顧 臻，李小平，周 磊，張靜月，賀 青

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

0 引言

隨著我國電力市場和電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電力行業(yè)面臨著改善發(fā)電設(shè)備的使用情況，減少電力設(shè)備的操作費(fèi)用以及提高電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國電力事業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段[1]?！笔晃濉逼陂g，國家電網(wǎng)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(jù)國家電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)資料顯示，全國電力消耗總量已達(dá)到49591億千瓦時(shí)，比上年同期增加5.5%。隨著社會、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的必要動力，保障電力的可靠供應(yīng)關(guān)系到國家的整體民生。

電力設(shè)備是構(gòu)成電網(wǎng)的重要組成部分，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要依據(jù)。電力設(shè)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(jī)絕緣材料更易老化，從而大大削弱了它們的機(jī)電強(qiáng)度[2]。

在線監(jiān)測電力設(shè)備絕緣狀況可實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的問題，通過多種先進(jìn)的評價(jià)算法，對設(shè)備的絕緣運(yùn)行狀況進(jìn)行判定，由此得出評價(jià)的結(jié)論，通過對電網(wǎng)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能提升電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定[3]。參考文獻(xiàn)[4]在深入分析無源絕緣電阻測量方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)絕緣檢測的測試電路以及修正光耦線性關(guān)系提高電阻檢測精度的改進(jìn)方法，提高了抗干擾能力，打破了使用局限性。參考文獻(xiàn)[5]引入信號處理概念，設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)放電局部的起始電壓，不能持續(xù)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(zhǔn)度不夠，誤差較大，因此本文提出基于紅外圖像識別技術(shù)的電力設(shè)備絕緣自動化檢測，檢測結(jié)果精準(zhǔn)度高，誤差較小，與實(shí)際值更為接近。

1 電力設(shè)備紅外圖像識別

紅外圖像識別技術(shù)以計(jì)算機(jī)視覺為基礎(chǔ)發(fā)展起來，近年來在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)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(biāo)物體的熱能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

目標(biāo)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(shù)的質(zhì)量取決于目標(biāo)紅外輻射的采集情況。紅外熱像儀對裝置的紅外線輻射進(jìn)行掃描，然后把它轉(zhuǎn)化為電信號，這時(shí)就會自動生成出紅外圖像。因此在對變電設(shè)備異常發(fā)熱故障檢測時(shí)，首先需要利用紅外熱成像技術(shù)獲取變電設(shè)備異常發(fā)熱圖像。

利用目標(biāo)表面的溫度輻射對紅外圖像進(jìn)行成像,在接受測量對象的紅外線時(shí)，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(shù)，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(chǔ)。

1.1 電力設(shè)備異常發(fā)熱圖像采集

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

式(1)中，τd描述的是單元掃描時(shí)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(shè)備時(shí)，會取得變電設(shè)備的紅外輻射信息，從而將信息轉(zhuǎn)換成電信號。通過yv元線對掃描空間中每個(gè)單元實(shí)行掃描，且在每組單元中都有一個(gè)列組合，包含yv個(gè)單元器件。若利用相同的周期時(shí)間速度對元面掃描，就會增強(qiáng)信號信噪比，達(dá)到倍。式中，y描述的是y個(gè)單元探測器。平面中的單元探測器越多，對變電設(shè)備各個(gè)元面掃描的時(shí)間就會越長，故障檢測效果也會提升。

根據(jù)掃描到的數(shù)據(jù)，利用固體攝像器件對掃描到的紅外信號實(shí)行轉(zhuǎn)換，以此取得電信號轉(zhuǎn)換，得出變電設(shè)備異常發(fā)熱圖像，完成對變電設(shè)備發(fā)熱紅外圖像的采集。

1.2 紅外圖像增強(qiáng)

在紅外成像時(shí)，由于各種因素的制約，以及各種隨機(jī)因素的影響，導(dǎo)致了紅外圖像的外觀質(zhì)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(jìn)行灰度校正、噪聲濾除，以保證輸出的圖像處于最佳狀態(tài)，大大改善人的視覺效果，增強(qiáng)對比度。

1）灰度變換法

對比圖增強(qiáng)按照一定的規(guī)律調(diào)整各個(gè)像素的灰度，該方法能夠擴(kuò)大灰度的動態(tài)范圍，或能對其進(jìn)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(yùn)算法則T，計(jì)算出的相應(yīng)點(diǎn)像素的映射，線性變換函數(shù)為：

式(2)中，f為輸入圖像，g輸出圖像，該函數(shù)為線性變換，a為斜率，b表示為坐標(biāo)軸g的截圖。a=1，b=0，是圖像復(fù)制，灰度不變；a＞1，b=0時(shí)，對輸入圖像對比度進(jìn)行擴(kuò)展；a＜1，b=0時(shí)，對輸入圖像對比度進(jìn)行壓縮；a＜0，b=0時(shí)，對輸入圖像取反處理；a=1，b≠0時(shí)，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(jìn)行局部處理的一種方法，其目的在于使所關(guān)注的對象或灰色區(qū)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(shù)學(xué)表達(dá)式如式(3)所示：

[0,a]和[b,Mf]的區(qū)間是灰度的壓縮變換，[a,b]區(qū)間是灰度的擴(kuò)展變換。通過改變轉(zhuǎn)折點(diǎn)使斜率變化，從而隨機(jī)區(qū)間都能進(jìn)行灰度調(diào)節(jié)。

3）非線性變換

非線性變換函數(shù)，一般主要是指對數(shù)函數(shù)、平方函數(shù)等等。

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

2 電力設(shè)備絕緣自動化檢測

2.1 介質(zhì)損耗角

當(dāng)外加試驗(yàn)電壓為直流時(shí)，吸收率比K與極化指數(shù) PI均可作為反映絕緣狀態(tài)的參數(shù)，在施加的試驗(yàn)電壓為交流電壓時(shí)，能夠測量出介質(zhì)損耗角，這也能反應(yīng)出絕緣狀態(tài)的優(yōu)劣。從絕緣樣品的等效電路可以看出，當(dāng)電壓為u(t)=Esin ωt時(shí)，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?yàn)槭怯泄Τ煞?，所以是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的重要元素，即有功損耗。與δ呈正相關(guān)，介質(zhì)損耗變大，即δ介質(zhì)損耗角。介質(zhì)損耗角δ的正切tanδ表達(dá)了介質(zhì)損耗。tanδ是絕緣狀態(tài)的檢測的新方法。與其他絕緣條件下的其他參數(shù)相同，當(dāng)tanδ作為依據(jù)時(shí)，單次測定不能充分反映問題，絕緣問題的發(fā)展趨勢，應(yīng)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(yīng)分析

利用低頻率交流疊加方法能監(jiān)測到配電網(wǎng)的絕緣電阻和泄漏電容。自適應(yīng)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(yīng)的電壓信號，用低通濾波器對工頻成分及其他高頻成分進(jìn)行濾波，獲得頻率ω1基波分量um(t)。A，B是與試驗(yàn)電源同相位的方波信號，通過對A與B的相位進(jìn)行比較，得出了i(t)與um(t)之間的相位差θ。因?yàn)榈屯ňW(wǎng)絡(luò)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(jù)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(yīng)系數(shù)；Rs為負(fù)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(shù)展開：

式(7)中，um(t)為基波分量；ω1為基波頻率。

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

對應(yīng)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)測試

3.1 參數(shù)整定及試驗(yàn)原理與裝置

實(shí)驗(yàn)主要以直流絕緣檢測校驗(yàn)一體機(jī)為核心，用大功率直流可編程穩(wěn)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(guān)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(shí)驗(yàn)平臺整體如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺

一體機(jī)基于單橋臂不平衡橋設(shè)計(jì)，內(nèi)部已經(jīng)寫好母線絕緣程序和支路絕緣程序，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過空開通斷模擬母線接地和支路接地，模擬接地電阻實(shí)際值由福祿克萬用表測量所得，其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均由一體機(jī)測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基本原理如圖5所示，在絕緣子的高壓端加均壓環(huán)，其余部位按絕緣測試。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖5中，T為調(diào)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(hù)電阻，R為取樣電阻，G’為保護(hù)球隙，F(xiàn)為電容分壓儀，TVS為瞬態(tài)電壓抑制器，Y為示波器。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

電力設(shè)備時(shí)常因?yàn)楫惓０l(fā)熱而導(dǎo)致發(fā)生絕緣故障，為了能夠有效檢測電力設(shè)備異常發(fā)熱導(dǎo)致絕緣故障，以紅外圖像識別為主，采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法獲取電力設(shè)備絕緣檢測，將獲取結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較，從而驗(yàn)證三種方法的絕緣檢測效果，具體測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 電力設(shè)備發(fā)熱絕緣點(diǎn)測試結(jié)果

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

分別采用本文檢測方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行檢測電力設(shè)備的電壓、電流，確定絕緣檢測準(zhǔn)確性，測試結(jié)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(shí)，獲得的電壓幅值和電流幅值與實(shí)際值相符；采用文獻(xiàn)[4]方法進(jìn)行測試時(shí)，獲得的電壓幅值和電流幅值低于實(shí)際值；采用文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行測試時(shí)，獲得的電壓幅值和電流幅值波動較大，與實(shí)際值的差值大。對比所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的測試結(jié)果可知，所提方法可準(zhǔn)確的完成電力設(shè)備電壓、電流的檢測，因?yàn)楸疚姆椒▽﹄娏υO(shè)備絕緣自動化檢測之前，分析了電力設(shè)備基波分量進(jìn)行了分析，通過對分析的結(jié)果進(jìn)行測試，減少了測量誤差，提高了測量的準(zhǔn)確性。

圖7 電壓和電流測試方法的比較

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的有效性，采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法對電力設(shè)備電感和電阻進(jìn)行估算，并將估算值與實(shí)際值進(jìn)行對比，進(jìn)一步確定絕緣檢測準(zhǔn)確性，測試結(jié)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(jì)值和電感估計(jì)值與實(shí)際值較為貼近，采用文獻(xiàn)方法和文獻(xiàn)[5]方法獲取的電阻估計(jì)值和電感估計(jì)值與實(shí)際值的差值較大，通過上述測試結(jié)果可知，所提方法可準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)的電阻和電感，表明所提方法具有良好的檢測性能。

4 結(jié)語

針對電力設(shè)備存在過熱導(dǎo)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(shù)的電力設(shè)備絕緣自動化檢測方法。分別通過本文方法、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]分別對電力設(shè)備異常發(fā)熱導(dǎo)致絕緣故障、電力設(shè)備的電壓、電流進(jìn)行檢查，且對電力設(shè)備電感和電阻進(jìn)行估算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文方法其紅外過熱絕緣點(diǎn)檢測結(jié)果與實(shí)際值更為接近，且其相關(guān)電流、電壓、電阻與電感與實(shí)際值接近，檢測準(zhǔn)確誤差較小，具有良好的檢測性能。