CN113759197B - 一种电力变压器状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力变压器状态监测装置，用于对电力变压器进行状态监测，包括：影像摄录装置，用于获取电力变压器运行期间的振动影像；处理器，用于对振动影像进行处理和计算；面板，输入操作指令，以及显示运行状态信息。本发明还涉及一种使用上述装置的电力变压器状态监测方法，包含步骤：S1、振动影像获取：获取电力变压器振动影像；S2、振动影像预处理：对振动影像进行预处理，生成增强影像；S3、振动状态运算：对增强影像进行运算，生成振动状态数据和结果影像；S4、结果显示。本发明对电力变压器实现非接触地获取状态信息，无需停机、开箱或安装附加装置，采取稠密光流法计算振动状态，测量结果准确，具有较好的实用性和经济效益。

Description

一种电力变压器状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及电力设备运行状态监测技术，具体涉及一种电力变压器状态监测装置及方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备，其正常运行对电网安全可靠供电起着至关重要的作用。然而，运行中的电力变压器故障仍有时发生，例如绕组变形、铁芯松动等，这些机械缺陷会引发设备事故，造成人员伤亡和财物损失。因此，电力变压器的状态监测与故障排查对保证电网安全运行尤为重要。

采用传统的电力变压器故障诊断方法，如短路阻抗法、低压脉冲法和绝缘电阻法等，不能发现早期故障，对于排查故障有延迟性。目前通常采用的预防性定期检修方式，不仅会干扰电力变压器的正常运转工作，而且会影响其使用寿命。而振动视觉测量技术是一种非电气接触检测方法，应用在电力变压器监测领域，可以实现不中断电力变压器正常运行的实时状态监测与事故隐患排查，但是现有的振动视觉测量技术存在以下问题：

1、目前，振动视觉测量技术主要针对预设好的ROI(Region of Interest,感兴趣区域)进行动态信息获取与分析。但在检测电力变压器状态时需要对其全局进行观测，不能预先判断需重点观测区域，如果选择整个设备作为ROI，又会影响测量结果的准确度。

2、现有的振动视觉测量技术测量数据结果较为单一，仅生成选定部位的振动曲线、频谱波形等振动数据，不能实现设备在三维空间的运行状态全局观测，不能满足设备状态监测和缺陷诊断的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力变压器状态监测装置及方法，可以对电力变压器实现非接触地获取状态信息，无需停机、开箱或安装附加装置；采取稠密光流法计算振动状态，测量结果准确，具有较好的实用性和经济效益。

为实现上述目的，本发明提供一种电力变压器状态监测装置，用于对电力变压器进行状态监测，包括：

影像摄录装置，设置在所述电力变压器周围，用于获取所述电力变压器运行期间的振动影像；

处理器，与所述影像摄录装置电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的振动影像进行影像处理和计算，生成运行状态信息；

面板，与所述处理器电连接，设置有按键和显示屏，用于通过所述按键向所述处理器输入操作指令，以及通过所述显示屏显示所述运行状态信息。

进一步，所述处理器包括：

影像预处理模块，与所述影像摄录装置的数据接口电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的影像进行预处理；

运算模块，与所述影像处理模块的数据接口电连接，用于对所述影像处理模块预处理后的影像进行振动状态运算，生成振动状态数据；

结果生成模块，与所述运算模块的数据接口电连接，用于对所述振动状态数据进行运算结果可视化转换，生成结果影像；

输入输出模块，与所述结果生成模块和所述面板的数据接口电连接，用于将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板显示，以及接收、处理所述面板的输入指令。

优选的，所述影像摄录装置是一部高速摄像机，设置在所述电力变压器周围，用于获取所述电力变压器其中一个外表面的振动视频。

优选的，所述影像摄录装置是三部设置在所述电力变压器周围的高速摄像机，拍摄面为所述电力变压器的三个相交的外表面，用于获取所述电力变压器三个相交的外表面的振动视频。

另外，本发明还提供一种使用上述电力变压器状态监测装置的状态监测方法，包含步骤：

S1、振动影像获取：通过所述影像摄录装置获取所述电力变压器运行期间的振动影像；

S2、振动影像预处理：通过所述处理器对所述振动影像进行预处理，生成增强影像；

S3、振动状态运算：通过所述处理器对所述增强影像进行运算，生成振动状态数据和结果影像；

S4、结果显示：将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板的显示屏显示。

进一步，步骤S2包含：

S21、去噪处理：对所述振动影像进行去噪运算去除影像噪点，生成去噪影像；

S22、调整亮度与对比度处理：对所述去噪影像进行调整亮度与对比度处理，生成增强影像。

进一步，步骤S3包含：

S31、绘制光流场：基于所述增强影像，按照设定好的稠密光流算法计算全部像素点的光流信息，绘制光流场，生成所述电力变压器的振动状态数据；

S32、结果可视化转换：将所述电力变压器的振动状态数据绘制成运动矢量图，覆盖在增强影像上生成结果影像。

优选的，步骤S31中所述稠密光流算法为HS光流算法。

进一步，步骤S1、S2中所述振动影像为三部高速摄像机拍摄的所述电力变压器三个不相交的外表面的振动视频；

步骤S3还包含：

S33、将所述结果影像进行三维合成处理，实现所述电力变压器的三维振动状态分析。

进一步，步骤S3还包含：

S34、对所述运动矢量图进行颜色编码运算，根据各像素点的振幅数据对应不同的颜色进行绘制，将所述运动矢量图转换为运动状态云图，优化运算结果可视化效果。

综上所述，本发明所提供的一种电力变压器状态监测装置及方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、采取非接触获取信息方式实施监测，无需停机、开箱或安装电接触附加装置，能够较好地实现电力变压器等电力设备运行时的整体状态的实时监测，及时发现早期故障，解决了传统诊断方法和定期检修方法影响电力变压器正常运行及使用寿命的技术问题，提高了事故早期预防率和故障排查效率，具有较好的实用性和经济效益。

2、采取稠密光流算法处理电力变压器的振动状态视频，无需设定ROI，而且解决了目前采用的振动视觉测量技术存在的测量结果准确度不高、效果不好的技术问题，测量准确性高。

3、将电力变压器运行时的振动情况、工作振型等展示在结果视频中，可以直观、清楚地辨认出异常情况发生的具体部位，提高监测的有效性、准确性。

4、通过采取三部高速摄像机同时拍摄振动视频的方式，可实现电力变压器三维空间中的振动状态分析，解决了现有的振动视觉测量技术数据结果较为单一，不能满足运行状态全局观测及缺陷诊断需求的技术问题。

附图说明

图1为本发明中的电力变压器状态监测装置的结构示意图；

图2为本发明中的电力变压器状态监测装置与方法的关系对应图；

图3为本发明中的电力变压器状态监测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1～3和具体实施方式对本发明提出的一种电力变压器状态监测装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如附图1、2所示，本实施例提供一种电力变压器状态监测装置，用于对电力变压器进行状态监测，包括：

影像摄录装置，设置在所述电力变压器周围，用于获取所述电力变压器运行期间的振动影像；

本实施例的影像摄录装置包括3部高速摄像机，分别拍摄所述电力变压器的3个相交的外表面，拍摄角度优选垂直于拍摄面拍摄。

处理器，与所述影像摄录装置电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的振动影像进行影像处理和计算，生成运行状态信息；

处理器包括：

影像预处理模块，与所述影像摄录装置的数据接口电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的影像进行预处理；

运算模块，与所述影像处理模块的数据接口电连接，用于对所述影像处理模块预处理后的影像进行振动状态运算，生成振动状态数据；

结果生成模块，与所述运算模块的数据接口电连接，用于对所述振动状态数据进行运算结果可视化转换，生成结果影像；

输入输出模块，与所述结果生成模块和所述面板的数据接口电连接，用于将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板显示，以及接收、处理所述面板的输入指令；

本实施例中，处理器设置在监控机房内，通过远程无线通信方式与所述高速摄像机数据接口连接；处理器中预设有各模块处理程序，实现各模块的功能。

面板，与所述处理器电连接，设置有按键和显示屏，用于通过所述按键向所述处理器输入操作指令，以及通过所述显示屏显示所述运行状态信息。

如附图2、3所示，本实施例还提供一种使用上述的电力变压器状态监测装置的状态监测方法，包含步骤：

S1、振动影像获取：通过所述影像摄录装置获取所述电力变压器运行期间的振动影像。

本实施例中的振动影像为上述3部高速摄像机拍摄的所述电力变压器3个相交的外表面的振动视频，优选的，拍摄角度为垂直于拍摄面。

S2、振动影像预处理：通过所述处理器对所述振动影像进行预处理，生成增强影像。

步骤S2包含：

S21、去噪处理：对所述振动影像进行去噪运算去除影像噪点，生成去噪影像。

S22、调整亮度与对比度处理：对所述去噪影像进行调整亮度与对比度处理，生成增强影像。

S3、振动状态运算：通过所述处理器对所述增强影像进行运算，生成振动状态数据和结果影像。

步骤S3包含：

S31、绘制光流场：基于所述增强影像，按照设定好的稠密光流算法计算全部像素点的光流信息，绘制光流场，生成所述电力变压器的振动状态数据。

光流是空间运动物体在观察成像平面上的像素运动的瞬时速度。光流算法是利用图像序列中像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性来找到上一帧跟当前帧之间存在的对应关系，从而计算出相邻帧之间物体的运动信息的一种方法。光流算法可以在不知道场景信息的情况下准确地识别出运动物体的位置，且适用于视频轻微晃动的情况。实验表明，对于电力变压器等电力设备监控的场景，像素点的亮度和运动距离的变化都很小，满足使用光流法的条件。

光流算法分为稀疏光流算法和稠密光流算法，不同于稀疏光流算法只针对图像上若干个特征点进行匹配的方式，稠密光流算法是一种对图像进行逐点匹配的图像配准方法，其计算图像上所有点的偏移量，从而形成一个稠密的光流场。通过这个稠密的光流场，可以进行像素级别的图像配准，所以其配准后的效果也明显优于稀疏光流配准的效果。步骤S31采用稠密光流算法对拍摄的视频的整个画面进行运动捕捉，将每个像素变成一个数据点，以测量细微的振动，获取的振动数据对应视频画面中的电力变压器整体。计算方法为：

光流算法的基本约束条件为运动物体的灰度在很短的间隔时间内保持不变，约束方程式为：

其中，u、v分别为像素在x轴和y轴上的运动速度；I_x、I_y为图像在x方向和y方向的梯度；I_t为图像灰度对时间的变化量。

然而，一个约束方程不能求出u和v两个未知量，本实施例中，采用了HS光流算法(Horn-Schunck算法，霍恩·山克光流算法，1981年由学者Horn和Schunck等提出的一种稠密光流算法)进行求解。HS光流算法在光流基本约束方程的基础上附加了全局平滑假设，假设在整个图像上光流的变化是光滑的，即物体运动矢量是平滑的或只是缓慢变化的。

引入速度平滑项：

其中，为速度平滑项；/>为偏导数运算符号。

根据两个约束条件，可以建立极小化方程(求解最小值)：

其中，ζ²为目标函数；α为平滑权重系数，表示速度光滑项所占的权重；∫为积分运算符号；d为导数运算符号。

再利用高斯-塞德尔迭代法进行求解，得到图像第(n+1)次迭代估计(uⁿ⁺¹,vⁿ⁺¹)，其中u和v的均值，采用九点差分格式进行计算：

其中，ˉ表示加权平均数运算符号。

重复迭代计算，当与第n次迭代结果相比，误差小于预先设定的值时，迭代结束，得到光流向量(u，v)。

基于上述HS光流算法，进行以下步骤的计算：

S311、计算光流信息：选取振动视频中前后两帧连续的图像，对图像中的所有像素逐个计算，得到每一像素点的光流向量。

S312、绘制光流场：根据上述计算结果，设像素点(x，y)处的光流向量为(u，v)，则在光流场的平面内的坐标(x，y)处绘制矢量箭头(u，v)，其x方向大小为u，y方向大小为v；如此在每一像素点处均绘制光流矢量，组成整幅增强影像的光流场。

S313、生成振动状态数据：

电力变压器的实际大小与图像中所对应像素大小的比例R是固定的，计算公式为：

R＝L_实际/L_像素；

其中，L_实际为电力变压器的实际尺寸，L_像素为电力变压器对应增强影像上的像素尺寸。

由于在电力变压器的运行场景中光流场可等同为运动场，因此光流矢量的大小对应着变压器的运动速度大小，即振动速度大小。所以光流场与实际运动场的比例关系也为R，即：

(U，V)＝R×(u，v)；

其中，U为振动速度在x方向的投影，V为振动速度在y方向的投影，由此获得了电力变压器的实际运动场，即振动状态数据。

S32、结果可视化转换：基于步骤S313中计算得到的电力变压器实际运动场(U，V)，采用与步骤S312绘制光流场相同的方法绘制出运动矢量图，并将该运动矢量图的像素位置对应于图像的像素位置，叠加在该帧增强影像上；对所述振动影像逐帧图像进行上述处理，最终生成结果影像，若有运行异常出现，可在结果影像中清楚地辨认出异常情况具体部位。

S33、将3部高速摄像机拍摄的影像同步化，各影像对应的初始时间设为一致，并将各结果影像合成展示于同一结果界面，达到多角度监测的效果，实现所述电力变压器的三维振动状态分析。

S34、对所述运动矢量图进行颜色编码，根据图像上各像素点的振动数据大小，将不同振幅的振动对应为不同颜色进行绘制，将所述运动矢量图绘制为运动状态云图；再依上述S32的方式，将状态云图叠加在增强影像上，优化结果影像的可视化效果。

S4、结果显示：将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板的显示屏显示。

综上所述，本发明所提供的一种电力变压器状态监测装置及方法，通过采取稠密光流算法处理振动状态视频、图像，无需停机、开箱或安装电接触附加装置，能够有效实现电力变压器运行中状态监测，及时发现早期故障，并且解决了现有的振动视觉测量的测量结果准确度不高、效果不好的技术问题，具有较好的实用性和经济效益；通过将电力变压器运行时的振动情况、工作振型等展示在结果视频中，可以直观、清楚地辨认出异常情况发生的具体部位，提高了监测的有效性、准确性；通过采取三部高速摄像机多方位拍摄振动影像的方式，可实现电力变压器三维空间中的振动状态分析，解决了现有的振动视觉测量技术数据结果较为单一，不能满足运行状态全局观测及缺陷诊断需求的技术问题；通过对所述结果影像使用颜色编码，将图像的振幅大小对应于不同的色调值，优化了运算结果可视化效果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种电力变压器状态监测装置，用于对电力变压器进行状态监测，其特征在于，包括：

影像摄录装置，设置在所述电力变压器周围，用于获取所述电力变压器运行期间的振动影像；

处理器，与所述影像摄录装置电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的振动影像进行影像处理和计算，生成运行状态信息；

面板，与所述处理器电连接，设置有按键和显示屏，用于通过所述按键向所述处理器输入操作指令，以及通过所述显示屏显示所述运行状态信息；

处理器包括：

影像预处理模块，与所述影像摄录装置的数据接口电连接或无线通信信号连接，用于对所述影像摄录装置拍摄的影像进行预处理；

运算模块，与所述影像处理模块的数据接口电连接，用于对所述影像处理模块预处理后的影像进行振动状态运算，生成振动状态数据；

结果生成模块，与所述运算模块的数据接口电连接，用于对所述振动状态数据进行运算结果可视化转换，生成结果影像；

输入输出模块，与所述结果生成模块和所述面板的数据接口电连接，用于将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板显示，以及接收、处理所述面板的输入指令；

所述影像摄录装置是三部设置在所述电力变压器周围的高速摄像机，拍摄面为所述电力变压器的三个相交的外表面，用于获取所述电力变压器三个相交的外表面的振动视频。

2.一种使用如权利要求1所述的电力变压器状态监测装置的状态监测方法，其特征在于，包含步骤：

S1、振动影像获取：通过所述影像摄录装置获取所述电力变压器运行期间的振动影像；

S2、振动影像预处理：通过所述处理器对所述振动影像进行预处理，

生成增强影像；

S3、振动状态运算：通过所述处理器对所述增强影像进行运算，生成振动状态数据和结果影像；

S4、结果显示：将所述振动状态数据和结果影像输出到所述面板的显示屏显示。

3.如权利要求2所述的状态监测方法，其特征在于，步骤S2包含：

S21、去噪处理：对所述振动影像进行去噪运算去除影像噪点，生成去噪影像；

S22、调整亮度与对比度处理：对所述去噪影像进行调整亮度与对比度处理，生成增强影像。

4.如权利要求3所述的状态监测方法，其特征在于，步骤S3包含：

S31、绘制光流场：基于所述增强影像，按照设定好的稠密光流算法计算全部像素点的光流信息，绘制光流场，生成所述电力变压器的振动状态数据；

S32、结果可视化转换：将所述电力变压器的振动状态数据绘制成运动矢量图，覆盖在增强影像上生成结果影像。

5.如权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，步骤S31中所述稠密光流算法为HS光流算法。

6.如权利要求4所述的状态监测方法，其特征在于，步骤S1、S2中所述振动影像为三部高速摄像机拍摄的所述电力变压器三个不相交的外表面的振动视频；

步骤S3还包含：

S33、将所述结果影像进行三维图像合成处理，实现所述电力变压器的三维振动状态分析。

7.如权利要求6所述的状态监测方法，其特征在于，步骤S3还包含：

S34、对所述运动矢量图进行颜色编码运算，根据各像素点的振幅数据对应不同的颜色进行绘制，将所述运动矢量图转换为运动状态云图，优化运算结果可视化效果。