譚興華，陳瑞斌，楊東，郭振華

（河南四達檢測技術(shù)有限公司，河南許昌 461000）

隨著輸變電線路規(guī)模的不斷增大，需要對電網(wǎng)金屬構(gòu)件進行有效的監(jiān)督，分析輸變電線路鐵塔金屬缺陷分布特征量，通過無損檢測和材質(zhì)性能分析，進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位檢測，提高輸變電線路鐵塔金屬的監(jiān)督和運維管理能力，相關(guān)的輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位檢測方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。

結(jié)合電氣設(shè)備材料類型，進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測，通過分析輸變電線路鐵塔金屬在輸電、轉(zhuǎn)換和配電過程中的狀態(tài)差異性特征量，進行輸電線路的運維管理、優(yōu)化控制，提高輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位監(jiān)測能力[2-3]。傳統(tǒng)方法中，文獻[4]提出輸電線桿塔橫擔(dān)處的螺栓缺陷檢測方法，第一步利用灰度投影算法完成桿塔橫擔(dān)區(qū)域定位，第二步利用改進的霍夫變換提取精確的感興趣區(qū)域，完成目標區(qū)域提取后，利用面積閾值法去除橫擔(dān)背景，提取待檢測的螺栓信息，最后根據(jù)螺栓的特征檢測螺栓是否平帽或者松動。但是該方法對輸電線桿塔橫擔(dān)處的螺栓缺陷進行檢測時，缺陷定位誤差較大。文獻[5]提出架空輸電線路耐張線夾X 射線檢測方法，通過大量耐張線夾在線檢測，發(fā)現(xiàn)多種壓接缺陷，避免因壓接質(zhì)量問題而引發(fā)輸電線路事故，同時對缺陷分類、匯總，并分析不同缺陷產(chǎn)生的原因，對進一步改進壓接工藝提供了有力的理論依據(jù)，但是該方法的漏檢率較高。

針對上述方法存在的問題，文中提出基于光譜分析法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測方法。構(gòu)建輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析模型，通過光譜特征挖掘的方法，進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信息特征提取，構(gòu)建電磁輻射以及電磁輻射物質(zhì)參數(shù)融合模型，根據(jù)不同波長按順序進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征點標定，并分析變電站金屬監(jiān)督設(shè)備檢測中的材質(zhì)部件，實現(xiàn)輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測。最后進行仿真測試分析，表明了文中方法在提高輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測能力方面的優(yōu)越性能。

1 輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信息特征分析

1.1 光譜信息特征提取

為了實現(xiàn)基于光譜分析法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測，構(gòu)建輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析模型，通過光譜特征挖掘的方法進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析[6]，采用X 射線熒光光譜法，進行變電線路鐵塔金屬缺陷部位的熒光信息激發(fā)和檢測。采用X 射線熒光法檢測輸變電線路鐵塔金屬缺陷的原理如圖1 所示。

圖1 輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的原理

根據(jù)圖1 所示的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測模型，構(gòu)建輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析模型，通過光譜特征挖掘的方法[7]，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分布模型為Z=K(λ-S)-2。其中，K和S均為常數(shù)，λ為輸變電線路鐵塔金屬缺陷的特征根?；赬RF 光譜分析技術(shù)，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜分布的展寬為：

其中，ρ為傳播介質(zhì)的密度。根據(jù)效能函數(shù)檢測結(jié)果，檢測輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號統(tǒng)計量[8]，得到高功率微型直板電子X 射線管、Au 或Ag靶的輸出光譜密度寬度。

通過XRF-X 射線束優(yōu)化的方法，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的高分辨統(tǒng)計特征集為x，輸變電站金屬監(jiān)督設(shè)備檢測輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號頻譜的特征方差為E(x)。通過大面積硅漂移探測器(SDD)接收并測量軌道電子，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜的線搜索分布區(qū)間[m0-Δm/2,m0+Δm/2]，X 射線熒光光譜信息特征提取結(jié)果為：

式中，t為X 射線熒光光譜信息特征提取周期。通過大面積硅漂移探測器(SDD)接收輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號，得到空間譜，實現(xiàn)輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信息特征分析[9]。

1.2 光譜信息參數(shù)融合

在上述輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信息特征提取的基礎(chǔ)上，構(gòu)建電磁輻射以及電磁輻射物質(zhì)參數(shù)融合模型[10]，分析從元素周期表中的元素Be～U，并結(jié)合局部極大值估計的方法，得到不同分布的概率密度函數(shù)下的輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分布集。通過拉曼光譜的輸出穩(wěn)態(tài)特征量，進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號特征檢測[11]，對輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號進行多維參數(shù)分布式融合，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號融合模型[12]，其表達式為：

通過濾光片選擇有用的光束[13]，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜模糊度分布參數(shù)M，在確定輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號的窗函數(shù)σ后，由得到的輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜檢測參數(shù)融合輸出為p()x，對輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號進行分段特征匹配，則金屬缺陷光譜特征分布序列為{Xv,v=1,2,…,V}，當最小時，得到金屬缺陷光譜參數(shù)融合統(tǒng)計量為：

綜上所述，采用多維空間回波特征檢測，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜檢測的參數(shù)融合統(tǒng)計量，根據(jù)統(tǒng)計信息分析，完成輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信息的參數(shù)融合。

2 輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測優(yōu)化

2.1 輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位

采用便攜式光譜特征分析的方法，進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜的特征檢測[14]，得到適應(yīng)度函數(shù)為：

其中，ω為光譜檢測頻率。通過光譜成分分析法，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位的先驗定位檢測分布集為：

其中，d為待定位缺陷的特征值。采用后驗概率分布式估計的方法，獲取輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜的模糊度特征向量組{x1,x2,…,xn}，則輸變電線路鐵塔金屬缺陷中變電站銅部件材質(zhì)屬性檢測的空間分布為：

上式稱作{ }x1,x2,…,xn的張成空間，通過提取輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜特征分量，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜的學(xué)習(xí)字典集fd。假設(shè)輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號的過程噪聲為n(t)，對輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號進行頻譜檢測，分析變電站金屬監(jiān)督設(shè)備檢測中的材質(zhì)部件，定位輸變電線路鐵塔金屬光譜缺陷，其表達式為：

2.2 缺陷檢測輸出

采用標準曲線模型進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征點標定，根據(jù)缺陷點的動態(tài)響應(yīng)及參數(shù)攝動分析[15-17]，標準曲線模型為：

其中，a、b表示輸變電線路鐵塔金屬缺陷分布的關(guān)聯(lián)系數(shù)。采用激發(fā)和檢測的方法，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位的離散信號x(n)和樣本長度ds，則輸變電線路鐵塔金屬缺陷脈沖頻譜為：

在未知噪聲模型下，通過XRF-X 射線束控制，計算輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜的瞬時譜，計算公式為：

對任意一個m×n維的輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號的傳輸矩陣A，計算光譜特征分布的極化角度差，表達式為：

令A(yù)∈Cn×n(n×n維復(fù)數(shù)空間)為輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜信號的標準化參數(shù)分布矩陣，根據(jù)極化相干矩陣估計，采用聯(lián)合子空間分析的方法，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的輸出：

對于含有非金屬元素的鋼和其他合金，根據(jù)缺陷點的動態(tài)響應(yīng)及參數(shù)攝動分析，實現(xiàn)輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測?；诠庾V分析法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測方法的具體流程如圖2 所示。

圖2 缺陷檢測具體流程

3 仿真測試分析

為了驗證文中方法在實現(xiàn)輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的性能，進行仿真實驗分析，通過電粒子束提供0.5 μm 的束斑，穩(wěn)定狀態(tài)時釋放的信號能量為150 kJ。

在上述背景下，測試輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測定位誤差，采用文中方法、文獻[4]提出的輸電線桿塔橫擔(dān)處的螺栓缺陷檢測方法、文獻[5]提出的架空輸電線路耐張線夾X 射線檢測方法與實際測試結(jié)果進行對比實驗，得到的對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 缺陷定位精度對比結(jié)果

分析圖3 得知，文中方法進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的定位精度較高，且與實際測試的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測定位結(jié)果相差較小，而文獻[4]方法和文獻[5]方法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測定位精度相對較低，實際測試的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測定位結(jié)果誤差較大。說明文中方法能夠提高輸變電線路鐵塔金屬缺陷定位的靈敏度、高精度和準確性。

為了驗證文中方法的有效性，采用文中方法、文獻[4]提出的輸電線桿塔橫擔(dān)處的螺栓缺陷檢測方法和文獻[5]提出的架空輸電線路耐張線夾X 射線檢測方法，對輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的漏檢率進行對比分析，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 漏檢率對比結(jié)果

根據(jù)圖4 可知，3 種方法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的漏檢率均較低，但文中方法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的漏檢率最高只有3%，而文獻[4]方法和文獻[5]方法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的漏檢率最高分別為7%和5%，說明文中方法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測效果較好。

4 結(jié)束語

為了提高輸變電線路鐵塔金屬的監(jiān)督和運維管理能力，文中提出基于光譜分析法的輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測方法。構(gòu)建輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析模型，通過光譜特征挖掘的方法進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷特征分析，構(gòu)建電磁輻射以及電磁輻射物質(zhì)參數(shù)融合模型，采用多維空間回波特征檢測，得到輸變電線路鐵塔金屬缺陷光譜檢測的統(tǒng)計特征量，通過光譜成分分析法，完成輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測。分析得知，文中方法進行輸變電線路鐵塔金屬缺陷檢測的精度較高、性能較好。