基于組合算法的中低壓設(shè)備電暈放電區(qū)域紫外標定方法

張宏釗，李 勛，安韻竹, 伊仁圖太(．深圳供電局有限公司，廣東 深圳 58000；.武漢大學電氣工程學院，武漢 4007；.深圳市同步銀星電氣有限公司，廣東 深圳 58000)

高壓輸變電設(shè)備長期在暴露的空氣中運行，其表面污穢及空氣濕度不可避免地造成絕緣劣化和老化，導致電力設(shè)備出現(xiàn)局部弱放電現(xiàn)象[1,2]。長時間的局放現(xiàn)象將損壞設(shè)備的絕緣性能，嚴重時甚至導致絕緣擊穿。由于背景噪聲復雜，聲波檢測、超高頻檢測等常規(guī)檢測方法難以準確定位放電位置[3]。而電暈弱電離初期很難直接用肉眼觀察到，其輻射出的光波波長集中于紫外光波波段(200～400 nm)[1]。因此，日盲區(qū)紫外檢測技術(shù)成為確定在線運行設(shè)備絕緣性能的重要手段之一。

傳統(tǒng)中壓電壓等級觀念中，往往忽視中低壓設(shè)備的電暈放電現(xiàn)象，在生產(chǎn)制造、現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)往往未按高電壓等級理念來對待，對開關(guān)柜的工藝要求、導體布局、絕緣間隙等要求明顯偏低，造成電暈放電量偏高。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一些變電站中35 kV 開關(guān)柜、絕緣子等中低壓電氣設(shè)備放電性故障已經(jīng)占到開關(guān)柜故障總數(shù)的50%以上，對主變乃至電網(wǎng)安全構(gòu)成了潛在的威脅[4]。可見，充分重視變電站開關(guān)柜、絕緣子等電力設(shè)備電暈放電狀態(tài)，對保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、降低設(shè)備和人身事故率具有重要現(xiàn)實意義。紫外線波長范圍在10～400 nm，而太陽光中絕大多數(shù)小于280 nm波長的紫外線均被臭氧層吸收，很難到達地面。因此，將低于280 nm的波長區(qū)稱為太陽盲區(qū)。高壓電力設(shè)備局放輻射的紫外光波波長大多分布在280～400 nm，也有少數(shù)紫外光波分布在160～280 nm。因此，將采用特定的紫外線傳感器使儀器工作在紫外波長160～280 nm之間的太陽盲區(qū)的紫外檢測方法稱之為日盲區(qū)紫外檢測。紫外成像儀拍攝過程受背景噪聲等影響，其記錄到的紫外圖像會出現(xiàn)白色噪聲點，影響判斷設(shè)備局放程度的真實情況。為更準確地判斷放電點具體位置，還原實際放電形態(tài)和定量分析設(shè)備局部放電程度，有必要對記錄的紫外圖像進行濾波降噪等圖像處理，標定真實的放電區(qū)域[5-7]。本文從圖像處理的角度出發(fā)，提出采用閾值分割法、數(shù)學形態(tài)與局部濾除相結(jié)合降噪等算法標定設(shè)備日盲紫外圖像的放電區(qū)域，并通過對絕緣子串日盲圖像處理驗證本文方法的有效性，最后將本文算法用于計算干凈和污穢條件下絕緣子放電區(qū)域圖像面積，對比分析干凈和污穢條件下玻璃絕緣子局部放電強度。

1 紫外圖像放電區(qū)域的標定方法

在數(shù)據(jù)圖像處理上，紫外圖像中放電區(qū)域標定主要包括圖像預處理及分割、圖像降噪、局部濾除及邊界提取等部分。其中，圖像降噪是標定紫外圖像放電區(qū)域的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)采用數(shù)學形態(tài)學進行背景噪聲濾波處理。

1.1 圖像預處理及分割

為了方便處理紫外圖像，首先將紫外成像儀拍攝的RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度照片。在數(shù)據(jù)處理中，灰度照片用灰度矩陣表示，每個像素對應灰度矩陣特定位置上的灰度值。

閾值法是灰度圖像分割的常用算法。閾值法的基本原理：結(jié)合圖像自身特點及其灰度直方圖確定閾值α，若照片上像素點的灰度超過該閾值，將該像素點灰度設(shè)為“1”；其他情況對應像素點灰度設(shè)為“0”。灰度圖像經(jīng)過閾值法處理后，轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像，并可粗略地將放電區(qū)域提取出來，將不需要的背景用黑色填充。

1.2 圖像數(shù)學形態(tài)學降噪

數(shù)學形態(tài)學作為一種數(shù)學方法，其關(guān)鍵參數(shù)為起“探針”作用的結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素收集信息并不斷移動獲得在其在信號中的位置并檢測信號內(nèi)部之間的關(guān)系，以獲取有用信息用于分析信號特性[8]。在形態(tài)操作過程中，結(jié)構(gòu)元素實際是自定義的特定的鄰域矩陣。該矩陣具有任意維數(shù)和大小，內(nèi)部元素僅為0和1。其中，矩陣元素值為1的位置對應灰度圖的像素，形態(tài)學相關(guān)運算均在元素值為1的區(qū)域展開。數(shù)學形態(tài)學以集合形式進行運算，其中腐蝕運算(Erosion)和膨脹運算(Dilation)屬于數(shù)學形態(tài)學的兩種基本數(shù)學運算。而開啟運算和閉合運算均是腐蝕運算和膨脹運算的組合運算。具體定義如式(1)、(2)所示：

A°B=(AΘB)⊕B

(1)

A·B=(A⊕B)ΘB

(2)

式中：A為待處理圖像灰度矩陣；B為選定的結(jié)構(gòu)元素矩陣；“Θ”表示腐蝕運算；“⊕”表示膨脹運算；“°”表示形態(tài)學開啟運算；“·”表示形態(tài)學閉合運算。

開啟運算實際是對圖像灰度矩陣先腐蝕后膨脹，達到濾除二值圖像中像素尺寸較小的散點并使圖像邊界平滑的效果；閉合運算則是對灰度圖像先進行膨脹運算再腐蝕運算，從而消除圖像孔洞，保持圖像邊界平滑。

盡管放電區(qū)域可以從紫外二值圖像中被粗略提取出來，但二值圖像中依然存在大量干擾噪聲點。為了滿足降噪需求，本文采用數(shù)學形態(tài)學降噪算法對紫外二值圖像進行初步降噪處理。而結(jié)構(gòu)元素是數(shù)學形態(tài)學的關(guān)鍵參數(shù)，其選擇的合理性直接決定紫外圖像形態(tài)學運算結(jié)果的準確性。而紫外成像檢測到放電圖像大多呈圓形[9]，因此本文中，結(jié)構(gòu)元素形狀選取圓盤形，其半徑由具體圖像特性確定。為了盡量減少降噪引起的放電區(qū)域形狀畸變，本文對二值圖像進行形態(tài)學開啟運算和閉合運算進行濾波降噪處理。

1.3 圖像局部濾除及放電邊界提取

二值圖像經(jīng)過數(shù)學形態(tài)學濾波降噪處理后，可能依然存在部分干擾噪聲點。此時，可采用局部濾除的方法，進一步進行二值圖像降噪處理。首先標記二值圖像的連通區(qū)域，連通區(qū)域內(nèi)部均賦予該連通區(qū)域的序號值；然后，計算灰度矩陣中各連通域?qū)脑財?shù)目；最后結(jié)合實際圖像和各連通區(qū)域?qū)脑財?shù)目設(shè)定閾值，當連通域?qū)財?shù)目低于該閾值時，該連通域?qū)叶染仃囍械牟糠衷鼐O(shè)置為“0”。經(jīng)過局部濾除處理后，二值圖像中白色區(qū)域即為待標定的真實局部放電區(qū)域。本文采用“4-”連接邊沿方式[10]確定圖像中相鄰像素是否連接，以標定電暈放電區(qū)域的邊界。

1.4 放電區(qū)域二維面積的求取

將二值圖像與原灰度圖像結(jié)合，在原灰度圖像中標定電暈放電區(qū)域及其邊界。具體方法為記錄二值圖像素矩陣中的放電區(qū)域及其邊界的坐標位置，并將原灰度圖中對應位置處的灰度值設(shè)為“255”和“0”。放電區(qū)域二維面積的求取公式如式(3)所示：

S=N1s

(3)

式中：S為放電區(qū)域面積比例；N1為放電區(qū)域總像素個數(shù)；s為每個像素的實際面積。

本文后續(xù)計算中未考慮像素點面積，保持紫外拍攝過程中空間相對位置及拍攝參數(shù)不變，達到不同實驗條件下的紫外圖像像素點對應實際面積相同的目的。

2 電暈放電區(qū)域標定實例分析

2.1 放電區(qū)域標定圖像處理

采用以色列OFIL紫外成像儀-SuperB對絕緣子串的局部電暈放電情況開展紫外成像拍攝。圖1為某變電站35kV低壓側(cè)拍攝的絕緣子串周圍局放紫外RGB彩色圖像。采用第一節(jié)中所述算法對該照片進行處理，成像結(jié)果如圖2所示。

圖1 絕緣子紫外彩色圖像

圖2 紫外RGB彩色圖像處理流程

圖3 灰度圖象的灰度值曲線

首先將圖1轉(zhuǎn)換為灰度圖像后，繪制其灰度值分布曲線如圖3所示。結(jié)合圖1圖像和圖3所示灰度值雙峰分布曲線，可以確定電暈放電區(qū)域的灰度值集中分布于240～250，絕大部分背景灰度值低于200，故確定圖像分割閾值α取240。經(jīng)多次嘗試發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)元素選取采用半徑r=1的圓盤時，數(shù)學形態(tài)學降噪效果最佳。圖像處理過程，每一步處理效果如圖4所示。

圖4 圖像處理過程

2.2 不同污穢條件放電區(qū)域面積分析

放電區(qū)域面積定義為放電區(qū)域內(nèi)的像素總數(shù)與像素代表實際面積的乘積。由于實驗中實驗設(shè)備及拍攝參數(shù)保持不變，每種實驗條件下拍攝照片的像素點代表的實際面積相同。假設(shè)像素點代表實際面積為1，則放電區(qū)域面積即為其像素總數(shù)，單位為pixel。對干凈和污穢條件下的玻璃絕緣子分別施加35、45、50、54、58、60、62、64 kV工頻電壓，利用紫外攝像儀記錄不同實驗條件下絕緣子局部電暈放電圖像。為了保證試驗數(shù)據(jù)的可比性，本組試驗在同一實驗地點完成，觀測距離均為7 m。試驗過程中，溫度為31 ℃，相對濕度為65%。采用本文圖像處理算法，計算得到不同電壓下絕緣子串局部放電區(qū)域面積對比如圖5所示。

圖5 絕緣子局部放電區(qū)域面積與電壓關(guān)系曲線圖

如圖5所示，隨著外施工頻電壓幅值的增加，絕緣子串的局部放電區(qū)域的面積增強；污穢絕緣子的局部放電區(qū)域的面積大于干凈絕緣子的局部放電區(qū)域面積。這說明污穢條件下玻璃絕緣子的局部放電強度明顯增大。該結(jié)論與實際情況相符，驗證了本文紫外圖像局部放電區(qū)域標定方法的有效性。

3 結(jié) 語

(1)本文采用閾值分割法將圖像進行日盲紫外圖像二值化處理，并采用數(shù)學形態(tài)學和局部濾除相結(jié)合進行圖像降噪濾波，最后采用四鄰域連接算法提取放電區(qū)域邊界。該方法簡單實用，對實際電站巡檢工作具有重要的工程應用價值。

(2)采用本文方法對絕緣子串的紫外圖像中的局部放電區(qū)域進行標定，標定的放電區(qū)域與實際局部放電區(qū)域相符，驗證了本文方法的有效性。

(3)開展不同電壓下對干凈絕緣子和污穢絕緣子的放電紫外觀測試驗，并采用本文算法提取不同情況下放電區(qū)域面積。相同電壓作用下，污穢絕緣子的局部放電區(qū)域面積大于干凈絕緣子的局部放電面積，說明污穢條件下玻璃絕緣子的局部放電強度較大。

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[1] 楊曉琳，李燕青，劉云鵬,等.基于數(shù)學形態(tài)學的電力設(shè)備紫外圖像放電區(qū)域提取[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008,32(7):96-99.

[2] 李自品.330 kV線路絕緣子串電壓分布的現(xiàn)場實測與分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2006,(4):99-100.

[3] 張繼軍.高壓放電紫外檢測技術(shù)與應用[M]. 北京：中國電力出版社，2009.

[4] 俎洋輝, 俎麗鴿, 劉 巖. 35 kV開關(guān)柜電暈試驗研究及分析應用[J]. 河南電力, 2015,(1)．

[5] 耿江海，霍亞男，黃震宇，等.基于數(shù)學形態(tài)學的絕緣子閃絡(luò)圖像處理方法[J].電瓷避雷器，2014,(4):21-25.

[6] 王勝輝，李 楠，廖 鵬.放電日盲紫外成像檢測圖像參數(shù)提取方法研究[J].華北電力大學學報，2013,40(6):40-45.

[7] 丁 培，馬飛越，高 原，等. 基于紫外圖像相對光斑面積的絕緣子表面放電量化評估方法研究[J]. 電瓷避雷器，2015,(2):5-9.

[8] 呂石生，林亞濤，梁 興，等. 基于數(shù)學形態(tài)學的水泵振動故障診斷研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2014,(2):110-113.

[9] 王勝輝，郭文義，律方成，等.電暈放電紫外成像圖像參量變化特性的研究[J]. 高壓電器，2013,49(8):16-25.

[10] 孫兆林. MATLAB6.x圖像處理[M]. 北京：清華大學出版社，2002.