CN103744005A - 一种基于紫外成像法下放电强度换算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于紫外成像法下放电强度换算方法，通过紫外成像检测放电模型的设计、视频分析和数字图像的处理，综合考虑测试距离、仪器增益、放电强度与紫外成像图谱量化数据间的关系，分析各参量及数据得到相应的曲线，提出了相应的换算方法。可有效指导本地区电网输变电设备典型缺陷紫外成像检测分析的灵敏度和准确性，并为设备的放电强度提供可靠的测试依据。

Description

一种基于紫外成像法下放电强度换算方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，特别涉及一种基于紫外成像法下放电强度换算方法。 

背景技术

超高压输电线路和变电站电气设备多数都处于大气环境下，长期的电、热、机械应力作用下不可避免的会出现绝缘劣化、老化甚至损坏的问题， 在一定的条件下，设备的表面会出现放电现象，但这种放电一般表现为弱放电，其辐射的光波波长主要分布于紫外波段（200-400nm），人眼很难直接观察到。常规的检测方法，如声波检测法和超高频法都很难准确定位放电点。 

利用紫外成像仪对高压、超高压输变电设备进行检测，实现高压导线散股、断股、外部损伤、高压设备污染程度、绝缘子劣化等高压电气设备绝缘缺陷检测，在国外已经得到较广泛的应用；国内近几年才刚刚开展紫外检测方面研究，尚处于起步阶段。可供参考的相关技术文献和资料也较少，我国电力系统也尚未制订相应的规程标准，仍处于技术引进的初级阶段，因此限制了紫外检测技术的现场应用。 

目前，国内电力系统使用的紫外成像仪基本都是从南非CSRI和以色列OFIL公司进口。自2002年8月以来，国内几个大城市的电力高压实验室也开始进行紫外成像仪的应用试验，并取得初步效果。但目前紫外成像仪在我国电力系统中侧重于实际检测应用，对设备放电形成的原因，紫外成像法能否量化放电，不同缺陷下放电的紫外图谱特征等问题未开展过系统、全面的研究。 

有鉴于此，本发明提供一种基于紫外成像法下放电强度换算方法，以满足实际应用需要。 

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有技术存在的问题，提供一种基于紫外成像法下放电强度换算方法。 

本发明所采用的技术方案是：一种基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）试验系统的建立，通过对典型试验模型的分析、研究，确定典型的放电模型—棒电极和板电极，对棒电极的选材、大小、结构进行设计，建立用于紫外试验的放电模型；

2）根据步骤1中的建立起来的实验模型，施加不同的工频试验电压值，通过对紫外成像仪器中检测增益设置、不同的测试距离下采集到持续的具有特征性的紫外成像视频，用来进行分析、研究；

3）根据步骤2中检测采集到的紫外成像视频，利用视频分析和数字图像处理算法提取紫外图像中的放电光斑区域，利用光斑区域所包含的图像的像素点的个数来来量化图像，并定义光斑面积参数，确定其光斑面积，根据相应的数字图像处理算法，综合编制图像处理软件；

4）根据步骤3中绘制的图像处理软件，综合考虑紫外测试距离、仪器增益、放电强度与紫外成像图谱量化参数之间的关系，分析各参量及数据得到相应的曲线，提出相应的换算方法。

5）研究电信号与紫外成像信号之间的关系，获得相关的关系曲线，采用步骤4中所得到的换算方法实现对放电强度的计算。 

如上所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤2中，所述紫外检测视频的获取，通过对放电模型施加不同的工频试验电压值，调节紫外成像仪器中检测增益设置、不同的测试距离而获得。 

如上所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤2中，同时用以色列产和南非产两台紫外成像仪进行放电视频的获取，详细获取按下述方法进行：南非紫外成像仪的增益依次取：40%，50%，60%，70%，80%，90%和100%，以色列的紫外成像仪的增益分别取值为：80,100，120，140,160,180,200,220,240,250；施加45kV工频电压至试验模型，两台仪器分别在距离试品4米、6米、8米、12米、16米、20米、28米处进行紫外成像测试并保存。 

如上所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤（4）中，最终所得到的换算方法综合参考了紫外测试距离、仪器的增益及通过紫外成像图谱量化参数之间的关系，得到相应的曲线，再通过数据拟合，得出放电强度的一种换算方法，具体步骤如下： 

（1）光斑面积与距离的关系的拟合分析：光斑面积参数与距离和增益之间有着一定的变化特性，兼顾仪器的探测灵敏度和便于实现对放电的量化分析，在工程中利用光斑面积参数用于放电结果的量化，同时南非的紫外成像仪的增益设置为80%，而以色列的紫外成像仪的增益设置为200；

对南非紫外成像仪在增益为80%，以色列的紫外成像仪在增益为200时的光斑面积随距离的变化特性进行拟合分析；根据数据的变化趋势，选择幂函数对散点进行拟合分析，拟合函数表达式如下：

                      （4-1）

上式中，

为一常量系数，

为观测距离，

为距离

下所对应的光斑面积值，为幂函数的指数；为了确定式（4-1）中的和

值，采用最小二乘曲线拟合法对数据进行拟合分析，为进一步量化曲线的拟合精确程度，计算各拟合曲线的可决系数

，计算式如下：

             （4-2）

上式中，

为残差平方和，

为总平方和，

，该值越接近于1，表示曲线的拟合程度越好；根据试验数据其拟合函数表达式和可决系数值如表1所示：

表1 拟合函数表达式和可决系数值

由上表中的数据可知，对于南非紫外成像仪，其增益在80%时，在40kV和45k下其幂函数的指数近似为1.7，同样对于以色列的紫外成像仪，其光斑面积值与距离之间的拟函数的幂指数值也近似为1.7。

（2）光斑面积值的归一化：在不同的电压即放电强度下，各拟合函数的指数并不相同但差异并不大，对各拟合函数的幂指数进行取平均值处理，对于南非的紫外成像仪其平均值为1.743，对于以色列的紫外成像仪，其平均值为1.741，因而对于南非的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示： 

                    

                     （4-3）

对于以色列的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示：

                      （4-4）

基于式（4-3）和式（4-4）的拟合函数，提出光斑面积和光子数归一化换算方法如下：

对于光斑面积参数，假设在距离

下检测到的光斑面积值为

，将该值归一化到距离

下，设在下的的值为，其中和

也近似满足于拟合函数式（4-3），也即有：

                            

则由（4-3）和（4-4）两式可以得到归一化换算方法如下所示：

                       

                  （4-5）

与现有技术相比，本发明的基于紫外成像法下放电强度换算方法至少具有以下优点：本发明提供的一种基于紫外成像法下放电强度换算方法，针对电气设备紫外检测实际情况和现场应用的实际出发，采用了理论分析、实验室研究和现场测试相结合的方式，在实验室内设计了典型的棒板间隙试验装置，通过施加不同的试验电压，同时用两台紫外成像检测仪在不同的测试距离点、设置不同的增益值下进行了放电特性的紫外成像检测。结合紫外成像视频分析和数字图像处理算法提取了紫外图像中的放电光斑区域，并利用光斑区域所包含的图像的像素点的个数来来量化图像，定义了光斑面积参数。通过试验研究得到放电量化参数随观测距离、仪器增益和之间的关系，分析数据得到相应的曲线，提出了相应的换算公式，将不同距离下的换算方法统一换算到一个统一的距离系，使得检测结果具有很强的对比性和实际的指导意义。可有效指导本地区电网输变电设备典型缺陷紫外成像检测分析的灵敏度和准确性，并为设备的放电强度提供可靠的测试依据。

附图说明

图1是本发明紫外检测试验系统原理图。 

图2是本发明紫外视频分析和图像处理算法图。 

图3至图6是本发明光子数随距离和仪器增益的关系曲线图。 

图7至图10是本发明光斑面积与距离及增益的关系曲线图。 

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。 

请参阅图1 所示，本发明的基于紫外成像法下放电强度换算方法，采用的进行紫外检测试验的系统，包括紫外检测仪器、工频试验电源、放电模型棒电极、板电极和试验仪器电源。 

通过对典型试验模型的分析、研究，确定了典型的放电模型—棒电极和板电极，对棒电极的选材、大小、结构进行了详细设计，建立了用于紫外试验的放电模型和试验系统。 

请参阅图2所示，紫外视频分析和图像处理算法，包括： 

1、连续紫外图像帧的截取。利用图像存储设备记录该视频信号，然后输入计算机进行后续分析和处理。利用Delphi软件开发平台开发了视频分析软件实现了连续视频中图像帧的截取，该软件可按照指定的格式和文件名对图像帧顺序编号，方便了后续图像帧中光斑面积的自动处理和计算。

2、图像的灰度处理。紫外成像仪拍摄的图像或从视频中截取的图像为RGB彩色图像，为了降低后续图像处理的运算量，先将彩色图像转换为灰度图像。图像由彩色转化为灰度的过程叫做灰度化，由于位图为点阵图像，它的每一个像素点由

、、

三个分量所组成，根据YUV颜色空间，

分量的物理意义是亮度，它含了灰度图的所有信息，只有

分量就完全能够表示出一幅灰度图来，YUV和RGB之间有着如下的对应关系： 

利用上式，可以求出：

因此根据

、

、

的值求出

值后，将其

、

、

都赋值成

，就能表示出灰度图来。

3、紫外图像的分割。图像分割就是把图像中具有一特殊含义的小同区域区分开来，在本优选实施例中放电形成的白色光斑区域是需要分割的区域。对转变为灰度图像的紫外图像进行分析其白色光斑区域的灰度值为1（图像采用双精度浮点数据表示时，其每一个像素值的范围为，其中1表示全白，0表示全黑），也即全白，而背景图像的灰度值一般都远低于1，因此本文采用了阈值分割算法将上述灰度图像转换为二值图像。 

4、图像的形态学滤波，放电光斑区域可有效地从紫外图像中分割出来，但紫外图像中的取景框、时间和光子数等信息由于灰度值接近于放电光斑区域，因而也被保留在了二值图像之中，相对于放电图像，上述图像可以看作为噪声图像，需进行必要的滤波处理。分析噪声图像和放电区域图像可知，噪声图像的几何尺寸要远小于放电区域图像本身，根据上述特点，本文采用数学形态学的方法对图像进行了滤波处理。 

5、图像参量的计算。紫外图像经上述处理后可有效提取图像中的放电区域，为了表征该区域的大小从而量化放电的强弱需提相关的参数，由于通常紫外成像区域接近于圆形，因此本优选实施例中引入了光斑面积

参数，计算法方法如下。 

光斑的面积：根据光斑区域由许多个像素点所构成，可用区域中像素点的多少来表征区域大小。在二值图像中该区域的每一个像素用1表示，而背景的黑色区域则以0表示，因此统计图像矩阵的“1”的个数即可得到放电区域的像素点的个数，本文将其定义为“光斑面积s”。其计算式如下： 

其中的和

分别为二值图像矩阵的行和列数值，

为形态学滤波后的二值图像。根据上述的定义可知，其光斑面积实际上是放电光斑区域像素点的个数，因此在此定义其单位为像素。

请参阅图3至图10所示，结合光子数随距离和仪器增益的关系曲线、光斑面积与距离及增益的关系曲线，通过拟合分析，选择合适的拟合函数形式，对各参量进行分析计算，对光斑面积和光子数进行归一化处理，确定放电强度的换算方法，包括： 

1、光斑面积参数与距离和增益之间有着较好的变化特性。兼顾仪器的探测灵敏度和便于实现对放电的量化分析，在工程中利用光斑面积参数用于放电结果的量化，同时南非的紫外成像仪的增益设置为80%左右较为合适，而以色列的紫外成像仪的增益设置为200左右较为合适。

对南非紫外成像仪在增益为80%，以色列的紫外成像仪在增益为200是的光斑面积随距离的变化特性进行了拟合分析。选择合适的拟合函数形式，根据数据的变化趋势，本优选实施例中选择了幂函数对散点进行拟合分析，拟合函数表达式如下： 

                       

                      

上式中，

为一常量系数，

为观测距离，

为距离

下所对应的光斑面积值，

为幂函数的指数。为了确定式（4-1）中的

和

值，本优选实施例中采用了最小二乘曲线拟合法对数据进行了拟合分析，为进一步量化曲线的拟合精确程度，本优选实施例计算了各拟合曲线的可决系数

，计算式如下：

上式中，

为残差平方和，

为总平方和，

，该值越接近于1，表示曲线的拟合程度越好。光斑面积值与距离之间的拟函数的幂指数值也近似为1.7。

2、在不同的电压（放电强度）下，各拟合函数的指数并不相同但差异并不大，为便于后续对光斑面积和光子数进行归一化处理，本优选实施例对各拟合函数的幂指数

进行了取平均值处理，对于南非的紫外成像仪其平均值为1.743，对于以色列的紫外成像仪，其平均值为1.741，因而对于南非的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示： 

对于以色列的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示：

基于上面两式的拟合函数，本优选实施例提出的光斑面积和光子数归一化换算方法如下：

对于光斑面积参数，假设在距离

下检测到的光斑面积值为

，将该值归一化到距离

下，设在

下的的值为，其中和

也近似满足于拟合函数式，也即有：

则由两式可以得到归一化换算方法如下所示：

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）试验系统的建立，通过对典型试验模型的分析、研究，确定典型的放电模型—棒电极和板电极，对棒电极的选材、大小、结构进行设计，建立用于紫外试验的放电模型；

2）根据步骤1中的建立起来的实验模型，施加不同的工频试验电压值，通过对紫外成像仪器中检测增益设置、不同的测试距离下采集到持续的具有特征性的紫外成像视频，用来进行分析、研究；

3）根据步骤2中检测采集到的紫外成像视频，利用视频分析和数字图像处理算法提取紫外图像中的放电光斑区域，利用光斑区域所包含的图像的像素点的个数来来量化图像，并定义光斑面积参数，确定其光斑面积，根据相应的数字图像处理算法，综合编制图像处理软件；

4）根据步骤3中绘制的图像处理软件，综合考虑紫外测试距离、仪器增益、放电强度与紫外成像图谱量化参数之间的关系，分析各参量及数据得到相应的曲线，提出相应的换算方法；

5）研究电信号与紫外成像信号之间的关系，获得相关的关系曲线，采用步骤4中所得到的换算方法实现对放电强度的计算。

2.根据权利要求1所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤2中，所述紫外检测视频的获取，通过对放电模型施加不同的工频试验电压值，调节紫外成像仪器中检测增益设置、不同的测试距离而获得。

3.根据权利要求2所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤2中，同时用以色列产和南非产两台紫外成像仪进行放电视频的获取，详细获取按下述方法进行：南非紫外成像仪的增益依次取：40%，50%，60%，70%，80%，90%和100%，以色列的紫外成像仪的增益分别取值为：80,100，120，140,160,180,200,220,240,250；施加45kV工频电压至试验模型，两台仪器分别在距离试品4米、6米、8米、12米、16米、20米、28米处进行紫外成像测试并保存。

4.根据权利要求1所述的基于紫外成像法下放电强度换算方法，其特征在于，在步骤（4）中，最终所得到的换算方法综合参考了紫外测试距离、仪器的增益及通过紫外成像图谱量化参数之间的关系，得到相应的曲线，再通过数据拟合，得出放电强度的一种换算方法，具体步骤如下：

（1）光斑面积与距离的关系的拟合分析：光斑面积参数与距离和增益之间有着一定的变化特性，兼顾仪器的探测灵敏度和便于实现对放电的量化分析，在工程中利用光斑面积参数用于放电结果的量化，同时南非的紫外成像仪的增益设置为80%，而以色列的紫外成像仪的增益设置为200；

对南非紫外成像仪在增益为80%，以色列的紫外成像仪在增益为200时的光斑面积随距离的变化特性进行拟合分析；根据数据的变化趋势，选择幂函数对散点进行拟合分析，拟合函数表达式如下：

                      （4-1）

上式中，

为一常量系数，为观测距离，

为距离

下所对应的光斑面积值，

为幂函数的指数；为了确定式（4-1）中的

和

值，采用最小二乘曲线拟合法对数据进行拟合分析，为进一步量化曲线的拟合精确程度，计算各拟合曲线的可决系数

，计算式如下：

             （4-2）

上式中，

为残差平方和，

为总平方和，

，该值越接近于1，表示曲线的拟合程度越好；根据试验数据其拟合函数表达式和可决系数值如表1所示：

表1 拟合函数表达式和可决系数值

由上表中的数据可知，对于南非紫外成像仪，其增益在80%时，在40kV和45k下其幂函数的指数近似为1.7，同样对于以色列的紫外成像仪，其光斑面积值与距离之间的拟函数的幂指数值也近似为1.7；

（2）光斑面积值的归一化：在不同的电压即放电强度下，各拟合函数的指数

并不相同但差异并不大，对各拟合函数的幂指数

进行取平均值处理，对于南非的紫外成像仪其平均值为1.743，对于以色列的紫外成像仪，其平均值为1.741，因而对于南非的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示： 

                                         （4-3）

对于以色列的紫外成像仪光斑面积与距离之间的拟合函数统一为式如下所示：

                      （4-4）

基于式（4-3）和式（4-4）的拟合函数，提出光斑面积和光子数归一化换算方法如下：

对于光斑面积参数，假设在距离

下检测到的光斑面积值为，将该值归一化到距离

下，设在

下的的值为，其中

和

也近似满足于拟合函数式（4-3），也即有：

                            

则由（4-3）和（4-4）两式可以得到归一化换算方法如下所示：

                       

                  （4-5）。

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