如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

真實(shí)點(diǎn)M和它的鏡像點(diǎn)m關(guān)系為

(3)

式中：K為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；[r1r2r3]是鏡像點(diǎn)對(duì)真實(shí)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)；t是鏡像點(diǎn)對(duì)真實(shí)點(diǎn)的平移向量。

(4)

標(biāo)定是對(duì)世界坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系關(guān)系的固定，本質(zhì)是確定相機(jī)內(nèi)參數(shù)、外參數(shù)、畸變參數(shù)等，標(biāo)定的精度影響測(cè)量準(zhǔn)確度。標(biāo)定方法一般分為絕對(duì)標(biāo)定法和相對(duì)標(biāo)定法，絕對(duì)標(biāo)定法是先通過標(biāo)定尺或者標(biāo)定塊來(lái)計(jì)算相機(jī)像素值代表的真實(shí)值，再由像素值進(jìn)行測(cè)量的方式；相對(duì)標(biāo)定法則是同時(shí)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)件和被測(cè)件的像素個(gè)數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際尺寸倒推得到被測(cè)件的測(cè)試結(jié)果[19]。

2.4 圖像處理軟件開發(fā)平臺(tái)

通過Python編程調(diào)用OpenCV函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像處理，程序流程如圖4所示。

圖4 圖像處理程序流程

3 圖像處理模塊

3.1 圖像預(yù)處理

對(duì)相機(jī)采集到的電纜高質(zhì)量數(shù)字圖像進(jìn)行雙邊濾波預(yù)處理，充分考慮圖像的空間鄰近度以及像素值相似度，同時(shí)參考空域信息和灰度相似性，去除圖像噪聲信號(hào)。

電纜的圖像經(jīng)過雙邊濾波后的對(duì)比效果如圖5所示。

圖5 雙邊濾波后的對(duì)比效果

然后，通過ACE增強(qiáng)算法將圖像分成高頻和低頻兩個(gè)部分，對(duì)高頻部分乘以增益值，然后重組得到自適應(yīng)對(duì)比度增強(qiáng)的電纜圖像，數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下：

假設(shè)選定電纜圖像中某點(diǎn)x(i,j)，以(i,j)為中心，在窗口大小為(2n+1)×(2n+1)的區(qū)域內(nèi)，其局部均值和方差可以表示為式(5)和式(6)：

(5)

(6)

式中:mx代表圖像背景;x-mx代表圖像的高頻細(xì)節(jié)部分。放大x-mx，獲得增強(qiáng)圖像，如式(7)所示：

f(i,j)=mx(i,j)+G(i,j)[x(x,j)-mx(i,j)]

(7)

增益G與局部均方差成反比：

(8)

對(duì)局部均方差較大的圖像高頻部分，放大系數(shù)適當(dāng)減小，避免圖像過亮；對(duì)局部均方差很小的圖像平滑區(qū)域，放大系數(shù)適當(dāng)增加，讓圖像中對(duì)比度較弱的部分的增強(qiáng)效果更加明顯。ACE增強(qiáng)算法處理后電纜圖像對(duì)比效果如圖6所示。

圖6 ACE算法增強(qiáng)后的對(duì)比

3.2 邊緣檢測(cè)

對(duì)增強(qiáng)后的圖像采用標(biāo)準(zhǔn)邊緣檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)邊緣粗定位，獲取邊緣圖像，然后使用亞像素細(xì)分算法，在有效減小背景噪聲對(duì)邊緣信息干擾的同時(shí)，通過增加計(jì)算精度來(lái)平滑、連續(xù)圖像邊緣的完整性，有效降低算法在非邊緣位置的冗余計(jì)算,提升噪聲干擾下的穩(wěn)定性。

定位處理后的電纜圖像對(duì)比效果如圖7所示。

圖7 定位對(duì)比

最后，對(duì)定位處理后的圖像進(jìn)行標(biāo)定換算即可獲得相應(yīng)需求參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

前面在分析電纜故障成因的基礎(chǔ)上，立足工程實(shí)際，重點(diǎn)介紹電纜本體結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷引發(fā)的管理局限性，提出基于視覺測(cè)量技術(shù)的電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)研究，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電纜截面圖像獲取和處理。系統(tǒng)將相機(jī)采集到的電纜圖像進(jìn)行Bilateral Filters算法去噪預(yù)處理；再選用ACE算法提高圖像的視覺效果；最后通過標(biāo)準(zhǔn)邊緣檢測(cè)算法確定圖像邊緣，通過亞像素邊緣檢測(cè)算法得到小數(shù)級(jí)別的像素距離，提升測(cè)量精度。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，拓寬了電纜入場(chǎng)和安裝前可檢項(xiàng)目種類，提高了檢測(cè)精度，對(duì)從源頭強(qiáng)化電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行可靠度有積極的促進(jìn)作用。