CN110632482A - 基于高斯金字塔的epr电缆绝缘老化状态测评方法 - Google Patents

基于高斯金字塔的epr电缆绝缘老化状态测评方法 Download PDF

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CN110632482A CN201911063494.7A CN201911063494A CN110632482A CN 110632482 A CN110632482 A CN 110632482A CN 201911063494 A CN201911063494 A CN 201911063494A CN 110632482 A CN110632482 A CN 110632482A
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Abstract

本发明公开了一种基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法，包括步骤：采集实际运行电缆与待检测电缆的局部放电谱图信息、提取老化特征因子和根据老化特征因子估算电缆绝缘老化状态。本发明能准确、高效地估算EPR电缆绝缘老化状态，大量地降低检修工作量。

Description

基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法
技术领域
本发明属于电缆绝缘状态检测领域，具体涉及一种基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法。
背景技术
车载乙丙橡胶电缆(EPR)是高速列车及电力机车中的关键高压设备，车载供电系统中各个高压电气设备的连接都需要使用EPR电缆，EPR电缆的使用状态直接影响着牵引供电系统的安全、稳定与经济运行。EPR绝缘是电缆的重要组成部分，同时也是电缆运行过程中容易受损伤的部分。电缆绝缘性能下降不但会造成大量的电能损耗，而且还存在严重的安全风险，轻则弓网线路中工作电流增大，电气设备寿命缩短，重则造成列车停运、弓网事故等，造成难以估量的损失。因此对EPR电缆绝缘老化状态测评尤为重要。
在当前铁路事业迅速发展的大背景下，针对EPR电缆绝缘故障的探讨较为欠缺。考虑到绝缘故障电缆运行安全性问题，为保障列车的完全运行，亟需一种可靠、安全的方法，对车载EPR电缆绝缘故障情况进行测评。通过对车载EPR电缆绝缘故障情况进行测评，对于牵引供电系统的安全有效运维具有重大的工程价值和理论意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法。
本发明的技术方案如下：
基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法，包括
第一步：采集实际运行电缆与待检测电缆的局部放电谱图信息：
将实际运行电缆和待检测电缆分别加压电缆加压20kV，进行h次局部放电谱图采集，将从实际运行电缆中采集的谱图标号记为F(t,a)，将从待检测电缆中采集的谱图标号记为Ca，t表示电缆实际运行t年，a表示第a次局部放电谱图采集；t，a均为实数，t∈{2,5,7,10}，a∈[1,h]，h≥50；
第二步：提取老化特征因子，包括
1)对采集局部放电谱图F(t,a)和谱图Ca分别进行灰度化处理，将灰度化处理后的谱图分别记为GF(t,a)和GCa，灰度化的过程如下：
记F(t,a)中红色像素值坐标为r-f(t,a)(i,j)，绿色像素值坐标为g-f(t,a)(i,j)，蓝色像素值坐标为b-f(t,a)(i,j)；灰度化后，GF(t,a)中像素值坐标gf(t,a)(i,j)为
Figure BDA0002258429760000021
i，j分别为谱图GF(t,a)像素的横、纵坐标，i，j均为实数，i∈[1,32]，j∈[1,32]；
记Ca中红色像素值坐标为r-ca(p,q)，绿色像素值坐标为g-ca(p,q)，蓝色像素值坐标为b-ca(p,q)；灰度化后，GCa中像素值坐标gca(p,q)为
Figure BDA0002258429760000022
p，q分别为谱图GCa像素的横、纵坐标，p，q均为实数，p∈[1,32]，q∈[1,32]；
2)对谱图GF(t,a)和谱图GCa分别进行降维处理，将降维处理后的谱图分别记为GF(t,a,n)和GC(a,n)，n为降维次数，n为实数，n∈{1,2,3}，记GF(t,a,n)中像素值坐标为gf(t,a,n)(in,jn)，记GC(a,n)中像素值坐标为gc(a,n)(pn,qn)；降维处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000023
Figure BDA0002258429760000024
其中，α1∈i，且α1为偶数；β1∈j，且β1为偶数；i1，j1分别为谱图GF(t,a,1)像素的横、纵坐标，i1，j1均为实数，i1∈[1,16]，j1∈[1,16]；gf(t,a,1)(i1,j1)为一次降维谱图GF(t,a,1)的像素值坐标；μ1∈p，且μ1为偶数；λ1∈q，且λ1为偶数；p1，q1分别为谱图GC(a,1)像素的横、纵坐标，p1，q1均为实数，p1∈[1,16]，q1∈[1,16]；gc(a,1)(p1,q1)为一次降维谱图GC(a,1)的像素值坐标；
其中，α2∈i1，且α2为偶数；β2∈j1，且β2为偶数；i2，j2分别为谱图GF(t,a,2)像素的横、纵坐标，i2，j2均为实数，i2∈[1,8]，j2∈[1,8]；gf(t,a,2)(i2,j2)为二次降维谱图GF(t,a,2)的像素值坐标；μ2∈p1，且μ2为偶数；λ2∈q1，且λ2为偶数；p2，q2分别为谱图GC(a,2)像素的横、纵坐标，p2，q2均为实数，p2∈[1,8]，q2∈[1,8]；gc(a,2)(p2,q2)为二次降维谱图GC(a,2)的像素值坐标；
Figure BDA0002258429760000027
Figure BDA0002258429760000031
其中，α3∈i2，且α3为偶数；β3∈j2，且β3为偶数；i3，j3分别为谱图GF(t,a,3)像素的横、纵坐标，i3，j3均为实数，i3∈[1,4]，j3∈[1,4]；gf(t,a,3)(i3,j3)为三次降维谱图GF(t,a,3)的像素值坐标；μ3∈p2，且μ3为偶数；λ3∈q2，且λ3为偶数；p3，q3分别为谱图GC(a,3)像素的横、纵坐标，p3，q3均为实数，p3∈[1,4]，q3∈[1,4]；gc(a,3)(p3,q3)为三次降维谱图GC(a,3)的像素值坐标；
3)对谱图GF(t,a,n)和谱图GC(a,n)分别进行均值化处理，将均值化后的谱图分别记为mGF(t,n)和mGC(n)，记mGF(t,n)中像素值坐标mgf(t,n)(in,jn)，mGC(n)中的像素值坐标为mgc(n)(pn,qn)；均值化处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000032
Figure BDA0002258429760000033
4)对谱图mGF(t,n)进行权重化处理，将权重化后的谱图记为wGF(n)，记wGF(n)中像素值坐标wgf(n)(in,jn)，权重化处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000034
5)分别计算谱图wGF(n)的核矩阵T(n)和谱图mGC(n)的核矩阵E(n)，公式如下
Figure BDA0002258429760000035
Figure BDA0002258429760000036
Figure BDA0002258429760000041
Figure BDA0002258429760000043
Figure BDA0002258429760000044
其中，“*”表示卷积运算，T(1)为21×21的核矩阵，T(2)为11×11的核矩阵，T(3)为5×5的核矩阵；E(1)为21×21的核矩阵，E(2)为11×11的核矩阵，E(3)为5×5的核矩阵；
6)分别计算核矩阵T(n)的变异系数η(n)和核矩阵E(n)的变异系数γ(n)，
Figure BDA0002258429760000045
Figure BDA0002258429760000046
Figure BDA0002258429760000047
Figure BDA0002258429760000048
Figure BDA0002258429760000049
其中，“||||F”表示矩阵F范数；
Figure BDA00022584297600000411
为核矩阵T(1)、T(2)、T(3)的逆矩阵；
Figure BDA00022584297600000412
Figure BDA00022584297600000413
为核矩阵E(1)、E(2)、E(3)的逆矩阵；
7)计算老化特征因子ξ
Figure BDA0002258429760000051
Figure BDA0002258429760000052
Figure BDA0002258429760000053
第三步：根据老化特征因子ξ估算电缆绝缘老化状态。
本发明的有益效果为，能准确、高效地估算EPR电缆绝缘老化状态，大量地降低检修工作量。
附图说明
图1为电缆局部放电谱图测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法，包括以下步骤：
第一步：搭建局部放电谱图测试平台
如图1，将高频电压源(1)的1号出线端口(2)通过高压绝缘线(3)与测试电缆(4)的终端(5)连接，将高频电流互感线圈(6)套入测试电缆(4)的1号接地线(7)，将高频电流互感线圈(6)通过1号信号传输线(8)与数据采集器(9)连接，将数据采集器(9)通过2号信号传输线(10)与上位机(11)连接，将高频电压源(1)的2号出线端口(12)通过2号接地线(13)接地。
第二步：测量实际运行电缆的局部放电谱图信息
将实际运行电缆和待检测电缆分别作为测试电缆(4)，打开高频电压源(1)，使高频电压源(1)输出电压为20kV；打开数据采集器(9)对测试电缆(4)进行h次(h≥50)局部放电谱图采集；采集完成后，先关闭高频电压源(1)，再关闭数据采集器(9)；将从实际运行电缆中采集的谱图标号记为F(t,a)，将从待检测电缆中采集的谱图标号记为Ca，t表示电缆实际运行t年，a表示第a次局部放电谱图采集；t，a均为实数，t∈{2,5,7,10}，a∈[1,h]。
第三步：老化特征因子提取
老化特征因子提取的步骤如下：
1)对采集局部放电谱图F(t,a)和谱图Ca分别进行灰度化处理，将灰度化处理后的谱图分别记为GF(t,a)和GCa，灰度化的过程如下：
记F(t,a)中红色像素值坐标为r-f(t,a)(i,j)，绿色像素值坐标为g-f(t,a)(i,j)，蓝色像素值坐标为b-f(t,a)(i,j)；灰度化后，GF(t,a)中像素值坐标gf(t,a)(i,j)为
Figure BDA0002258429760000061
i，j分别为谱图GF(t,a)像素的横、纵坐标，i，j均为实数，i∈[1,32]，j∈[1,32]；
记Ca中红色像素值坐标为r-ca(p,q)，绿色像素值坐标为g-ca(p,q)，蓝色像素值坐标为b-ca(p,q)；灰度化后，GCa中像素值坐标gca(p,q)为
Figure BDA0002258429760000062
p，q分别为谱图GCa像素的横、纵坐标，p，q均为实数，p∈[1,32]，q∈[1,32]。
2)对谱图GF(t,a)和谱图GCa分别进行降维处理，将降维处理后的谱图分别记为GF(t,a,n)和GC(a,n)，n为降维次数，n为实数，n∈{1,2,3}，记GF(t,a,n)中像素值坐标为gf(t,a,n)(in,jn)，记GC(a,n)中像素值坐标为gc(a,n)(pn,qn)；降维处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000063
其中，α1∈i，且α1为偶数；β1∈j，且β1为偶数；i1，j1分别为谱图GF(t,a,1)像素的横、纵坐标，i1，j1均为实数，i1∈[1,16]，j1∈[1,16]；gf(t,a,1)(i1,j1)为一次降维谱图GF(t,a,1)的像素值坐标；μ1∈p，且μ1为偶数；λ1∈q，且λ1为偶数；p1，q1分别为谱图GC(a,1)像素的横、纵坐标，p1，q1均为实数，p1∈[1,16]，q1∈[1,16]；gc(a,1)(p1,q1)为一次降维谱图GC(a,1)的像素值坐标；
Figure BDA0002258429760000065
Figure BDA0002258429760000066
其中，α2∈i1，且α2为偶数；β2∈j1，且β2为偶数；i2，j2分别为谱图GF(t,a,2)像素的横、纵坐标，i2，j2均为实数，i2∈[1,8]，j2∈[1,8]；gf(t,a,2)(i2,j2)为二次降维谱图GF(t,a,2)的像素值坐标；μ2∈p1，且μ2为偶数；λ2∈q1，且λ2为偶数；p2，q2分别为谱图GC(a,2)像素的横、纵坐标，p2，q2均为实数，p2∈[1,8]，q2∈[1,8]；gc(a,2)(p2,q2)为二次降维谱图GC(a,2)的像素值坐标；
Figure BDA0002258429760000071
Figure BDA0002258429760000072
其中，α3∈i2，且α3为偶数；β3∈j2，且β3为偶数；i3，j3分别为谱图GF(t,a,3)像素的横、纵坐标，i3，j3均为实数，i3∈[1,4]，j3∈[1,4]；gf(t,a,3)(i3,j3)为三次降维谱图GF(t,a,3)的像素值坐标；μ3∈p2，且μ3为偶数；λ3∈q2，且λ3为偶数；p3，q3分别为谱图GC(a,3)像素的横、纵坐标，p3，q3均为实数，p3∈[1,4]，q3∈[1,4]；gc(a,3)(p3,q3)为三次降维谱图GC(a,3)的像素值坐标。
3)对谱图GF(t,a,n)和谱图GC(a,n)分别进行均值化处理，将均值化后的谱图分别记为mGF(t,n)和mGC(n)，记mGF(t,n)中像素值坐标mgf(t,n)(in,jn)，mGC(n)中的像素值坐标为mgc(n)(pn,qn)；均值化处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000073
4)对谱图mGF(t,n)进行权重化处理，将权重化后的谱图记为wGF(n)，记wGF(n)中像素值坐标wgf(n)(in,jn)，权重化处理的过程如下：
Figure BDA0002258429760000075
5)分别计算谱图wGF(n)的核矩阵T(n)和谱图mGC(n)的核矩阵E(n)，公式如下
Figure BDA0002258429760000076
Figure BDA0002258429760000081
Figure BDA0002258429760000082
Figure BDA0002258429760000083
Figure BDA0002258429760000084
Figure BDA0002258429760000085
其中，“*”表示卷积运算，T(1)为21×21的核矩阵，T(2)为11×11的核矩阵，T(3)为5×5的核矩阵；E(1)为21×21的核矩阵，E(2)为11×11的核矩阵，E(3)为5×5的核矩阵。
6)分别计算核矩阵T(n)的变异系数η(n)和核矩阵E(n)的变异系数γ(n)，
Figure BDA0002258429760000086
Figure BDA0002258429760000087
Figure BDA00022584297600000810
Figure BDA00022584297600000811
其中，“||||F”表示矩阵F范数；
Figure BDA0002258429760000091
为核矩阵T(1)、T(2)、T(3)的逆矩阵；
Figure BDA0002258429760000092
为核矩阵E(1)、E(2)、E(3)的逆矩阵。
7)计算老化特征因子ξ，
Figure BDA0002258429760000095
Figure BDA0002258429760000096
第四步：进行测试电缆老化状态测评：
若ξ≤δ1，此时电缆绝缘老化状态处于轻度老化，电缆仍可使用；
若δ1＜ξ≤δ2，此时电缆绝缘老化状态处于中度老化，电缆仍可使用；
若δ2＜ξ≤δ3，此时电缆绝缘老化状态处于重度老化，电缆需更换；
若ξ＞δ3，此时电缆报废。
上述δ1＝0.314、δ2＝0.577、δ3＝1。

Claims (1)

1.基于高斯金字塔的EPR电缆绝缘老化状态测评方法，其特征在于，包括
第一步：采集实际运行电缆与待检测电缆的局部放电谱图信息
将实际运行电缆和待检测电缆分别加压电缆加压20kV，进行h次局部放电谱图采集，将从实际运行电缆中采集的谱图标号记为F(t,a)，将从待检测电缆中采集的谱图标号记为Ca，t表示电缆实际运行t年，a表示第a次局部放电谱图采集；t，a均为实数，t∈{2,5,7,10}，
a∈[1,h]，h≥50；
第二步：提取老化特征因子，包括
1)对采集局部放电谱图F(t,a)和谱图Ca分别进行灰度化处理，将灰度化处理后的谱图分别记为GF(t,a)和GCa，灰度化的过程如下：
记F(t,a)中红色像素值坐标为r-f(t,a)(i,j)，绿色像素值坐标为g-f(t,a)(i,j)，蓝色像素值坐标为b-f(t,a)(i,j)；灰度化后，GF(t,a)中像素值坐标gf(t,a)(i,j)为
Figure FDA0002258429750000011
i，j分别为谱图GF(t,a)像素的横、纵坐标，i，j均为实数，i∈[1,32]，j∈[1,32]；
记Ca中红色像素值坐标为r-ca(p,q)，绿色像素值坐标为g-ca(p,q)，蓝色像素值坐标为b-ca(p,q)；灰度化后，GCa中像素值坐标gca(p,q)为p，q分别为谱图GCa像素的横、纵坐标，p，q均为实数，p∈[1,32]，q∈[1,32]；
2)对谱图GF(t,a)和谱图GCa分别进行降维处理，将降维处理后的谱图分别记为GF(t,a,n)和GC(a,n)，n为降维次数，n为实数，n∈{1,2,3}，记GF(t,a,n)中像素值坐标为gf(t,a,n)(in,jn)，记GC(a,n)中像素值坐标为gc(a,n)(pn,qn)；降维处理的过程如下：
Figure FDA0002258429750000014
其中，α1∈i，且α1为偶数；β1∈j，且β1为偶数；i1，j1分别为谱图GF(t,a,1)像素的横、纵坐标，i1，j1均为实数，i1∈[1,16]，j1∈[1,16]；gf(t,a,1)(i1,j1)为一次降维谱图GF(t,a,1)的像素值坐标；μ1∈p，且μ1为偶数；λ1∈q，且λ1为偶数；p1，q1分别为谱图GC(a,1)像素的横、纵坐标，p1，q1均为实数，p1∈[1,16]，q1∈[1,16]；gc(a,1)(p1,q1)为一次降维谱图GC(a,1)的像素值坐标；
Figure FDA0002258429750000021
Figure FDA0002258429750000022
其中，α2∈i1，且α2为偶数；β2∈j1，且β2为偶数；i2，j2分别为谱图GF(t,a,2)像素的横、纵坐标，i2，j2均为实数，i2∈[1,8]，j2∈[1,8]；gf(t,a,2)(i2,j2)为二次降维谱图GF(t,a,2)的像素值坐标；μ2∈p1，且μ2为偶数；λ2∈q1，且λ2为偶数；p2，q2分别为谱图GC(a,2)像素的横、纵坐标，p2，q2均为实数，p2∈[1,8]，q2∈[1,8]；gc(a,2)(p2,q2)为二次降维谱图GC(a,2)的像素值坐标；
Figure FDA0002258429750000023
Figure FDA0002258429750000024
其中，α3∈i2，且α3为偶数；β3∈j2，且β3为偶数；i3，j3分别为谱图GF(t,a,3)像素的横、纵坐标，i3，j3均为实数，i3∈[1,4]，j3∈[1,4]；gf(t,a,3)(i3,j3)为三次降维谱图GF(t,a,3)的像素值坐标；μ3∈p2，且μ3为偶数；λ3∈q2，且λ3为偶数；p3，q3分别为谱图GC(a,3)像素的横、纵坐标，p3，q3均为实数，p3∈[1,4]，q3∈[1,4]；gc(a,3)(p3,q3)为三次降维谱图GC(a,3)的像素值坐标；
3)对谱图GF(t,a,n)和谱图GC(a,n)分别进行均值化处理，将均值化后的谱图分别记为mGF(t,n)和mGC(n)，记mGF(t,n)中像素值坐标mgf(t,n)(in,jn)，mGC(n)中的像素值坐标为mgc(n)(pn,qn)；均值化处理的过程如下：
Figure FDA0002258429750000025
Figure FDA0002258429750000026
4)对谱图mGF(t,n)进行权重化处理，将权重化后的谱图记为wGF(n)，记wGF(n)中像素值坐标wgf(n)(in,jn)，权重化处理的过程如下：
Figure FDA0002258429750000031
5)分别计算谱图wGF(n)的核矩阵T(n)和谱图mGC(n)的核矩阵E(n)，公式如下
Figure FDA0002258429750000033
Figure FDA0002258429750000034
Figure FDA0002258429750000035
Figure FDA0002258429750000036
Figure FDA0002258429750000037
其中，“*”表示卷积运算，T(1)为21×21的核矩阵，T(2)为11×11的核矩阵，T(3)为5×5的核矩阵；E(1)为21×21的核矩阵，E(2)为11×11的核矩阵，E(3)为5×5的核矩阵；
6)分别计算核矩阵T(n)的变异系数η(n)和核矩阵E(n)的变异系数γ(n)，
Figure FDA0002258429750000041
Figure FDA0002258429750000044
Figure FDA0002258429750000046
其中，“|| ||F”表示矩阵F范数；为核矩阵T(1)、T(2)、T(3)的逆矩阵；
Figure FDA0002258429750000049
为核矩阵E(1)、E(2)、E(3)的逆矩阵；
7)计算老化特征因子ξ，
Figure FDA00022584297500000410
Figure FDA00022584297500000412
第三步：根据老化特征因子ξ估算电缆绝缘老化状态。
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