CN102520323B - 基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法，首先需要获取复合绝缘子的高光谱影像，然后对得到的高光谱影像进行预处理，选取训练样本，建立复合绝缘子老化模型，用最小二乘的方法来解算老化模型参数，得到复合绝缘子老化定量模型，最后，用老化模型判断复合绝缘子的老化程度。本发明可以定量的描述复合绝缘子的老化程度，根据复合绝缘子老化程度的定量化，可以判定复合绝缘子是否还具备电气绝缘性能，以便及时更换劣化的复合绝缘子。

Description

基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法

技术领域

 本发明涉及一种复合绝缘子老化运行状态检测方法，属于输变电设备运行状态检修领域，尤其涉及一种基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测，可用于现场带电检测复合绝缘子的老化运行状态。

背景技术

复合绝缘子有优良的防污闪性能，不容易被击穿，且不会出现瓷绝缘子的零值、低值和玻璃绝缘子的伞群自爆等问题。20世纪80年代，我国专家学者在吸取国外经验的基础上展开了对复合绝缘子的研发，中期样品于80年代末期投入试运行。90年代初，各地相继出现污闪事故，由于耐污性能好，复合绝缘子被投入挂网使用。到1994 年底，挂网运行的复合绝缘子达5 万支。自此，复合绝缘子入网数量迅猛增加：1995年为10万支，1998 年为46 万支，2001年为160 万支，2005年挂网运行已达300万支。截止2010年12月，国家电网公司管辖的66kV及以上电压等级线路在运复合绝缘子支数占同种电压等级线路所有类型在运绝缘子支数的37.02%。

从目前的运行情况来看，复合绝缘子的运行可靠性比瓷绝缘子和玻璃绝缘子好。但是，随着运行年限的增加，伞套材料脆化、硬化、粉化、开裂，芯棒暴露，绝缘表面出现局部放电现象，憎水性能减弱等问题逐渐凸显。绝缘子对电气设备或导体不仅要起绝缘作用，还要起固定悬挂作用，劣化的绝缘子将威胁电网的安全运行。

国内外专家学者对绝缘子的检测方法展开了大量研究，现有的复合绝缘子检测方法有接触式、非接触式，其中接触式检测法包括电压分布法、短路叉法、火花间隙法、光电式检测杆法、声脉冲检测法、泄露电流测量法，非接触式检测法包括超声波检测法、激光多普勒振动法、红外测温法、电晕摄像机法、声波检测及无线电波检测法。接触式检测法需要人工登塔操作，不适合现场检测。非接触式检测法中多数方法只对某一种或某几种的故障检测效果明显，但是对其他类型的故障难以检测，而且所需设备昂贵，检测效果不是很理想。

复合绝缘子有优良的防污闪性能，不容易被击穿，但随着使用年限的增加，复合绝缘子有机材料的老化问题逐渐突显。现有的复合绝缘子检测方法大多只适合在实验室进行，成本高，工作量大，不适合现场带电检测，复合绝缘子缺乏合适的现场检测方法及装置。而且，国内外鲜有专门针对复合绝缘子老化问题的分析，通常情况是根据材质的颜色定性的判断复合绝缘子的老化，没有定量描述复合绝缘子老化的方法。

有关这方面的文献报道例如申请号为200520006400.X的名为液晶图形显示高压输电线路复合绝缘子带电检测仪的实用新型专利，公开了一种带电检测高压输电线路复合绝缘子缺陷的装置，能够识别带电复合绝缘子的导通性缺陷、内部脱空和复合绝缘子串中的低零值绝缘。然而，上述专利并没有涉及现场带电检测复合绝缘子的老化运行状态的检测方法。

有鉴于此，有必要提供一种基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法，可以现场带电检测复合绝缘子的老化运行状态，并定量的描述复合绝缘子的老化程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种复合绝缘子老化程度的检测方法，用高光谱遥感技术对复合绝缘子的老化程度进行定量分析，可用于检测劣化的复合绝缘子。

本发明所采用的技术方案是：一种基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）用高光谱成像仪对复合绝缘子成像，获取复合绝缘子的高光谱影像；

（2）影像预处理：对复合绝缘子的影像进行预处理，包括几何校正、滤波去噪、辐射校正，以获得较为精确的光谱信息；

（3）选取训练样本：其步骤包括确定状态数、选取每种状态的样区、取均值，得到每种状态的均值样本；

（4）建立复合绝缘子老化模型：首先量化老化程度，接着提取光谱特征，然后建立复合绝缘子老化模型；

（5）解算老化模型参数：采用最小二乘法解算老化模型的参数；

（6）用老化模型判断复合绝缘子的老化程度：从高光谱影像上提取一串复合绝缘子的全部区域，确定复合绝缘子的像素区域，然后用老化模型逐个判断区域内像素的老化系数，对区域内所有像素的老化程度取均值，即可得到复合绝缘子的老化程度；其中：

步骤（4）中将全新、良好、潜在粉化、粉化、完全老化五种状态复合绝缘子的老化指数分别量化为0，0.2，0.5，0.8，1；假设复合绝缘子老化与各波段值的变化呈线性关系，建立的老化模型如下式：

其中：P _{1 、 2 、。。。、 n} 为某状态复合绝缘子在第n个特征波段处的反射率；

      P ₀ 是全新的复合绝缘子在相应波段处的反射率；

      a ₀ 、a ₁ 、a ₂ 、…、a _n 为复合绝缘子老化模型待求解的系数；

      L为某状态复合绝缘子对应老化系数。

本发明的有益效果是：根据运行情况来看，复合绝缘子的材质老化是复合绝缘子最主要的问题，但目前关于老化程度只有定性的描述，本发明则可以定量的描述复合绝缘子的老化程度。根据复合绝缘子老化程度的定量化，可以判定复合绝缘子是否还具备电气绝缘性能，以便及时更换劣化的复合绝缘子。

附图说明

图1为本发明实施例的基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法的技术路线图。

图2为图1中获取复合绝缘子高光谱影像的示意图。

图3为图1中预处理的流程图。

图4为图1中训练样本的选取方法的框图。

图5为图1中建立复合绝缘子老化模型的实施框图。

图6为图1中解算老化模型参数的流程图。

图7为图1中用老化模型判断复合绝缘子老化程度的方法框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

附图中的标记说明：1-复合绝缘子的高光谱影像，2-预处理，3-选取训练样本，4-建立复合绝缘子老化模型，5-解算老化模型参数，6-判断复合绝缘子的老化程度，1.1-复合绝缘子，1.2-高光谱成像仪，2.1-几何校正，2.2-去噪，2.3-辐射校正，3.1-确定状态数，3.2-选取每种状态的样区，3.3-取均值，3.4-每种状态的均值样本，4.1-量化老化程度，4.2-提取光谱特征，5.1-组建误差方程组，5.2-确定复合绝缘子老化模型系数的初值，5.3-形成误差方程并法化，5.4-求解参数的改正数，5.5-判断是否收敛，5.6-求复合绝缘子老化模型的系数，6.1-确定复合绝缘子的像素区域，6.2-判断每个像素的老化程度。

本发明的工作原理：复合绝缘子伞群、护套的材质主要为硅橡胶有机材料，有机材料由于内部结构和组分容易引起老化，老化的复合绝缘子会出现脆化、硬化、粉化、甚至开裂。不同老化程度的硅橡胶的光谱特性不同，复合绝缘子在高光谱影像上反映的光谱信息不同，因此，可以根据光谱信息的差异来衡量不同的老化程度。先选取训练样本，获取先验知识，建立老化模型，用最小二乘法解算模型的参数。

图1为本发明的技术路线图。基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测技术首先需要获取复合绝缘子的高光谱影像，然后对得到的高光谱影像1进行预处理2，选取训练样本3，建立复合绝缘子老化模型4，用最小二乘的方法来解算老化模型参数5，得到复合绝缘子老化定量模型。最后，用老化模型判断复合绝缘子的老化程度6。 

图1中获取复合绝缘子高光谱影像的实施例如图2所示，用高光谱成像仪直接对复合绝缘子成像，获取其高光谱影像。然后对获取的高光谱影像进行如图3所示的预处理，用多项式方法进行粗略的几何校正，滤波去噪，最后进行辐射校正，包括大气校正、反射率转换。

复合绝缘子老化模型是根据训练样本的光谱特征建立的，所以选择的训练样本必须与实际的复合绝缘子具有一致性，而且能代表不同老化程度的复合绝缘子。选择的训练样区内必须有足够的样本，以保证由此计算的老化模型参数符合统计规律。图4为图1中训练样本的选取方法。对全新、良好、潜在粉化、粉化、完全老化五种状态复合绝缘子，在其伞群对应的影像区域内，分别选取大量纯净像元作为该状态的训练样区，最后对每种状态的训练样本分别取均值光谱曲线作为该状态的代表样本。

图5为图1中建立复合绝缘子老化模型的实施例框图。首先根据复合绝缘子实际运行情况，将全新、良好、潜在粉化、粉化、完全老化五种状态复合绝缘子的老化指数分别量化为0，0.2，0.5，0.8，1。然后提取光谱特征，对五种状态的均值样本光谱曲线，根据光谱可分性准则，确定特征波段数目n。假设复合绝缘子老化与各波段值的变化呈线性关系，建立如下地老化模型:

其中：P _{1 、 2 、。。。、 n} 为某状态复合绝缘子在第n个特征波段处的反射率；

      P ₀ 是全新的复合绝缘子在相应波段处的反射率；

     a ₀ 、a ₁ 、a ₂ 、…、a _n 为复合绝缘子老化模型待求解的系数；

      L为某状态复合绝缘子对应老化系数。

图6为图1中解算老化模型参数的流程图，采用最小二乘法。最小二乘法是使误差平方和最小的算法，用其解算可以获取较为准确的老化程度评价模型。根据建立的复合绝缘子老化模型确定拟合多项式的次数，由样本的光谱特征组建方程组5.1，确定待求解模型参数的初值5.2，形成误差方程并法化5.3，求解参数的改正数5.4。判断条件是否收敛，如果收敛，则可以求得老化模型的系数；如果不收敛，将改正后的参数代入，重新组建误差方程，得到法方程，求解参数的改正数，重复直至收敛。

图7表示的是用老化模型判断复合绝缘子老化程度的方法。首先，从高光谱影像上提取一串复合绝缘子的全部区域，确定复合绝缘子的像素区域6.1，然后用老化模型逐个判断区域内像素的老化系数，对区域内所有像素的老化程度取均值，得到复合绝缘子的老化程度6。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种基于高光谱的复合绝缘子老化运行状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）用高光谱成像仪对复合绝缘子成像，获取复合绝缘子的高光谱影像；

（2）影像预处理：对复合绝缘子的影像进行预处理，包括几何校正、滤波去噪、辐射校正，以获得较为精确的光谱信息；

（3）选取训练样本：其步骤包括确定状态数、选取每种状态的样区、取均值，得到每种状态的均值样本；

（4）建立复合绝缘子老化模型：首先量化老化程度，接着提取光谱特征，然后建立复合绝缘子老化模型；

（5）解算老化模型参数：采用最小二乘法解算老化模型的参数；

（6）用老化模型判断复合绝缘子的老化程度：从高光谱影像上提取一串复合绝缘子的全部区域，确定复合绝缘子的像素区域，然后用老化模型逐个判断区域内像素的老化系数，对区域内所有像素的老化程度取均值，即可得到复合绝缘子的老化程度；其中：

步骤（4）中将全新、良好、潜在粉化、粉化、完全老化五种状态复合绝缘子的老化指数分别量化为0，0.2，0.5，0.8，1；假设复合绝缘子老化与各波段值的变化呈线性关系，建立的老化模型如下式：

其中：

为某状态复合绝缘子在第n个特征波段处的反射率；

      P ₀ 是全新的复合绝缘子在相应波段处的反射率；

      a ₀ 、a ₁ 、a ₂ 、…、a _n 为复合绝缘子老化模型待求解的系数；

      L为某状态复合绝缘子对应老化系数。

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