CN114325274B - 一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法，属于电力设置在线检测技术领域，该系统包括：包括图像采集模块、图像处理器以及终端上位机；图像采集模块，用于多角度采集热像图，并进行实时存储；图像处理器，用于对多角度热像图进行灰度线性变换以及中值滤波处理；终端上位机，用于将经图像处理器处理后的多角度热像图拼接融合形成全方位热像图；基于所述全方位热像图，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位。本发明能够更快速更准确的判断套管中发热源，即局部放电的位置以及类型。
Description
技术领域
本发明属于电力设置在线检测技术领域，尤其涉及一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法。
背景技术
换流站是直流输电系统的重要组成部分，电流在换流站完成交直流的转换。换流站套管作为换流站进出线设备，同时起到绝缘和机械支撑的作用。由于它的制造工艺和运行的复杂工况，换流站套管运行时内部积累的空间电荷会影响套管内部电场分布，随着运行电压等级和时间的提高，在中间法兰的边缘很容易出现闪络、电晕，造成套管绝缘系统的损坏。因此加强对套管绝缘状态的检测对于提高电网安全可靠性具有重大意义。
传统的高压套管绝缘性能检测基本上是采用定期预防性试验的方法来检测。这是一种离线检测方式，需要对套管停电，由于停电检测与套管实际运行工况不一致，且停电检测周期长，因此这种方法有很多弊端。同时换流变阀侧套管往往工作在一种高电压环境中，电磁干扰严重，研究应用一种非电气测量方式对高压套管的绝缘性能在线监测十分必要。而局部放电过程中常常伴随着热量的产生，由此通过热量检测的方式来探测局部放电强度而判断绝缘强度是十分可行的。基于红外热成像技术，探测出目标物体的红外辐射能量，通过光电转换、电信号处理等手段，即可获得目标物体表面温度分布场。但传统的红外热成像技术只能针对物体表面的温度进行检测，停留在二维层面，对于物体内部的故障热源位置、发热机理分析往往不能作出清晰的判断。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种换流变阀侧套管局部放电检测系统及方法，解决了现有换流站套管局部放电状况检测存在的问题，以及基于传统红外热像检测存在的弊端。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种换流变阀侧套管局部放电检测系统，包括图像采集模块、图像处理器以及终端上位机；
所述图像采集模块，用于多角度采集热像图，并进行实时存储；
所述图像处理器，用于对所述多角度热像图进行灰度线性变换以及中值滤波处理；
所述终端上位机，用于将经图像处理器处理后的多角度热像图拼接融合形成全方位的套管表面温度热图；基于所述全方位的套管表面温度热图，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测。
本发明的有益效果是：本发明通过不同角度对换流变阀侧套管的表面温度红外热像采集，并对这些热像图进行拼接标定转换，将其从二维像素坐标装换为三维世界坐标，建立带有表面温度的三维套管模型，能够更直观更准确的标记出换流变阀侧套管表面温度异常区域，通过基于这些异常温升表面区域进行热传导方程的反向推算，能够更快速更准确的判断套管中发热源，即局部放电的位置以及类型。
进一步地，所述图像采集模块包括5个红外热像仪，以及与所述红外热像仪通过BNC数据线连接的数据储存卡，所述数据储存卡通过BNC数据线与终端上位机连接；
所述红外热像仪，用于多角度获取套管局部放电产生的表面温升变化图像，得到多角度热像图，且所述红外热像仪不与套管接触；
所述数据存储卡，用于存储多角度热像图，并将多角度热像图发送至图像处理器。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过设置数据存储卡，可以有效避免数据传输过程中数据遗失情况的出现，同时数据存储卡与图像处理器的独立于终端上位机的工作模式，可以有效减少上位机的工作负荷。
再进一步地，所述5个红外热像仪呈正五角分布，且所述5个红外热像仪位于同一平面，与套管末屏测量端子保持水平且不与套管接触，且该水平面与套管轴向垂直。
上述进一步方案的有益效果是：红外热像仪的正五边形多角度检测可以实现对套管表面温度更全面更准确的检测，同时热像仪安装位置与套管末屏端子水平，该位置安装更为方便，同时红外热像仪平面与套管轴向垂直，确保了后续多角度热图参数标定的准确性。
本发明还提供了一种换流变阀侧套管局部放电检测方法，包括以下步骤：
S1、围绕套管轴向等距布置5个红外热像仪，且所述红外热像仪与套管末屏测量端子位于同一水平面且不与套管接触，该水平面与套管轴向垂直；
S2、利用所述5个红外热像仪多角度采集热像图，并利用数据储存卡进行实时存储；
S3、对多角度采集的热像图进行灰度线性变换和中值滤波预处理；
S4、利用终端上位机对多角度采集的热像图进行拼接融合处理，形成全方位的套管表面温度热图；
S5、构建初始三维套管模型，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；
S6、根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测。
本发明的有益效果是：本发明通过不同角度对换流变阀侧套管的表面温度红外热像采集，并对这些热像图进行拼接标定转换，将其从二维像素坐标装换为三维世界坐标，建立带有表面温度的三维套管模型，能够更直观更准确的标记出换流变阀侧套管表面温度异常区域，通过基于这些异常温升表面区域进行热传导方程的反向推算，就能够更快速更准确的判断套管中发热源，即局部放电的位置以及类型。
进一步地，所述步骤S3中灰度线性变换的表达式如下：
其中，T’和T分别表示灰度线性变换后和变换前的灰度值，Tmax和Tmin分别表示灰度线性变换前灰度最大值和最小值，T’max和T’min分别表示灰度线性变换后灰度最大值和最小值。
上述进一步方案的有益效果是：通过灰度线性变换可以使图像动态范围加大，图像对比度拓展、图像更加清晰、特征更加明显。
再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、根据待测换流变阀侧套管的类型、结构参数和尺寸大小，构建初始三维套管模型；
S502、将所述全方位的套管表面温度热图中的特征点与初始三维套管模型中相应的特征点进行相机标定；
S503、基于所述初始三维套管模型结合标定相机特征点，进行维度变换，并将全方位的套管表面温度热图中带有温度信息的每个像素点融合至所述初始三维套管模型上，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型。
上述进一步方案的有益效果是：通过自主构建初始三维套管模型，简化了红外热图维度变换的计算过程，减少了实际套管表面温度模型构建的计算量，只需要通过特征点的标定拟合，然后就可以将每个温度灰度值代入至所述初始三维套管模型中，构建出带有套管表面温度信息的三维套管温度模型。
再进一步地，所述步骤S502中特征点包括套管顶端以及伞裙边缘点。
再进一步地，所述步骤S502中维度变换的表达式如下：
其中，u,v表示图像坐标系(u，v)，dx、dy表示转换因子，Zc表示相机坐标系(Xc,Yc,Zc)中的Z轴，Xw,Yw,Zw表示世界坐标系(Xw,Yw,Zw)，fx,fy,R,T,α,β表示相机标定的内参数，M1表示内参数矩阵，M2表示外参数矩阵，u0,v0表示像素平面坐标系(u,v)的中心。
再进一步地，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、构建三维温度套管模型数据库；
S602、对比三维套管温度模型与三维温度套管模型数据库中的热像图，标记异常温升区域，并利用热传导方程对局部放电类型和位置进行识别；
S603、根据识别结果，确定热源处热量变化趋势，并根据热源处热量变化趋势得到套管内部局部放电特征和绝缘状态，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测。
上述进一步方案的有益效果是：通过建立三维温度状态模型数据库，能实时标记出异常温升区域，减少了监测工作量，并通过异常温升区域能更为准确的计算出缺陷热源位置与强度，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测。
再进一步地，所述步骤S602中热传导方程的表达式如下：
其中，p表示密度，c表示比热容，λx、λy和λz表示导热系数，T表示温度，t表示时间，
表示热源密度。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本实施例中红外热像仪的安装位置示意图。
图3为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种换流变阀侧套管局部放电检测系统，包括图像采集模块、图像处理器以及终端上位机；
所述图像采集模块，用于多角度采集热像图，并进行实时存储；
所述图像处理器，用于对所述多角度热像图进行灰度线性变换以及中值滤波处理，拓展对比度，降低环境噪声，提高成像质量。
所述终端上位机，用于将经图像处理器处理后的多角度热像图拼接融合形成全方位的套管表面温度热图；基于所述全方位的套管表面温度热图，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测。
本实施例中，所述图像采集模块包括5个红外热像仪，以及与所述红外热像仪通过BNC数据线连接的数据储存卡，所述数据储存卡通过BNC数据线与终端上位机连接；所述红外热像仪，用于多角度获取套管局部放电产生的表面温升变化图像，得到多角度热像图，且所述红外热像仪不与套管接触；所述数据存储卡，用于存储多角度热像图，并将多角度热像图发送至图像处理器。如图2所示，图2中，图2(a)为正视图，图2(b)为俯视图，所述5个红外热像仪呈正五角分布，且所述5个红外热像仪位于同一平面，与套管末屏测量端子保持水平且不与套管接触，且该水平面与套管轴向垂直。
本实施例中，终端上位机对5个红外热像图像进行拼接合成，形成全方位的换流变阀侧套管表面温度热像图；并且所述的上位机基于待测的套管尺寸材料参数，建立初始基础套管模型，与经过预处理过后的全方位热像图选择对应特征点进行相机标定，将红外热像图中带有温度信息的每个像素点融合到初始三维套管模型上，构造出带有套管表面温度信息的三维套管温度模型。
本发明的有益效果是：本发明通过不同角度对换流变阀侧套管的表面温度红外热像采集，并对这些热像图进行拼接标定转换，将其从二维像素坐标装换为三维世界坐标，建立带有表面温度的三维套管模型，能够更直观更准确的标记出换流变阀侧套管表面温度异常区域，通过基于这些异常温升表面区域进行热传导方程的反向推算，就能够更快速更准确的判断套管中发热源，即局部放电的位置以及类型。本发明采用的红外热成像检测是以红外辐射原理为基础的，测量范围宽，不受套管材料尺寸限制，实现了对换流变阀侧套管表面温度的实时监测，能够准确，快速的判断套管内部的局部放电状况，避免了在高电压运行环境下对于局部放电测量时的电磁干扰。
实施例2
如图3所示，本发明提供了本发明还提供了一种换流变阀侧套管局部放电检测方法，其实现方法如下：
S1、围绕套管轴向等距布置5个红外热像仪，且所述红外热像仪与套管末屏测量端子位于同一水平面且不与套管接触，该水平面与套管轴向垂直；
本实施例中，围绕套管轴向等距布置5个红外热像仪，所有红外热像仪与套管末屏测量端子处于同一水平位置并保持一定距离，该平面与套管轴向垂直，对运行时换流变阀侧套管表面温度情况进行实时采集。
S2、利用所述5个红外热像仪多角度采集热像图，并利用数据储存卡进行实时存储；
S3、对多角度采集的热像图进行灰度线性变换和中值滤波预处理；
本实施例中，所述5个红外热像仪采集的多角度热像图通过BNC数据线传输至数据储存卡中，进行实时备份储存，并将其传输至图像处理器进行红外热像图的预处理：灰度线性变换和中值滤波。
本实施例中，所述灰度线性变换用于扩大局部热图像动态范围，拓展对比度，具体变换为：设T’＝D(T)为单值线性函数，由此确定的灰度线性函数表达式为:
其中，T’和T分别表示灰度线性变换后和变换前的灰度值，Tmax和Tmin分别表示灰度线性变换前灰度最大值和最小值，T’max和T’min分别表示灰度线性变换后灰度最大值和最小值，灰度变换后的值域为[T’min,T’max]。
本实施例中，所述中值滤波用于消除局部温升图像的噪声成分，让与周围像素灰度值的差比较大的局部温升图像改取与周围像素值相近的图像。
S4、利用终端上位机对多角度采集的热像图进行拼接融合处理，形成全方位的套管表面温度热图；
本实施例中，终端上位机对接收的多角度热像图进行处理分析，将多角度热像图进行拼接叠加，将其组合成一个全方位的套管表面温度热图。
S5、构建初始三维套管模型，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型，其实现方法如下：
S501、根据待测换流变阀侧套管的类型、结构参数和尺寸大小，构建初始三维套管模型；
S502、将所述全方位的套管表面温度热图中的特征点与初始三维套管模型中相应的特征点进行相机标定，其中，特征点包括套管顶端以及伞裙边缘点；
S503、基于所述初始三维套管模型结合标定相机特征点，进行维度变换，并将全方位的套管表面温度热图中带有温度信息的每个像素点融合至所述初始三维套管模型上，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；
所述维度变换的表达式如下：
其中，u,v表示图像坐标系(u，v)，dx、dy表示转换因子，Zc表示相机坐标系(Xc,Yc,Zc)中的Z轴，Xw,Yw,Zw表示世界坐标系(Xw,Yw,Zw)，fx,fy,R,T,α,β表示相机标定的内参数，M1表示内参数矩阵，M2表示外参数矩阵，u0,v0表示像素平面坐标系(u,v)的中心，旋转矩阵R和平移矩阵t为相机的外部参数，R为3*3矩阵，t为3*1矩阵，0矩阵为(0，0，0)；
本实施例中，根据待测换流变阀侧套管的类型结构参数和具体尺寸大小，建立初始高精度三维套管模型。优选地，针对于不同类型结构，不同尺寸的套管，可以建立初始三维套管模型数据库，当待测套管类型变更时，只需选择初始三维套管模型，即所述系统对于换流变阀侧套管具有普遍适用性。
本实施例中，标定相机参数，将全方位套管表面热图中的关键点与初始高精度三维套管模型中相对应的关键点一一对应，所述关键点可为设备的标牌、套管顶端、伞裙边缘点等，确定初始高精度三维套管模型表面某点的三维几何位置与其在全方位套管表面热图中对应点的相互关系的几何模型参数。
本实施例中，基于初始三维套管模型结合标定相机参数进行维度变换，即将红外热像图中带有温度信息的每个像素点融合到初始三维套管模型上，构造出带有套管表面温度信息的三维套管模型。
S6、根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测，其实现方法如下：
S601、构建三维温度套管模型数据库；
本实施例中，建立套管表面温度模型数据库，针对每类高压套管，建立三维红外热像检测数据库，根据不同时间段的检测数据，可以分析一段时间上换流变阀侧套管表面温度时域变化趋势，进而探究套管的局部放电过程；同时以正常安全运行无局部放电现象的套管表面温度数据作为标准三维温度模型，为后续实时检测套管表面异常温升做基准，标记出异常温升区域，基于热传导方程反推热源位置以及局部放电特征进行判断。
S602、对比三维套管温度模型与三维温度套管模型数据库中的热像图，标记异常温升区域，并利用热传导方程对局部放电类型和位置进行识别；
所述热传导方程的表达式如下：
其中，p表示密度，c表示比热容，λx、λy和λz表示导热系数，T表示温度，t表示时间，
表示热源密度；
S603、根据识别结果，确定热源处热量变化趋势，并根据热源处热量变化趋势得到套管内部局部放电特征和绝缘状态，完成对换流变阀侧套管局部放大的检测。
本实施例中，通过把三维套管温度模型与三维温度套管模型数据库中的标准热像图进行对比分析，基于每个像素点上的温度比较，标定出其中温差较大区域，而当温差超过规定阈值时，则可判断此时局部放电程度超出了安全范围。基于标定出的异常温升区域坐标点，通过热传导方程进行回溯反推，对热源位置(局部放电位置)进行定位，判断出套管内部局部放电特征与绝缘状态，即，对比实时套管三维温度模型与标准运行时三维套管表面温度模型，标记出异常温升区域，基于热传导方程对局部放电类型和位置进行识别与判定。
本发明的有益效果是：本发明通过不同角度对换流变阀侧套管的表面温度红外热像采集，并对这些热像图进行拼接标定转换，将其从二维像素坐标装换为三维世界坐标，建立带有表面温度的三维套管模型，能够更直观更准确的标记出换流变阀侧套管表面温度异常区域，通过基于这些异常温升表面区域进行热传导方程的反向推算，就能够更快速更准确的判断套管中发热源，即局部放电的位置以及类型。
Claims (9)
1.一种换流变阀侧套管局部放电检测系统，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理器以及终端上位机；
所述图像采集模块，用于多角度采集热像图，并进行实时存储；
所述图像处理器，用于对多角度热像图进行灰度线性变换以及中值滤波处理；
所述终端上位机，用于将经图像处理器处理后的多角度热像图拼接融合形成全方位的套管表面温度热图；基于所述全方位的套管表面温度热图，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测；其中，所述根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测，其具体为：
构建三维温度套管模型数据库；
对比三维套管温度模型与三维温度套管模型数据库中的热像图，标记异常温升区域，并利用热传导方程对局部放电类型和位置进行识别；
根据识别结果，确定热源处热量变化趋势，并根据热源处热量变化趋势得到套管内部局部放电特征和绝缘状态，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测。
2.根据权利要求1所述的换流变阀侧套管局部放电检测系统，其特征在于，所述图像采集模块包括5个红外热像仪，以及与所述红外热像仪通过BNC数据线连接的数据储存卡，所述数据储存卡通过BNC数据线与终端上位机连接；
所述红外热像仪，用于多角度获取套管局部放电产生的表面温升变化图像，得到多角度热像图，且所述红外热像仪不与套管接触；
所述数据储存卡，用于存储多角度热像图，并将多角度热像图发送至图像处理器。
3.根据权利要求2所述的换流变阀侧套管局部放电检测系统，其特征在于，所述5个红外热像仪呈正五角分布，且所述5个红外热像仪位于同一平面，与套管末屏测量端子保持水平且不与套管接触，且水平面与套管轴向垂直。
4.一种如权利要求1-3中任一所述的换流变阀侧套管局部放电检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、围绕套管轴向等距布置5个红外热像仪，且所述红外热像仪与套管末屏测量端子位于同一水平面且不与套管接触，该水平面与套管轴向垂直；
S2、利用所述5个红外热像仪多角度采集热像图，并利用数据储存卡进行实时存储；
S3、对多角度采集的热像图进行灰度线性变换和中值滤波预处理；
S4、利用终端上位机对多角度采集的热像图进行拼接融合处理，形成全方位的套管表面温度热图；
S5、构建初始三维套管模型，标定相机参数和进行维度变换，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型；
S6、根据所述三维套管温度模型标记异常温升区域，并进行热源定位，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测；
所述步骤S6包括以下步骤：
S601、构建三维温度套管模型数据库；
S602、对比三维套管温度模型与三维温度套管模型数据库中的热像图，标记异常温升区域，并利用热传导方程对局部放电类型和位置进行识别；
S603、根据识别结果，确定热源处热量变化趋势，并根据热源处热量变化趋势得到套管内部局部放电特征和绝缘状态，完成对换流变阀侧套管局部放电的检测。
5.根据权利要求4所述的换流变阀侧套管局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤S3中灰度线性变换的表达式如下：
其中，T'和T分别表示灰度线性变换后和变换前的灰度值，Tmax和Tmin分别表示灰度线性变换前灰度最大值和最小值，Tm'ax和Tm'in分别表示灰度线性变换后灰度最大值和最小值。
6.根据权利要求4所述的换流变阀侧套管局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、根据待测换流变阀侧套管的类型、结构参数和尺寸大小，构建初始三维套管模型；
S502、将所述全方位的套管表面温度热图中的特征点与初始三维套管模型中相应的特征点进行相机标定；
S503、基于所述初始三维套管模型结合标定相机特征点，进行维度变换，并将全方位的套管表面温度热图中带有温度信息的每个像素点融合至所述初始三维套管模型上，构建带有套管表面温度信息的三维套管温度模型。
7.根据权利要求6所述的换流变阀侧套管局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤S502中特征点包括套管顶端以及伞裙边缘点。
8.根据权利要求6所述的换流变阀侧套管局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤S502中维度变换的表达式如下：
其中，u,v表示图像坐标系(u，v)，dx、dy表示转换因子，Zc表示相机坐标系(Xc,Yc,Zc)中的Z轴，Xw,Yw,Zw表示世界坐标系(Xw,Yw,Zw)，fx,fy,R,T,α,β表示相机标定的内参数，M1表示内参数矩阵，M2表示外参数矩阵，u0,v0表示像素平面坐标系(u,v)的中心，t表示平移矩阵。
9.根据权利要求8所述的换流变阀侧套管局部放电检测方法，其特征在于，所述步骤S602中热传导方程的表达式如下：
其中，p表示密度，c表示比热容，λx、λy和λz表示导热系数，T表示温度，t'表示时间，
表示热源密度。
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