一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法

摘要

本发明提供一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，包括：得到拍摄距离‑配准参数映射表；根据拍摄距离‑配准参数映射表，进行图像配准；对紫外光图像和可见光图像进行图像融合；对融合图像进行故障诊断分析，得到故障诊断分析结果。采用本发明的基于互信息的图像配准算法、基于像素比较和加权的图像融合算法以及不同环境因素的电晕面积归一化修正算法，实现图像实时配准和实时融合，并将不同温度、湿度、风速和气压下得到的融合图像量化参数值修正到统一的环境条件下，从而使检测结果具有可对比性。本发明还具有检测结果准确的优点。

说明书

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法。

背景技术

高压设备局部放电，会影响用电安全，放电探测器用于探测高压设备的放电情况。目前，采用图像分析法进行高压设备放电探测时，主要存在以下问题：高压设备因制造、测试产生系统误差和环境因素引起漂移误差，导致高压设备在成像后的空间位置信息不准确；另外，高压设备放电特性及放电辐射出的紫外光信号会受温度、湿度、气压等因素影响；对同一放电源进行探测时，设备的增益设置和探测距离也会影响到光子计数值和放电区域图像的大小，使得放电探测结果的准确度较低。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，包括以下步骤：

步骤1，将紫外光相机与可见光相机的视场角调节一致，实现光学对准；

步骤2，确定拍摄目标和多种不同的拍摄距离，在每种拍摄距离下，均执行步骤2.1-步骤2.2，从而得到拍摄距离-配准参数映射表；

步骤2.1，在确定的拍摄距离下，可见光相机对拍摄目标进行拍照，得到可见光图像V

步骤2.2，以可见光图像V

具体为：

步骤2.2.1，配置刚体变换模型：

其中：

(x,y)是原紫外光图像的像素坐标，(x',y')是经过刚体变换后的紫外光图像像素坐标；

θ为旋转角度，为已知固定值；t

步骤2.2.2，确定水平平移量t

步骤2.2.3，令i＝0；

步骤2.2.4，采用变换矩阵T

步骤2.2.5，将紫外光图像UV

步骤2.2.6，判断步骤2.2.5得到的相似性测度互信息是否为最大值，如果不是，则通过优化搜索算法确定更新的变换矩阵T

步骤2.2.7，此时得到的变换矩阵T

步骤3，当需要探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析时，设需要探测的高压设备为equ(A)，采用已光学对准的紫外光相机与可见光相机，在设定拍摄距离L(A)下，分别对高压设备equ(A)进行拍照，从而得到可见光图像V(A)和紫外光图像UV(A)；其中，拍照时的实际环境参数为：温度T、湿度RH、相对气压P和风速v；

步骤4，查找步骤2得到的拍摄距离-配准参数映射表，得到与设定拍摄距离L(A)对应的配准参数，即：最优变换矩阵T

步骤5，采用最优变换矩阵T

步骤6，对紫外光图像UV

步骤7，对融合图像Fusion_image(A)进行故障诊断分析，得到故障诊断分析结果：

本步骤具体包括：

步骤7.1，对融合图像Fusion_image(A)进行图像分析，得到实际电晕面积值S

步骤7.2，采用公式(2)-公式(5)，基于步骤3得到的实际环境参数温度T、湿度RH、相对气压P和风速v，分别计算得到温度相对系数K

温度相对系数表达式：

相对湿度修正系数表达式：

相对气压修正系数表达式：

风速修正系数表达式：

K

步骤7.3，根据公式(6)，得到电晕面积修正值S：

S＝(K

步骤7.4，对电晕面积修正值S进行分析，得到高压设备equ(A)的放电情况以及缺陷诊断结果。

优选的，步骤2中，确定的拍摄目标为十字低压汞灯。

优选的，步骤2.2中，优化搜索算法为连续型1+1进化算法。

优选的，步骤2.2.5中，采用以下方法，计算紫外光图像UV

步骤2.2.5.1，紫外光图像UV

紫外光图像UV

步骤2.2.5.2，将可见光图像V

通过直方图，对可见光图像V

步骤2.2.5.3，通过公式(7)，得到紫外光图像UV

互信息MI(V

优选的，步骤6中，图像融合过程具体为：

步骤6.1，确定紫外光图像UV

步骤6.2，紫外光图像UV

其中，紫外光图像UV

采用以下算法进行图像融合，得到融合图像Fusion_image(A)中第a行第b列的像素点的灰度值，表示为：L_Fusion_image(a,b)：

1)如果紫外光图像UV

2)如果紫外光图像UV

本发明提供的一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法具有以下优点：

采用本发明的基于互信息的图像配准算法、基于像素比较和加权的图像融合算法以及不同环境因素的电晕面积归一化修正算法，实现图像实时配准和实时融合，并将不同温度、湿度、风速和气压下得到的融合图像量化参数值修正到统一的环境条件下，从而使检测结果具有可对比性。本发明还具有检测结果准确的优点。

附图说明

图1为本发明提供的图像配准流程图的流程图；

图2为可见光图像像素值与相应像素值个数关系图；

图3为紫外光图像像素值与相应像素值个数关系图；

图4为可见光图像灰度值为200-255的分布图；

图5为紫外光图像灰度值为200-255的分布图；

图6为基于像素比较和加权的融合算法流程图；

图7为融合图像Fusion_image(A)分析处理的示意图；

图8为现场绝缘子放电不同距离下的紫外图像(增益60％)；

图9现场放电电晕面积与观测距离之间的关系曲线；

图10低压汞灯图像融合效果；

图11特斯拉线圈放电图像融合效果；

图12电晕面积的温度修正误差曲线。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，属于电气工程技术领域，适用于电力、铁路行业劣化设备微弱放电辐射出的微弱紫外光信号的探测。

本发明提供的可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，包括以下步骤：

第一部分：获得拍摄距离-配准参数映射表

本部分通过步骤1和步骤2实现：

步骤1，将紫外光相机与可见光相机的视场角调节一致，实现光学对准；

步骤2，确定拍摄目标和多种不同的拍摄距离，在每种拍摄距离下，均执行步骤2.1-步骤2.2，从而得到拍摄距离-配准参数映射表；

如图8所示，为现场绝缘子放电不同距离下的紫外图像(增益60％)。

本步骤中，拍摄距离可通过激光测距功能测算。

本发明中，确定的拍摄目标可以优选采用十字低压汞灯，优点为：

a)低压汞灯是一种可以释放255nm波长紫外光的特殊光源。

b)将低压汞灯作为十字可以更好的完成配准精度的测算，同时可清晰完整的观察到紫外光图像信息。

步骤2.1，在确定的拍摄距离下，可见光相机对拍摄目标进行拍照，得到可见光图像V

步骤2.2，以可见光图像V

具体步骤参考图1：

图像配准主要目的是解决可见光图像和紫外光图像在空间上的映射问题。其中，以紫外光图像为待配准图像，以可见光图像为参考图像，紫外光图像相对于可见光图像，可能会存在平移、旋转、尺度变换甚至是非线性变换。由于本发明中两个相机的摆放位置是经过光学对准的，故两幅图像之间不存在旋转问题，配准过程中只会涉及到平移，因此，本发明采用刚体变换模块，刚体变换是一种保持图像形状，保持图像中任意两点间的距离不变的一种图像变换模型。具体见步骤2.2.1：

步骤2.2.1，配置刚体变换模型：

其中：

(x,y)是原紫外光图像的像素坐标，(x',y')是经过刚体变换后的紫外光图像像素坐标；

θ为旋转角度，为已知固定值；t

步骤2.2.2，确定水平平移量t

步骤2.2.3，令i＝0；

步骤2.2.4，采用变换矩阵T

步骤2.2.5，将紫外光图像UV

本步骤中，采用以下方法，计算紫外光图像UV

步骤2.2.5.1，紫外光图像UV

紫外光图像UV

步骤2.2.5.2，将可见光图像V

通过直方图，对可见光图像V

步骤2.2.5.3，通过公式(7)，得到紫外光图像UV

也可以通过以下公式计算互信息MI(V

MI(V

其中：

H(UV

H(V

互信息MI(V

步骤2.2.6，判断步骤2.2.5得到的相似性测度互信息是否为最大值，如果不是，则通过优化搜索算法确定更新的变换矩阵T

实际应用中，优化搜索算法为连续型1+1进化算法。1+1进化算法是一种进化优化算法，通过该算法可以寻找最优的配准参数。该算法效率很高，可以满足大量的数据处理，同时克服不同尺度参数的问题。

步骤2.2.7，此时得到的变换矩阵T

因此，本发明中，采用刚体变换模型对紫外光图像进行变换，得到变换后的紫外光图像，然后计算变换后的紫外光图像和可见光图像间的互信息，将互信息作为相似性测度，进而作为迭代终止条件的判断，如果不满足终止条件，则通过1+1进化算法求取最优相似性测度时的最优变换矩阵，再采用最优变换矩阵对紫外光图像进行变换，完成最终变换得到的紫外光图像和可见光图像在空间上的配准。

因此，图像配准，主要解决紫外光图像和可见光图像在空间上的映射问题。

第二部分：实际探测过程

实际探测过程主要包括图像变换、图像融合、电晕面积值修正三部分内容：

图像变换过程通过步骤3-步骤5实现；图像融合通过步骤6实现；电晕面积值修正通过步骤7实现；

图像变换过程：

步骤3，当需要探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析时，设需要探测的高压设备为equ(A)，采用已光学对准的紫外光相机与可见光相机，在设定拍摄距离L(A)下，分别对高压设备equ(A)进行拍照，从而得到可见光图像V(A)和紫外光图像UV(A)；其中，拍照时的实际环境参数为：温度T、湿度RH、相对气压P和风速v；

步骤4，查找步骤2得到的拍摄距离-配准参数映射表，得到与设定拍摄距离L(A)对应的配准参数，即：最优变换矩阵T

步骤5，采用最优变换矩阵T

图像融合部分：

针对紫外光图像与可见光图像的灰度值特点及传统的图像融合方法在图像融合时存在紫外光斑信息丢失的问题，本发明提出一种像素比较和加权的融合方法。

步骤6，对紫外光图像UV

图像融合过程具体为：

步骤6.1，确定紫外光图像UV

本发明通过对紫外光图像和可见光图像灰度值的分布特点确定像素阈值。阈值的选取至关重要，如图2所示，为可见光图像像素值与相应像素值个数关系图；如图3所示，为紫外光图像像素值与相应像素值个数关系图；如图4所示，为可见光图像灰度值为200-255的分布图；如图5所示，为紫外光图像灰度值为200-255的分布图。

从图2-图5可以明显看出紫外光图像与可见光图像的不同特点，并以此选择像素阈值T

作为一种具体实现方式，通过对紫外光图像和可见光图像像素值分布的特点分析，选取紫外光图像像素阈值T

步骤6.2，紫外光图像UV

其中，紫外光图像UV

如图6所示，为基于像素比较和加权的融合算法流程图。通过对紫外光图像和可见光图像的像素分析、选取阈值、确定加权权重，将紫外光图像和可见光图像按照一定的权重灵活的进行叠加处理。

具体的，采用以下算法进行图像融合，得到融合图像Fusion_image(A)中第a行第b列的像素点的灰度值，表示为：L_Fusion_image(a,b)：

1)如果紫外光图像UV

2)如果紫外光图像UV

采用本发明的图像融合方法，既能使图像融合的效果达到人类视觉要求，同时也能满足实时性要求。

电晕面积值修正过程：

放电在融合图像Fusion_image(A)中表现为一些白色区域，本发明将其定义为“电晕”，电晕区域随放电强弱而变化，基于此提出一种检测结果量化方法：其思路是：直接对融合图像Fusion_image(A)进行分析和数字图像处理，分割出放电区域，然后提取相关参数对检测的结果进行量化。如图7所示，为融合图像Fusion_image(A)分析处理的示意图。

步骤7，对融合图像Fusion_image(A)进行故障诊断分析，得到故障诊断分析结果：

本步骤主要思路为：同一放电模型在不同环境因素下检测到的成像结果存在明显差异，因此，本发明将不同温度、湿度、风速和气压下得到的融合图像量化参数值修正到统一的环境条件下，从而使检测结果具有可对比性。在此提出了基于修正系数法的多因素下电晕面积修正算法。

步骤7.1，对融合图像Fusion_image(A)进行图像分析，得到实际电晕面积值S

如图9所示，为现场放电电晕面积与观测距离之间的关系曲线。

步骤7.2，采用公式(2)-公式(5)，基于步骤3得到的实际环境参数温度T、湿度RH、相对气压P和风速v，分别计算得到温度相对系数K

温度相对系数表达式：

相对湿度修正系数表达式：

相对气压修正系数表达式：

风速修正系数表达式：

K

公式(2)-公式(5)获得方式可以为：

根据试验得到的样本数据，采用二次多项式进行拟合，利用Matlab的cftool函数可得到修正系数表达式。

步骤7.3，根据公式(6)，得到电晕面积修正值S：

S＝(K

公式(6)即为建立的多因素的修正模型。

为验证上述修正模型的有效性，分别对温度、湿度、气压和风速的修正误差进行分析。经分析，修正数据的相对误差在20％以内，满足探测要求。

步骤7.4，对电晕面积修正值S进行分析，得到高压设备equ(A)的放电情况以及缺陷诊断结果。

本发明解决紫外和可见光叠加精度和融合精度低的问题，多因素下电气设备放电量化参数归一化并进行缺陷性质判断。

在具体实现上，本发明包括核心模组(包含可见光相机和紫外光相机)、液晶显示屏、温湿度模块、测距模块、气压模块、键盘等。可见光相机用于拍摄可见光图像，紫外光相机通过对紫外光信号的探测得到紫外光图像。通过基于互信息的图像配准算法和基于NSST和自适应稀疏表示的图像融合算法，实现图像实时融合与实时配准。通过同类型带电设备对应部位电晕放电的紫外图像或光子计数进行横向比较，对带电设备电晕状态进行评估。

目前我国可探测劣化设备微弱放电的仪器核心部件没有完全国产化，探测器的计量一致性较差，仪器不具备缺陷诊断功能，对探测目标缺陷性质和放电严重程度的判断主要依靠人工经验，容易造成误判、漏判，难以实现电气设备故障的智能评估。与之相比，本发明的紫外光和可见光的叠加精度小于0.5mrad,可精准探测高压设备外绝缘放电，对不同因素下的电晕进行归一化修正。发现潜在设备缺陷(准确率不低于75％)，为综合管理中心软件提供有利的数据依据，提高电网和铁路供电可靠性。

本发明对已完成配准的紫外成像仪进行叠加精度的测试，测试结果如表1所示。

表1已完成配准的紫外成像仪叠加精度测试

通过以上分析，本发明所提出的基于互信息的紫外光与可见光图像配准方法可以满足实际应用，采用外部标定配准参数，通过查找表的方式对不同距离的图像使用相应的配准参数进行配准，只需几个简单的命令对参数进行寻找并将图像进行平移变换即可，达到了实时性的要求。

在海思的HI3531D硬件平台上，将紫外光相机与可见光相机连接到硬件平台上。通过对不同的放电源进行拍摄验证图像融合技术。融合效果如图10、图11所示。通过HI3531D核心板采用CPU+TDE技术进行视频的智能处理，TDE作为智能视频分析的协处理器，将算法硬件化，功耗是DSP的1/5，运算速度比DSP快1倍，可以降低CPU占用。这样既能满足智能分析业务的需求，又极大地降低了主控CPU的性能，实现视频的实时处理。

本发明提出的基于修正系数法的多因素下光斑面积修正算法。根据试验可知，在50kV、60kV和65kV下的20℃时的实际光斑面积值分别为4832pixel、12568pixel和15457pixel，则可以计算出其相对误差如图12所示。经分析，绝大部分修正数据的相对误差在20％以内，其中，65kV下放电修正后的最大相对误差为13.9％，60kV下放电修正的最大相对误差为27.5％，50kV下放电修正的最大相对误差为15.9％。其他不同湿度、气压和风速下的修正误差的验证思路与温度类似，在本发明试验条件下，该修正模型具有较好的普适性，修正后的光斑面积最大相对误差一般低于20％，在此不再赘述。

实施例：

本发明将各种电气模块互联，不受温度、湿度、气压等因素影响，对带电设备外部电晕放电状态检测和故障诊断，主要包括输变电设备导体和绝缘体表面以及发电机线棒等各种原因引起的电晕放电定位、定量和缺陷实时化、本地化智能评估，并形成详细的诊断报告，并提出诊断意见，为设备清洗维护提供有效指导。

现场应用实例1：

对1000kV保定、邢台出线，保定易县500kV大房线、220kV陶崇线，柏团线和团武线等变电站和输电线路拍摄紫外照片2000余张、巡检40余小时、发现均压环、金具、架构处缺陷多处。并且，本发明方法检测到的缺陷，与实际情况符合，由此验证了本发明的准确性。

现场应用实例2：

对1000kV高乡、微山湖变电站、500kV益都变电站、220kV招远、方山变电站等10座变电站设备进行了紫外检测，搜集紫外图片8000张，经系统分析，发现缺陷28处。并且，本发明方法检测到的缺陷，与实际情况符合，由此验证了本发明的准确性。

本发明提供的一种可探测高压设备微弱放电并进行缺陷分析的方法，具有以下优点：

采用本发明的基于互信息的图像配准算法、基于像素比较和加权的图像融合算法以及不同环境因素的电晕面积归一化修正算法，实现图像实时配准和实时融合，并将不同温度、湿度、风速和气压下得到的融合图像量化参数值修正到统一的环境条件下，从而使检测结果具有可对比性。本发明还具有检测结果准确的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。