CN109142904B - 一种基于图像识别的直流输电换流阀故障监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像识别的直流输电换流阀故障监测方法及装置，其中的监测方法包括：按照第一频率对每层换流阀阀塔进行温度图像采集，按照第二频率对每层换流阀阀塔进行可见光图像采集；根据温度图像判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，控制增大进行可见光图像采集的第二频率。在本发明中，对每层换流阀阀塔进行温度图像采集以及可见光图像采集，在正常情况下，以较低的频率采集可见光图像，仅当存在温度异常时，才增大可见光图像采集的频率，在保证可靠检测的同时，有效减小了换流阀检测设备进行可见光图像采集时的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于图像识别的直流输电换流阀故障监测方法及装置，属于特高压直流输电技术领域。
背景技术
由于我国能源分布与电力负荷分布严重不均衡，特高压直流输电具有适合输送距离远、损耗小、可实现异步联网等优点，特高压直流输电在我国得到了快速发展，构成了我国电网主网架的重要组成部分。换流阀是特高压直流输电的核心设备之一，作用是在整流站把交流电变换成直流电，在逆变站把直流电变换成交流电。换流阀设备一旦出现故障，不仅会导致直流输电工程的停运，严重情况下可能会导致换流阀或阀厅的火灾安全事故。
自首批换流阀设备投入运营以来，换流阀的巡检工作一直得到高度的重视，巡检技术也由最初的简单检查，发展成为系统性的巡检。2011年1月，国家能源局发布了由国家电网公司运行分公司所起草的DL/T 351-2010《换流阀检修导则》，导则中明确给出了日常检查、例行检修和特殊性检修三类巡检工作的具体实施办法。其中，重点强调了日常检查时红外热像检测，即用红外热像仪对换流阀可视部分进行检测。同时，围绕着换流阀巡检技术的研究与应用不断开展，包括红外巡检机器人的应用和智能巡检监测系统的建设，为换流阀的安全可靠运行提供了一定的保障。
目前，换流阀设备的监测手段有两种：一种是换流站运维人员通过阀厅顶部的巡视走廊定期使用手持红外摄像机对换流阀阀塔整体进行测温巡视；另一种是阀厅侧墙壁安装监测传感器进行视频监测，两种监测手段中阀厅内部阀塔1、巡视走廊2和监测传感器3相对位置示意图如图1所示。由图1可知，由于受限于换流阀高达约400kV的电压环境等安全因素，这两种措施中监测设备均远离阀塔，只能查看到阀塔外围边缘少量元器件，无法查看到阀塔内部的大量元器件的运行状态，检测可靠性较差。另外，当两种监测设备同时运行时，需要对大量的检测数据进行处理，无疑增大了监测设备的功率损耗，增加了投资成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像识别的直流输电换流阀故障监测方法及装置，用于解决换流阀的监测设备能耗较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种特高压直流输电换流阀故障监测方法，包括以下步骤：
步骤1，按照第一频率对各层换流阀阀塔进行温度图像采集，按照第二频率对每层换流阀阀塔进行可见光图像采集；
步骤2，根据温度图像判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，控制增大进行可见光图像采集的第二频率。
进一步的，还包括根据可见光图像判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障；若发生结构故障，发出结构异常预警信号。
进一步的，所述第一频率大于所述第二频率。
进一步的，还包括若发生温度故障，发出温度异常预警信号。
进一步的，还包括若未发生结构故障，则恢复可见光图像采集的频率。
进一步的，还包括对采集到的温度图像进行滤波和温度转换处理；将处理得到温度值与预设的过温报警数据进行对比，若高于预设的过温报警数据，则判断发生温度故障。
进一步的，还包括对采集到的可见光图像进行去噪、锐化、分割、特征分析和识别处理；将处理后的可见光图像与已保存的正常状态的阀塔模型数据进行对比来判断是否发生结构故障。
本发明还提供了一种特高压直流输电换流阀故障监测装置，包括监测主机以及用于监测每层换流阀阀层的监测子设备，各个监测子设备与所述监测主机通信连接；所述监测子设备包括热成像传感器以及可见光成像传感器；所述热成像传感器用于按照第一频率对每层换流阀阀塔进行温度图像采集，并将采集到的温度图像发送给所述监测主机；所述可见光成像传感器用于按照第二频率对每层换流阀阀塔进行可见光图像采集，并将采集到的可见光图像发送给所述监测主机；所述监测主机用于接收所述温度图像以及可见光图像，并根据所述温度图像判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，控制增大进行可见光图像采集的第二频率。
进一步的，所述监测主机还用于根据可见光图像判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障；若发生结构故障，发出结构异常预警信号。
进一步的，所述第一频率大于所述第二频率。
进一步的，所述监测主机还用于若发生温度故障，发出温度异常预警信号。
进一步的，所述监测主机还用于若未发生结构故障，则恢复可见光图像采集的频率。
进一步的，所述监测主机用于对采集到的温度图像进行滤波和温度转换处理；将处理得到温度值与预设的过温报警数据进行对比，若高于预设的过温报警数据，则判断发生温度故障。
进一步的，所述监测主机用于对采集到的可见光图像进行去噪、锐化、分割、特征分析和识别处理；将处理后的可见光图像与已保存的正常状态的阀塔模型数据进行对比来判断是否发生结构故障。
本发明的有益效果是：
对每层换流阀阀塔进行温度图像采集以及可见光图像采集，在正常情况下，以较低的频率采集可见光图像，仅当存在温度异常时，才增大可见光图像采集的频率，在保证可靠检测的同时，有效减小了换流阀检测设备进行可见光图像采集时的能耗。
在判断出温度异常的情况下，再根据多幅可见光图像进一步去判断流阀阀塔是否发生结构故障，若出现结构故障，则发出预警信号，提醒维修人员进行检修。
并且，在正常情况下，可见光图像采集的频率低于温度图像采集的频率，温度检测为主要的监测措施，结构检测为辅助监测措施，有效避免了结构检测中图像信息处理工作量较大，功耗较高的现象。
在判断出温度异常的情况下，若结构检测中未检测到换流阀设备结构异常，说明换流阀阀塔内未发生结构故障，则恢复可见光图像采集的频率，以避免较大的功率损耗。
附图说明
图1是现有监测措施中阀厅内监测装置相对位置的示意图；
图2是特高压直流输电换流阀故障监测装置的结构示意图；
图3是特高压直流输电换流阀故障监测装置的光纤激光供电方式的示意图；
图4是特高压直流输电换流阀故障监测装置的具体工作流程。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图2所示，特高压直流输电换流阀故障监测装置包括监测主机以及用于监测每层换流阀阀层的监测子设备，各个监测子设备与监测主机通信连接，每个监测主机可接入多个分布式监测子设备。
其中，各个监测子设备安装在换流阀阀塔内的各阀层上的设定位置，可以实现换流阀阀塔内部电气元件运行状态的监测。当然，各个监测子设备也可以安装在换流阀阀塔外相应的位置上。监测子设备包括热成像和可见光成像两种传感器、成像控制模块和光电转换模块。成像控制模块采样连接热成像和可见光成像两种传感器，通信连接监测主机。成像控制模块可以控制调节各个监测子设备采集可见光图像的频率以及采集温度图像的频率，接收热成像和可见光成像两种传感器发送过来的采样数据，并将采样数据发送给监测主机。在本实施例中，热成像传感器为红外热成像传感器。
作为其他的实施方式，监测子设备也可以不设置专门的成像控制模块，而是由监测主机直接采样连接热成像和可见光成像两种传感器，此时由监测主机直接控制调节各个监测子设备采集可见光图像的频率以及采集温度图像的频率，并接收由热成像和可见光成像两种传感器发送过来的采样数据。
监测子设备采用光纤激光供电，如图3所示，监测子设备中的光电转换模块接收来自控制室激光供电装置的光能量，将输入的光能转换为电能，转换后的电能经电源稳压单元进行稳压，用于给监测子设备中的热成像和可见光成像两种传感器以及成像控制模块提供稳定的工作电源。这种供电方式实现了监测子设备与阀塔高压电气回路和监测主机所在控制系统的电气隔离，不会对现有阀塔电气特性造成影响，同时也可有效降低阀塔高压回路的电磁干扰，提高监测子设备的工作可靠性。
监测子设备中的两种传感器以较短的时间间隔定时对下层阀塔进行全景拍照。其中，红外热成像传感器用以采集阀塔内主要电气元件的温度数据，用于过温预警；可见光成像传感器用以采集每层阀塔的实时图像数据，用于监测机械故障和过温故障的准确定位。成像控制模块完成两个成像传感器的拍照控制，读取红外和可见光图像数据，并通过光纤通信的方式上送到监测主机。在监测子设备设计中，通过合理布局红外热成像和可见光成像传感器的相对位置，对每层阀塔进行红外图像数据和可见光图像数据采集。
监测主机接收由各个监测子设备发送过来的温度图像数据以及可见光图像数据，并对两种数据进行处理，进而判断出各层换流阀阀塔是否发生温度故障以及结构故障，若换流阀阀塔发生温度异常故障或结构异常故障，则发出相应的预警信息。
另外，监测主机设备中存储有正常运行状态和各种故障运行状态条件下的阀塔图像数据模型，该图像数据模型中包含阀塔元器件布局的准确位置、主要电气元件的过温阈值、主要元件老化模型等详细数据。
上述特高压直流输电换流阀故障监测装置的具体工作流程如图4所示，具体包括以下步骤：
(1)各个监测子设备的红外热成像传感器按照第一频率对本层换流阀阀塔进行温度图像采集，各个监测子设备的可见光成像传感器按照第二频率对本层换流阀阀塔进行可见光图像采集，并将采集到的温度图像和可见光图像通过成像控制模块发送给监测主机。
其中，在正常运行过程中，第一频率高于第二频率。也就是，监测子设备中的红外传感器以较高的频率采集阀塔温度数据，用以诊断阀塔内是否存在异常过温，为主要监测措施；可见光成像传感器以较低的频率采集阀塔图像数据，用以监测阀塔长期运行过程中的结构异常。
作为其他的实施方式，当检测子设备中不设置专门的成像控制模块时，红外热成像传感器和可见光成像传感器分别将采集到的温度图像和可见光图像直接发送给监测主机。
(2)监测主机接收各个监测子设备发送过来的红外热温度图像数据，并根据该温度数据判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，监测主机控制升高对应监测子设备进行可见光图像采集的频率。
具体的，监测主机设备在接收到来自监测子设备采集的红外热温度图像数据后，对图像数据进行滤波和温度转换计算，通过对比已保存的阀塔图像模型中的元器件布局位置，解析出主要电气元件的温度值，然后与预设的过温报警数据进行对比诊断是否存在过温情况。若判定存在异常过温，则及时向运维人员发出温度异常预警信号，同时控制监测子设备提高可见光图像的采集频率，供运维人员远程查看阀塔当前实时状态，以便准确制定处理意见。
(3)监测主机接收各个监测子设备发送过来的可见光图像数据，并根据该可见光图像数据判断每层换流阀阀塔是否发生结构异常故障；若发生机构异常故障，发出结构异常预警信号。
具体的，监测主机设备在接收到来自监测子设备采集的可见光图像数据后，对图像进行图像增强、图像去噪、图像锐化、图像边缘检测和分割等预处理后，再进行图像特征分析与识别，得到进一步详细的阀塔结构数据。
因阀塔中的电抗器流经几千安培额定电流时会带动整个阀塔处于振动状态，长期运行容易引起元件连接松动等问题。由于监测主机设备中存储有正常状态下的阀塔图像数据模型，监测子设备安装位置、阀塔外形和内部元件布局均为已知，主机设备只需将当前阀塔图像数据与已保存的正常运行状态的阀塔图像数据进行对比分析，即可诊断出当前阀塔中元件是否松动、主要电气元件是否存在移位等结构变化。若诊断出发生了结构异常故障，则发出结构异常预警信号；若未若未发生结构故障，则恢复对应监测子设备的可见光图像的采样频率。
为了进一步地降低监测子设备的功耗，成像控制模块可以设定功耗较大的可见光成像传感器处于休眠模式，功耗较小的红外热成像传感器一直处于工作状态，此时可以认为可见光成像传感器的采样频率即第二频率无限小。
此时，成像控制模块控制红外热成像传感器定时即按照第一频率采集阀塔的红外温度图像数据，并经过光纤通信发送到控制室监测主机，由监测主机对红外温度图像数据进行分析，判断是否出现过温预警。当监测主机判断出现过温预警时，向监测子设备下发可见光成像传感器进入正常工作模式控制指令。可见光成像传感器由休眠模式转为正常工作模式，采集并上传当前可见光图像数据，由监测主机进行深入的故障分析定位，并及时向运维工作人员发出预警信息。
另外，监测主机设备中还加入了人工智能处理机制，通过自学习能力积累非正常状态下的各种特征数据，完善故障诊断能力。
上述的特高压直流输电换流阀故障监测装置可实现对换流阀阀塔的内部在线监视，通过采用红外热成像和可见光成像两种传感器，实现对过温故障进行预警的同时，还可以实现故障点的准确定位；通过控制两种传感器的采样频率，有效降低了监测能耗；通过采用光纤激光供电和光纤通信，实现了监测子设备与换流阀高压回路和控制系统的电气隔离；采用于分布式监测子设备设计，降低了功耗和硬件成本。
Claims (10)
1.一种特高压直流输电换流阀故障监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照第一频率对每层换流阀阀塔进行温度图像采集，按照第二频率对每层换流阀阀塔进行可见光图像采集，所述可见光图像用于判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障，所述进行温度图像采集和可见光图像采集对应的各监测子设备安装在换流阀阀塔内的各阀层上的设定位置；
所述监测子设备采用光纤激光供电；
步骤2，根据温度图像判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，控制增大进行可见光图像采集的第二频率。
2.根据权利要求1所述的特高压直流输电换流阀故障监测方法，其特征在于，还包括根据可见光图像判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障；若发生结构故障，发出结构异常预警信号。
3.根据权利要求1或2所述的特高压直流输电换流阀故障监测方法，其特征在于，所述第一频率大于所述第二频率。
4.根据权利要求1或2所述的特高压直流输电换流阀故障监测方法，其特征在于，还包括若发生温度故障，发出温度异常预警信号。
5.根据权利要求2所述的特高压直流输电换流阀故障监测方法，其特征在于，还包括若未发生结构故障，则恢复可见光图像采集的频率。
6.一种特高压直流输电换流阀故障监测装置，其特征在于，包括监测主机以及用于监测每层换流阀阀层的监测子设备，各个监测子设备安装在换流阀阀塔内的各阀层上的设定位置，各个监测子设备与所述监测主机通信连接；所述监测子设备包括热成像传感器以及可见光成像传感器；所述热成像传感器用于按照第一频率对每层换流阀阀塔进行温度图像采集，并将采集到的温度图像发送给所述监测主机；所述可见光成像传感器用于按照第二频率对每层换流阀阀塔进行可见光图像采集，并将采集到的可见光图像发送给所述监测主机，所述可见光图像用于判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障，所述监测子设备采用光纤激光供电；所述监测主机用于接收所述温度图像以及可见光图像，并根据所述温度图像判断每层换流阀阀塔是否发生温度故障；若发生温度故障，控制增大进行可见光图像采集的第二频率。
7.根据权利要求6所述的特高压直流输电换流阀故障监测装置，其特征在于，所述监测主机还用于根据可见光图像判断每层换流阀阀塔是否发生结构故障；若发生结构故障，发出结构异常预警信号。
8.根据权利要求6或7所述的特高压直流输电换流阀故障监测装置，其特征在于，所述第一频率大于所述第二频率。
9.根据权利要求6或7所述的特高压直流输电换流阀故障监测装置，其特征在于，所述监测主机还用于若发生温度故障，发出温度异常预警信号。
10.根据权利要求7所述的特高压直流输电换流阀故障监测装置，其特征在于，所述监测主机还用于若未发生结构故障，则恢复可见光图像采集的频率。
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