CN109766923A - 一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，属于电力系统继电保护技术领域。当输电线路遭受雷击时，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t，根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)，选择50μs时窗，再用基于Canny算子图像边缘检测分别对实际波形y(t)和拟合行波x(t)进行检测得到结果P、Q，最后用马氏距离公式计算出马氏距离d，将d作为判据特征量与设定的阈值D比较：若d≥D，线路避雷器动作；若d<D，则判为线路避雷器未动作。本发明克服了传统避雷器计数器不能适时掌控，以及需线路停电观测的弊端，减少了设备的投入。

Description

一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

据统计，我国高压输电线路由于雷击引起的跳闸次数占总跳闸次数的40％～70％。雷击不仅会引起线路跳闸导致供电中断，雷电波入侵变电站还可能造成电力一次设备绝缘受损或破坏二次设备，导致区域性停电。由于输电线路一般很长，虽然有避雷线保护，但由于雷电的绕击和反击，仍不能完全避免输电线路遭受大气过电压的侵袭。因此会装设避雷器，可以在雷电流入侵时形成通地回路，从而保护设备。但目前测量端采集到的行波暂态电流一般不考虑线路避雷器动作产生的影响。因此判断避雷器动作与否对于分析线路遭受雷击时电磁暂态仿真、是否影响线路行波波形等问题十分重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨别方法，根据初始行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作的电流行波，从图像处理角度提出了基于图像边缘检测结合马氏距离的图像相似度匹配计算，最终求得用来判断避雷器是否动作的判据。该方法克服了传统避雷器计数器不能适时掌控，以及需线路停电观测的弊端，减少了设备的投入。

本发明的技术方案是：一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，当输电线路遭受雷击时，线路避雷器动作会使测量端所测的电流行波波头变平缓，并在后续存在振荡，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t，根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)，选择50μs时窗，再用基于Canny算子图像边缘检测分别对实际波形y(t)和拟合行波x(t)进行检测得到结果P、Q，最后用马氏距离公式计算出马氏距离d，将d作为判据特征量与设定的阈值D比较：若d≥D，线路避雷器动作；若d<D，则判为线路避雷器未动作。

具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击时测量端立即启动录波，记录下实际波形y(t)，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t；

(2)根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线在50μs时窗内拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)：

(3)用基于Canny算子检测图像边缘的方法，将拟合波形与实际波形作图像边缘检测：

①去噪声，利用高斯滤波器作平滑处理；

②计算梯度值与方向角；

运用一阶微分边缘算子检测图像边缘，计算边缘梯度模值|ΔI|及方向角θ，梯度是一个矢量，它具有方向角θ和边缘梯度模值|ΔI|；

式中，和指图像对x、y两个正交方向的偏导数，

③非最大值抑制

对一阶微分算子计算的梯度幅值进行非最大抑制，将在梯度方向具有最大梯度值的像元作为边缘像元保留，将其他删除。

④滞后阈值化

设定两个阈值：一个为高阈值t_high，一个为低阈值t_low，用双阈值算法对边缘进行检测和处理。

(4)选用基于整体样本数据考虑的马氏距离作为图像边缘检测匹配相似度判据，马氏距离的计算公式为：

式中，P、Q表示避雷器动作波形与拟合波形的图像边缘检测结果，T表示矩阵转置，S^-1表示避雷器动作波形与拟合波形图像边缘检测结果P和Q的协方差矩阵的逆，判定标准为：

若d≥2时，表示线路避雷器动作；

若d<2时，表示线路避雷器未动作。

避雷器放电计数器是记录避雷器动作次数的装置，当雷击产生一个浪涌脉冲时，超过了门限值后会使得开关器件动作，输出触点动作从而达到计数的效果。但传统避雷器计数器动作情况不能适时掌控，以及需线路停电观测的弊端。随着电力系统的发展，220kV及以上的输电线路都必须安装行波测距装置。本发明正是利用行波测距装置采集到的宽频暂态电流进行线路避雷器动作的辨识，可以直接得到输电线路被直击雷击中的次数并加以记录，可以有效评估线路避雷器运行情况，判断线路避雷器是否因多次动作而导致其质量下降，有效减少了设备巡视次数，降低运营成本。通过对线路避雷器动作的准确辨识可以有效界定输电线路经过区域的易闪段，为避雷器安装位置优化提供可靠依据，也可以很好评估输电线路运行时遭受雷击次数，由此可以对线路上的保护设备进行最优分配，从而为电网的安全可靠运行打下基础。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用行波测距装置采集到的宽频暂态电流进行线路避雷器动作的辨识，不存在避雷器计数器不能适时掌控，以及需线路停电观测的弊端。

2、本发明可直接得到输电线路被直击雷击中的次数并加以记录，可以有效评估线路避雷器运行情况，判断线路避雷器是否因多次动作而导致其质量下降，有效减少了设备巡视次数，降低运营成本。

3、本发明对线路避雷器动作的准确辨识可以有效界定输电线路经过区域的易闪段为避雷器安装位置优化提供可靠依据，也可以很好评估输电线路运行时遭受雷击次数，由此可以对线路上的保护设备进行最优分配，从而为电网的安全可靠运行打下基础。

附图说明

图1是本发明辨别避雷器动作与否的仿真系统模型图；

图2是距雷击点0.4km装有避雷器并动作的波形和拟合波形图(闪络时)；

图3是距雷击点0.7km装有避雷器并动作的波形和拟合波形图(闪络时)；

图4是距雷击点0.9km装有避雷器并动作的波形和拟合波形图(闪络时)；

图5是雷电绕击导线未闪络的故障波形图；

图6是0.9km处的图像边缘检测结果图；

图7是本发明的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，当输电线路遭受雷击时，线路避雷器动作会使测量端所测的电流行波波头变平缓，并在后续存在振荡，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t，根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)，选择50μs时窗，再用基于Canny算子图像边缘检测分别对实际波形y(t)和拟合行波x(t)进行检测得到结果P、Q，最后用马氏距离公式计算出马氏距离d，将d作为判据特征量与设定的阈值D比较：若d≥D，线路避雷器动作；若d<D，则判为线路避雷器未动作。

具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击时测量端立即启动录波，记录下实际波形y(t)，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t；

(2)根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线在50μs时窗内拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)：对于雷击线路时的实际波形y(t)，绝缘子闪络时避雷器的动作主要影响初始行波波头下降沿及后续部分；当绝缘子未闪络时避雷器的动作会使电流行波波头幅值减小，但不会影响故障初始行波波头下降沿的起始部分，且故障初始行波的上升沿起始值和下降沿终止值近似相等，故主要依据初始行波的下降沿起始部分的斜率拟合出未有避雷器动作的故障行波波头，拟合出的下降沿下降至初始行波起始值时，其下降沿后续波形约等于初始行波起始值。

(3)用基于Canny算子检测图像边缘的方法，将拟合波形与实际波形作图像边缘检测：

①去噪声，利用高斯滤波器作平滑处理；

②计算梯度值与方向角；

运用一阶微分边缘算子检测图像边缘，计算边缘梯度模值|ΔI|及方向角θ，梯度是一个矢量，它具有方向角θ和边缘梯度模值|ΔI|；

式中，和指图像对x、y两个正交方向的偏导数，

③非最大值抑制

对一阶微分算子计算的梯度幅值进行非最大抑制，将在梯度方向具有最大梯度值的像元作为边缘像元保留，将其他删除。

④滞后阈值化

设定两个阈值：一个为高阈值t_high，一个为低阈值t_low，用双阈值算法对边缘进行检测和处理。

(4)选用基于整体样本数据考虑的马氏距离作为图像边缘检测匹配相似度判据，马氏距离的计算公式为：

式中，P、Q表示避雷器动作波形与拟合波形的图像边缘检测结果，T表示矩阵转置，S^-1表示避雷器动作波形与拟合波形图像边缘检测结果P和Q的协方差矩阵的逆，判定标准为：

若d≥2时，表示线路避雷器动作；

若d<2时，表示线路避雷器未动作。

本发明的原理是：

一、未动作波形的拟合

绝缘子闪络时避雷器的动作主要影响初始行波波头下降沿及后续部分；当绝缘子未闪络时避雷器动作使电流行波波头幅值减小，但是并未影响故障初始行波波头下降沿的起始部分，且故障初始行波的上升沿起始值和下降沿终止值近似相等，故主要依据初始行波的下降沿起始部分的斜率拟合出未有避雷器动作的故障行波波头，拟合出的下降沿下降至初始行波起始值时，其下降沿后续波形约等于初始行波起始值。

二、图像边缘检测

基于Canny算子检测图像边缘的方法是边缘检测算子中最常用的一种，Canny算子是在一阶微分算子的基础上改进的，加入了非最大值抑制、双阈值手段。其算法步骤如下：

①去噪声，利用高斯滤波器作平滑处理。

②计算梯度值与方向角

运用一阶微分边缘算子检测图像边缘指是在图像边缘处取得极大值，也称为梯度边缘算子检测，梯度是一个矢量，它具有方向θ和模|ΔI|

③非最大值抑制

对一阶微分算子计算的梯度幅值进行非最大抑制，将在梯度方向具有最大梯度值的像元作为边缘像元保留，将其他删除。

④滞后阈值化

设定两个阈值：一个为高阈值t_high，一个为低阈值t_low，用双阈值算法对边缘进行检测和处理。

三、图像相似度匹配计算

对于判断两幅图像的相似度而言，当进行图像样本与总体分布中心做距离时，可以利用距离距分布中心的远近来表示图像相似度程度。欧式距离很早就被提出，用于判断两个样本之间的相似度，在欧式距离的基础上提出马氏距离。马氏距离是一种能够揭示具有相关性的未知样本集之间的差异性或反映它们之间相似度的方法。

马氏距离公式为：

四、避雷器动作辨别

经过大量实验可得，采用马氏距离d≥2，作为线路避雷器动作的判据，其d大于等于2表示线路避雷器动作，d小于2表示线路避雷器动作。

实施例1，建立如图1所示的辨别避雷器动作与否的仿真系统模型，雷电绕击导线闪络和未闪络。其中线路装设ZnO(氧化锌)避雷器。其伏安特性用下式表示：

U＝CI^α (5)

其非线性系数α与流过避雷器的电流密度相关，一般为0.01～0.04。

绝缘子的U_50％为：

U_50％＝533L+110 (6)

上式中L为绝缘子串长度，单位为m，t为从雷击开始到闪络的时间。

雷电流表示为：

i＝I₀(e^-αt-e^-βt) (7)

其中，I₀为雷电流幅值，α和β是决定雷电流上升沿陡度、持续时间和下降沿持续时间的两个常数。雷电流采用2.6us/50us,雷电绕击导线未闪络时雷电流幅值为10kA；闪络时幅值为30kA。

雷电绕击导线未闪络时故障波形如图5所示。雷电绕击导线闪络时，如图1所示x分别为雷击点至M侧保护安装处0.4km、0.7km、0.9km的线路距离。在该模型下，仿真得到故障波形分别如图2、3、4所示。

选取50us的时窗，按本专利所述顺序进行计算：通过小波模极大值确定故障行波到达时刻，根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作时的电流行波，经过图像边缘检测分别对实际行波y和拟合行波x进行检测得到结果P、Q，最后用马氏距离公式计算出马氏距离d再与判据D作比较。

通过大量实验可得，采用D＝2为避雷器动作与否的判据。d≥2时表示线路避雷器动作，d<2表示线路避雷器未动作。该模型仿真实验数据如表1所示。

表1：避雷器不同安装位置时的判定结果

实施例2：建立如图1所示的辨别避雷器动作与否的仿真系统模型，其参数在实例1中做了详细说明，步骤如实施例1。使不同雷电流幅值注入导线，致使绝缘子发生雷击闪络，且避雷器动作的采用上述方法的判定结果如表2所示。

表2：不同雷电流幅值的避雷器动作判定结果

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，其特征在于：当输电线路遭受雷击时，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t，根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)，选择50μs时窗，再用基于Canny算子图像边缘检测分别对实际波形y(t)和拟合行波x(t)进行检测得到结果P、Q，最后用马氏距离公式计算出马氏距离d，将d作为判据特征量与设定的阈值D比较：若d≥D，线路避雷器动作；若d<D，则判为线路避雷器未动作。

2.根据权利要求1所述的基于图像边缘检测的避雷器动作辨识方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)当输电线路遭受雷击时测量端立即启动录波，记录下实际波形y(t)，通过小波模极大值变换确定故障行波到达时刻t；

(2)根据电流行波下降沿利用最小二乘曲线在50μs时窗内拟合出避雷器未动作时的拟合波形x(t)：

(3)用基于Canny算子检测图像边缘的方法，将拟合波形与实际波形作图像边缘检测：

①去噪声，利用高斯滤波器作平滑处理；

②计算梯度值与方向角；

运用一阶微分边缘算子检测图像边缘，计算边缘梯度模值ΔI及方向角θ，梯度是一个矢量，它具有方向角θ和边缘梯度模值ΔI；

式中，和指图像对x、y两个正交方向的偏导数，

(4)选用基于整体样本数据考虑的马氏距离作为图像边缘检测匹配相似度判据，马氏距离的计算公式为：

式中，P、Q表示避雷器动作波形与拟合波形的图像边缘检测结果，T表示矩阵转置，S^-1表示避雷器动作波形与拟合波形图像边缘检测结果P和Q的协方差矩阵的逆，判定标准为：

若d≥2时，表示线路避雷器动作；

若d<2时，表示线路避雷器未动作。