CN114966332A - 基于温度曲线相似度的盘形悬式瓷绝缘子串劣化判定方法 - Google Patents

基于温度曲线相似度的盘形悬式瓷绝缘子串劣化判定方法 Download PDF

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Abstract

现有的国家电力行业标准DL/T 664‑2016《带电设备红外诊断应用规范》将瓷绝缘子串铁帽处正负1℃温差分别作为低零值绝缘子红外检出判定阈值。该判据基于温度曲线的单一局部特征，易造成大量劣化绝缘子漏检。本发明公开了一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子串劣化判定方法，以解决目前高压瓷绝缘子红外测零准确率不高的问题，包括如下步骤：首先，根据足量的正常绝缘子串铁帽温度数据生成绝缘子串基准温度曲线；接下来，利用三次函数插值法对绝缘子串基准温度曲线、待诊绝缘子串温度曲线进行预处理，得到两条平滑曲线；最后，利用嵌套区间欧式距离法找出待诊绝缘子串和基准绝缘子两条温度曲线的区间距离极值，通过对所有嵌套区间的欧式距离极值进行方差分析来量化评估两条曲线相似度，从而判断待诊绝缘子串是否为劣化绝缘子串。针对现有绝缘子红外检测阈值单一、准确率不高的问题，本发明提出了一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子串劣化判定方法，构建了嵌套区间欧式距离方法模型，可显著提高瓷绝缘子串红外检测的准确率。

Description

基于温度曲线相似度的盘形悬式瓷绝缘子串劣化判定方法
技术领域
本发明涉及盘形悬式瓷绝缘子串低零值劣化诊断方法，属高压输变电设备运维检修技术领域。
背景技术
高压瓷绝缘子零值检测方法主要包括火花间隙法、绝缘电阻法、电压分布法、红外热像法、紫外成像法等。其中，红外热像法是最常用的非接触式带电检测方法。目前，应用红外热像法开展绝缘子劣化检测的依据是国家电力行业标准DL/T 664-2016《带电设备红外诊断应用规范》，其中规定铁帽处正负1℃温差分别作为低零值绝缘子的红外检出判定阈值。由于绝缘子运行工况环境中复杂多因素的影响，对于在现场所获取的绝缘子测温数据，若仅依据单一的铁帽温差指标进行低零值判别，将存在一定的错误率；当绝缘子串存在多片低零值劣化，尤其是串中相邻多片连续劣化时，错误率会大幅升高。为了提升现场环境下绝缘子红外低零值诊断的准确率，本发明提出一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子串劣化判定方法。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子串劣化判定方法，以解决目前高压瓷绝缘子红外测零准确率不高的问题。
本发明的技术方案是，根据瓷绝缘子电压致热原理，正常绝缘子串的温度分布与电压分布相似，均呈现不对称的马鞍形，即正常绝缘子串铁帽温度曲线形态从整体上存在共性。若串中出现低零值劣化绝缘子，则劣化片承受电压大幅下降，甚至接近于零，同时邻近绝缘子分布电压也会发生一定改变，从而导致劣化片及邻近绝缘子温升变化，正常绝缘子串温度曲线的共性将从局部和整体上发生改变。现有的国家电力行业标准DL/T 664将瓷绝缘子串温度曲线的局部特征，即铁帽处正负1℃温差，分别作为低零值绝缘子的红外检出判定阈值。但由于实际运行工况环境中多种复杂因素的影响，该单一局部特征往往表现得不够显著，易造成劣化绝缘子漏检。因此，本发明基于绝缘子串温度曲线的整体特征，提出一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子劣化判定方法。首先，根据足量的正常绝缘子串铁帽温度数据生成绝缘子串基准温度曲线。接下来，利用三次函数插值法对绝缘子串基准温度曲线、待诊绝缘子串温度曲线进行预处理，得到两条平滑曲线。最后，利用嵌套区间距离法找出待诊绝缘子串和基准绝缘子两条温度曲线的区间距离极值，通过对所有嵌套区间的欧式距离极值进行方差分析来量化评估两条曲线相似度，从而判断待诊绝缘子串是否为劣化绝缘子串。
本发明的技术方案具体包括以下步骤：
步骤一：获取绝缘子串基准温度曲线数据和待诊绝缘子串铁帽温度曲线数据；
步骤二：对步骤一所述数据进行预处理；
步骤三：利用嵌套区间欧式距离法对步骤二所述数据进行计算，获得绝缘子劣化检测结果。
本发明所述方法具体过程如下：
1、数据准备过程。对足量多串正常绝缘子样本的温度数据进行平均，得到绝缘子 串基准温度曲线数据
Figure 115109DEST_PATH_IMAGE001
。待诊绝缘子串铁帽温度曲线数据
Figure 969932DEST_PATH_IMAGE002
；
2、数据预处理过程。对温度曲线
Figure 421773DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 613720DEST_PATH_IMAGE004
采用三次函数插值法分别进行数据预处 理。以
Figure 834617DEST_PATH_IMAGE003
曲线为例，步骤如下：
（1）把温度曲线
Figure 571325DEST_PATH_IMAGE003
分别分成n个区间[
Figure 369517DEST_PATH_IMAGE005
)，
Figure 240521DEST_PATH_IMAGE006
)，...
Figure 581504DEST_PATH_IMAGE007
)]，共有n+1个 数据节点，其中首末两个端点为
Figure 246971DEST_PATH_IMAGE008
。每个小区间的曲线是一个三次方程，三次 函数方程满足以下条件：
①在每个分段小区间[
Figure 532459DEST_PATH_IMAGE009
]上，
Figure 941575DEST_PATH_IMAGE010
(
Figure 137064DEST_PATH_IMAGE011
)都是一个三次方程;
②满足插值条件，即
Figure 363646DEST_PATH_IMAGE012
(i=0,1,2,...n);
③曲线光滑，即
Figure 277375DEST_PATH_IMAGE013
，一阶导数
Figure 224603DEST_PATH_IMAGE014
连续；
④则这个三次方程可以构造成如下形式：
Figure 540178DEST_PATH_IMAGE015
每个小区间有四个未知数
Figure 672082DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 807528DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 558446DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 853161DEST_PATH_IMAGE019
，有n个小区间，则有4n个未知数，解出这 些未知数，我们需要4n个方程来求解；
（2）找出4n个方程来求解4n个未知数，由于所有点必须满足插值条件，
Figure 296912DEST_PATH_IMAGE012
(i=0,1,2,...n)，除了两个端点，所有n-1个内部点的每个点都满足：
Figure 919654DEST_PATH_IMAGE020
Figure 474264DEST_PATH_IMAGE021
前后两个分段三次方程，则有2(n-1)个方程，加上两个端点分别满足第一个和最 后一个三次方程，则总共有2n个方程；由于n-1个内部点的一阶导数应该是连续的，即在第 i区间的末点和第 i+1 区间的起点是同一个点，它们的一阶导数应该也相等，即
Figure 357906DEST_PATH_IMAGE022
则有n-1个方程，另外，内部点的二阶导数也要连续，即
Figure 972558DEST_PATH_IMAGE023
也有n-1个方程，总共有4n-2个方程，剩下2个方程可以通过边界二 阶导数为0得到，
Figure 82597DEST_PATH_IMAGE024
（3）方程推导：在每个子区间
Figure 299951DEST_PATH_IMAGE025
中，创建方程：
Figure 444625DEST_PATH_IMAGE026
Figure 230178DEST_PATH_IMAGE027
Figure 827513DEST_PATH_IMAGE028
①由
Figure 989504DEST_PATH_IMAGE029
可得
Figure 582159DEST_PATH_IMAGE030
；
②用
Figure 538614DEST_PATH_IMAGE031
表示步长，由
Figure 623245DEST_PATH_IMAGE032
推出
Figure 447981DEST_PATH_IMAGE033
③由
Figure 301668DEST_PATH_IMAGE034
推出
Figure 897865DEST_PATH_IMAGE035
Figure 594426DEST_PATH_IMAGE036
可得
Figure 832640DEST_PATH_IMAGE037
④由
Figure 806412DEST_PATH_IMAGE023
推出
Figure 698145DEST_PATH_IMAGE038
设
Figure 757368DEST_PATH_IMAGE039
，则
Figure 64852DEST_PATH_IMAGE040
改写为
Figure 627552DEST_PATH_IMAGE041
可得
Figure 955765DEST_PATH_IMAGE042
⑤现在
Figure 236705DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 82301DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 765086DEST_PATH_IMAGE019
都可以表示成二阶导的关系式，将其代入到
Figure 670725DEST_PATH_IMAGE043
可得
Figure 235699DEST_PATH_IMAGE044
⑥将
Figure 353828DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 15753DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 826714DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 82246DEST_PATH_IMAGE019
代入
Figure 4066DEST_PATH_IMAGE045
可得
Figure 927023DEST_PATH_IMAGE046
这样我们构造了一个以m为未知数的线性方程组；
（4）求得二次微分值
Figure 33519DEST_PATH_IMAGE047
，该矩阵为三对角矩阵，常见解法为高斯消元法，可以对系 数矩阵进行分解，分解为单位下三角矩阵和上三角矩阵。取自然边界条件:
Figure 41926DEST_PATH_IMAGE048
=0， 即：
Figure 173961DEST_PATH_IMAGE049
Figure 810479DEST_PATH_IMAGE050
3、数据处理过程。对预处理后的A、B两条温度曲线采用嵌套区间欧式距离法进行相似度计算，步骤如下：
①取由有限个点组成的绝缘子基准温度曲线和待诊绝缘子温度曲线A、B，将它们 表示成
Figure 697664DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 927788DEST_PATH_IMAGE052
；
②对链A、链B数据分别进行嵌套划分，即先将第1~p（p≥1）个数据划分为第一组，然后将第2~p+1（p≥1）个数据划分为第二组，依此类推，找出所有满足条件的划分，假设有k种，每一种划分W j =｛（A i , B i ）｝,（0≤i≤m, 1≤j≤k）；
③在每一种划分W j =｛（A i , B i ）｝,（0≤i≤m, 1≤j≤k）中，先计算出每一种划分中所有点之间的欧式距离dist(a,b)，再求出所有步中的区间最大欧式距离值：
Figure 456989DEST_PATH_IMAGE053
；
其中，dist(a,b)为每一种划分中从区间a到区间b的欧式距离，
Figure 948013DEST_PATH_IMAGE054
为每一种 划分所有步中的区间最大欧式距离值；
④计算所有划分方法中最大欧式距离的方差：
Figure 271679DEST_PATH_IMAGE055
其中
Figure 989099DEST_PATH_IMAGE056
为区间最大欧式距离值的方差，
Figure 56412DEST_PATH_IMAGE057
为所有步中的区间最大欧式距离值的均 值。
如果得到的结果的小于一个设定的阈值ζ，便可判定这两条曲线相似，将此绝缘子串判定为正常绝缘子串；否则如果得到的结果的大于一个设定的阈值ζ，便可判定这两条曲线不相似，将此绝缘子串判定为劣化绝缘子串。经过大量的实验室模拟实验和现场试验数据验证后，阈值ζ设定为ζ=0.5。
本发明的优点是，所提出的基于温度曲线相似度的劣化判定方法，综合考虑了劣化瓷绝缘子串温度曲线的整体特征，有助于国家电力行业标准DL/T 664-2016《带电设备红外诊断应用规范》中瓷绝缘子红外测零判据的优化与完善，可促进绝缘子红外测零准确率进一步提升。
附图说明
图1是本发明总体流程图；
图2是本发明所述案例的基准绝缘子串温度分布曲线图；
图3是本发明所述案例的原始劣化图片样本；
图4是本发明所述案例原始劣化曲线样本；
图5是本发明所述案例的原始正常图片样本；
图6是本发明所述案例原始正常曲线样本；
图7是本发明所述案例曲线A 0经过步骤二预处理后的数据；
图8是本发明所述案例曲线B 0经过步骤二预处理后的数据；
图9是本发明所述案例曲线C 0经过步骤二预处理后的数据；
图10是本发明所述案例曲线B与曲线A经过步骤三处理后区间最大欧式距离值的输出数据；
图11是本发明所述案例曲线C与曲线A经过步骤三处理后区间最大欧式距离值的输出数据。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例包括如下步骤：
某省2020年运维项目“某省220kV~500kV线路悬式绝缘子红外测零”，共计检测220kV~500kV线路12条，检出劣化绝缘子（零值）117片，分布在25基220kV~500kV线塔上。以零值绝缘子28号线塔大号侧右相、正常绝缘子220kV某线路25号线塔小号侧左相采集样本为例，以下为本说明实施过程：
（1）对附图2的多串正常绝缘子温度数据进行算数平均，形成一条温度基准曲线， 得到样本
Figure 401943DEST_PATH_IMAGE001
，由于绝缘子片数为14片，取n=13;
（2）220kV 28号塔大号测右相红外检测时所得到的红外图像如附图3所示。先采集每一片绝缘子的铁帽进行温度取值，生成如附图4的数据温度曲线图。220kV 25号塔小号测左相红外检测时所得到的红外图像如附图5所示。本说明先采集每一片绝缘子的铁帽进行温度取值，生成如附图6的数据温度曲线图；
（3）利用红外检测出的劣化绝缘子停电维护并对用间隙法测绝缘电阻值，以其两种检测结果相吻合的数据为基准。该相零值绝缘子红外检测结果和绝缘电阻的测试结果如下表所示：
Figure 162088DEST_PATH_IMAGE058
采集该片零值绝缘子的平均温差，针对某省2020年运维项目“某省220kV~500kV线 路悬式绝缘子红外测零”的检测结果与跟踪数据，便得到本说明所用样本
Figure 101225DEST_PATH_IMAGE002
，由于绝缘子片数为14片，取n=13；
（4）利用红外检测出的正常绝缘子停电维护并对用间隙法测绝缘电阻值，本说明以其两种检测结果相吻合的数据为基准。该相正常绝缘子红外检测结果和绝缘电阻的测试结果如下表所示：
Figure 972229DEST_PATH_IMAGE059
采集该片正常绝缘子的平均温差，针对某省2020年运维项目“某省220kV~500kV线 路悬式绝缘子红外测零”的检测结果与跟踪数据，便得到本说明所用样本
Figure 313212DEST_PATH_IMAGE060
，由于绝缘子片数为14片，取n=13；
（5）根据发明内容中的公式，对
Figure 103314DEST_PATH_IMAGE061
0 、
Figure 529747DEST_PATH_IMAGE062
0 、
Figure 938863DEST_PATH_IMAGE063
0 样本采用三次函数插值法分别进行数据 预处理，得到预处理后的新的基准曲线
Figure 258985DEST_PATH_IMAGE061
和新的待检测绝缘子曲线
Figure 95354DEST_PATH_IMAGE062
、
Figure 9084DEST_PATH_IMAGE063
三条平滑曲线，如 附图7，附图8，附图9所示；
（6）根据发明内容中的上述公式，先对待检测绝缘子曲线数据分别进行嵌套划分， 每一种划分取p=4，求得样本B，C分别与样本A进行所有步中的所有点之间的最大欧式距离dist(a,b)，从而得到区间一组最大欧式距离
Figure 80945DEST_PATH_IMAGE064
值，如附图10，附图11所示。然后对 区间
Figure 396520DEST_PATH_IMAGE064
分别求得方差。
经过计算，样本B与样本A的温度方差结果为：
Figure 403790DEST_PATH_IMAGE056
=0.77>ζ(=0.5)，证明样本B与样本A不相似，样本B为劣化绝缘子；样本C与样本A的温度相似度结果为：
Figure 663870DEST_PATH_IMAGE056
=0.005<ζ(=0.5)，证 明样本C与样本A相似，样本C为正常绝缘子。

Claims (4)

1.一种基于温度曲线相似度的瓷绝缘子串劣化判定方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：获取绝缘子串基准温度曲线数据和待诊绝缘子串铁帽温度曲线数据；
S2：对步骤S1所述数据进行预处理；
S3：利用嵌套区间欧式距离法对步骤S2所述数据进行计算，获得绝缘子劣化检测结果。
2.所述步骤S1具体为：
S1:数据准备过程，
对足量多串正常绝缘子样本的温度数据进行平均，得到绝缘子串基准温度曲线数据
Figure 170831DEST_PATH_IMAGE001
，
待诊绝缘子串铁帽温度曲线数据
Figure 340912DEST_PATH_IMAGE002
。
3.所述步骤S2具体为：
S2:数据预处理过程，
将步骤S1中温度曲线
Figure 519084DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 532039DEST_PATH_IMAGE004
采用三次函数插值法分别进行数据预处理，得到预处理后 的基准温度曲线A和待诊温度曲线B两条平滑曲线。
4.所述步骤S3具体为：
S3:数据处理过程，
对步骤S2预处理后的A、B两条温度曲线采用嵌套区间欧式距离法进行相似度计算，步骤如下：
①取由有限个点组成的预处理后绝缘子基准温度曲线和待诊绝缘子温度曲线A、B，将 它们表示成
Figure 86648DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 111236DEST_PATH_IMAGE006
；
②对链A、链B数据分别进行嵌套划分，即先将第1~p（p≥1）个数据划分为第一组，然后将第2~p+1（p≥1）个数据划分为第二组，依此类推，找出所有满足条件的划分，假设有k种，每一种划分W j =｛（A i , B i ）｝,（0≤i≤m, 1≤j≤k）；
③在每一种划分W j =｛（A i , B i ）｝,（0≤i≤m, 1≤j≤k）中，先计算出每一种划分中所有点之间的最大欧式距离值dist(a,b)，再求出所有步中的区间最大欧式距离值：
Figure 257047DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，dist(a,b)为每一种划分中从区间a到区间b的欧式距离，
Figure 367085DEST_PATH_IMAGE008
为所有步中的 区间最大欧式距离值；
④计算所有划分方法中最大欧式距离的方差：
Figure 725385DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 870059DEST_PATH_IMAGE010
为区间最大欧式距离值的方差，T为所有步中的区间最大欧式距离值的平均 值；
如果得到的结果的小于一个设定的阈值ζ，便可判定这两条曲线相似，将此绝缘子串判定为正常绝缘子串；否则如果得到的结果的大于一个设定的阈值ζ，便可判定这两条曲线不相似，将此绝缘子串判定为劣化绝缘子串。
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