圖像背景修正對(duì)電纜終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果研究

汪利波，段建家，邱超

(1.浙江大立科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南株洲 412000)

0 引言

電力電纜由于其擁有穩(wěn)定的供電可靠性、較小的占地面積等技術(shù)特點(diǎn)，常用于城市地下電網(wǎng)、發(fā)電站引出線路、工礦企業(yè)內(nèi)部供電及過江海水下輸電線。橡塑交聯(lián)電力電纜(簡(jiǎn)稱XLPE電纜)由于其電氣性能優(yōu)越、耐熱性和機(jī)械性能好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到電纜線路中，且使用率日益提高。但電纜附件制作由普通施工人員完成，對(duì)附件安裝工藝掌握不精通，電纜監(jiān)督水平低，部分電纜附件帶缺陷投運(yùn)。如35 kV電纜運(yùn)維常年處于盲點(diǎn)，健康狀態(tài)基本欠佳，電纜故障頻發(fā)，2015年以來湖南省35 kV電纜平均故障率達(dá)11.1次/(百公里·年)。

在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，電力電纜載荷運(yùn)行，且受安裝環(huán)境等因素影響容易出現(xiàn)短路、斷線、接地等故障，電力電纜本體及附屬配件故障屢見不鮮。采取有效的解決措施，將電力電纜故障率降低，提前發(fā)現(xiàn)故障先兆，保證電力設(shè)備安全、可靠運(yùn)行十分重要。電力電纜出現(xiàn)問題的主要原因是長(zhǎng)期受到外力、腐蝕、環(huán)境(高溫、高濕)等因素的影響，出現(xiàn)絕緣性能下降、失效。針對(duì)上述問題，行業(yè)內(nèi)主要采用三種方案進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè):接地電流檢測(cè)、局部放電檢測(cè)(超聲波、地電波、特高頻)、紅外熱成像檢測(cè)[1]。

1 常規(guī)的電纜缺陷監(jiān)測(cè)方法

目前國(guó)內(nèi)在電力電纜狀態(tài)領(lǐng)域檢測(cè)的主要方式有以下有種:局部放電測(cè)試法[2]、直流疊加法、直流分量法、低頻疊加法。

電力電纜異常部分會(huì)產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，利用高精度局放儀可檢測(cè)設(shè)備局部放電現(xiàn)象。直流疊加法是外接50 V電源，通過計(jì)算絕緣電阻值，計(jì)算電力電纜異常部位，通過劣化的絕對(duì)量，判斷電纜是否異常。直流分量法在直流疊加法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用水樹枝整流效應(yīng)，計(jì)算直流電流分量，判斷是否存在異常，該方式無外接電源，但是會(huì)受互層絕緣電阻與雜散電流的影響，因此準(zhǔn)確度也無法進(jìn)行保證。低頻疊加法現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用也較多，在高壓回路與地面外加低頻電壓(7.5 Hz，20 V)，測(cè)量阻性電流，從而進(jìn)行分析[3]。

以上方法中，直流疊加法、直流分量法、低頻疊加法容易實(shí)現(xiàn)，在線監(jiān)測(cè)操作簡(jiǎn)單，但是主要檢測(cè)電力電纜絕緣老化程度，無法在故障產(chǎn)生前進(jìn)行預(yù)警，無法定位具體的故障部位，不便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[4]。

紅外熱成像的測(cè)溫原理是接收物體表面輻射的紅外能量[5－8]，將紅外能量轉(zhuǎn)換成溫度信息，進(jìn)行故障分析判斷。相比較接地電流檢測(cè)、局部放電檢測(cè)技術(shù)，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)具有遠(yuǎn)離被檢測(cè)設(shè)備，保證運(yùn)維人員人身安全、大面積高效檢測(cè)，提高運(yùn)維巡視效率，被動(dòng)非接觸式測(cè)溫，不影響電力電纜正常運(yùn)行，且能定位具體的異常部位等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[9－15]。本文提出一種基于紅外熱成像背景修正技術(shù)的方式，可提高對(duì)電力電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效性。

2 背景修正技術(shù)原理與方法

2.1 設(shè)備選型與性能參數(shù)

電力電纜終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置是一款可移動(dòng)式在線測(cè)溫系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要有前端信號(hào)采集系統(tǒng)(紅外熱成像系統(tǒng)、可見光系統(tǒng)、聲波系統(tǒng))、后端信號(hào)分析系統(tǒng)(控制中樞、傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng))組成。該系統(tǒng)具備IP66防護(hù)等級(jí)，可滿足常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用需求。該裝置現(xiàn)場(chǎng)布置完成，可通過紅外熱成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電力電纜設(shè)備狀態(tài)，通過4G網(wǎng)絡(luò)，將異常信息發(fā)送給遠(yuǎn)端運(yùn)維人員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜的終端監(jiān)測(cè)。

圖1 電力電纜終端狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

該裝置配備200萬30倍一體網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，電動(dòng)鏡頭，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭(25 mm)，手動(dòng)、自動(dòng)云臺(tái)，碳纖維三腳架、雙光測(cè)溫?cái)z像機(jī)、平板、主控箱、電池箱(選配)、移動(dòng)線盤，內(nèi)置天線支持4G、WIFI訪問。高溫預(yù)警、報(bào)警信息通過郵件及短信形式通知至運(yùn)維人員[7]。

2.2 后端全數(shù)字測(cè)溫處理

1)在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)需要監(jiān)視的電力設(shè)備設(shè)置預(yù)置位位置，并拍攝基準(zhǔn)照片，其中紅外圖像為IRImage格式，高清圖像是CCDImage格式，如圖2和圖3所示。

圖2 電纜中間接頭異常發(fā)熱

圖3 電纜均壓頭異常發(fā)熱

2)在紅外基準(zhǔn)圖像上標(biāo)記電纜接頭關(guān)鍵部位的輪廓，同時(shí)標(biāo)記背景溫度來源位置，如圖4所示。

圖4 電纜接頭關(guān)鍵部位輪廓

3)基于紅外熱成像圖像分析技術(shù)，在建模階段將設(shè)備輪廓勾勒出來。采用JPEG文件格式存儲(chǔ)當(dāng)前巡檢測(cè)溫點(diǎn)位置信息的文件格式。在這個(gè)格式文件中，首先存儲(chǔ)JPEG格式的高清圖像信息，然后在JPEG文件的附件數(shù)據(jù)段中存儲(chǔ)紅外熱圖數(shù)據(jù)文件及設(shè)備位置信息。這個(gè)文件存儲(chǔ)在線巡檢系統(tǒng)在當(dāng)前位置進(jìn)行電纜接頭設(shè)備監(jiān)測(cè)位置的所有信息，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG格式文件。

4)系統(tǒng)在自動(dòng)巡檢工作過程中，首先需要將采集到的紅外熱圖通過自動(dòng)識(shí)別匹配的方法，確定設(shè)備在實(shí)時(shí)熱圖中的位置。步驟如下:

①將前期建模完成的紅外輪廓熱圖IRImage作為基準(zhǔn)模板S，每次巡檢采集的紅外熱成像IRImage2作為待處理模板。

②將基準(zhǔn)設(shè)備模板圖像上設(shè)備多邊形為基準(zhǔn)，按多邊型的周長(zhǎng)為計(jì)算依據(jù)，在多邊型周邊上平均選取4個(gè)標(biāo)點(diǎn)，作為4個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)特征點(diǎn)S1、S2、S3、S4。

③在基準(zhǔn)設(shè)備模板的紅外熱成像數(shù)據(jù)中提取圖像關(guān)鍵點(diǎn)，以關(guān)鍵點(diǎn)為基礎(chǔ)，選取一個(gè)長(zhǎng)、寬均為M像素的矩形數(shù)據(jù)模塊(M＝21)，將該紅外矩形數(shù)據(jù)模塊作為匹配計(jì)算的基礎(chǔ)。

④在待處理的紅外熱圖數(shù)據(jù)中采用全局搜索的方法計(jì)算與T數(shù)據(jù)塊相似度最高的數(shù)據(jù)塊，計(jì)算公式如下:

式中，Sij代表的是待處理的紅外熱成像數(shù)據(jù)中以圖像坐標(biāo)(i，j)位置為中心的長(zhǎng)度寬度都為M的紅外數(shù)據(jù)塊；i的取值范圍是M/2到(W－M/2)，W為整幅圖像的寬度，j的取值范圍為(M/2)到(H－M/2)，H為整幅圖像的高度；m，n分別為圖像輪廓中的橫縱標(biāo)；T(m，n)為匹配的模塊。

⑤統(tǒng)計(jì)步驟④中計(jì)算得到的R(i，j)的最大值，最大值代表的含義是待處理的紅外熱成像數(shù)據(jù)與模板紅外熱成像數(shù)據(jù)最匹配的位置，不斷重復(fù)上述步驟，從而實(shí)現(xiàn)在新采集的紅外熱成像上體現(xiàn)建模勾勒的設(shè)備輪廓，得到目標(biāo)特征點(diǎn)位置T1、T2、T3、T4。

⑥再計(jì)算模板中設(shè)備輪廓中S1分別到S2、S3、S4點(diǎn)的距離與新采集的紅外熱成像數(shù)據(jù)圖中這3個(gè)點(diǎn)距離之間的差值誤差，若差值誤差大于3個(gè)像素點(diǎn)，則認(rèn)為匹配失敗，需要重新進(jìn)行上述步驟，直到滿足差值小于等于3個(gè)像素點(diǎn)為止。

⑦根據(jù)T1、T2、T3、T4四個(gè)點(diǎn)的位置，并根據(jù)基準(zhǔn)設(shè)備模板圖像中設(shè)備輪廓多邊型，確定在待處理的紅外熱圖數(shù)據(jù)中設(shè)備的精確外框多邊型的位置。

⑧根據(jù)T1、T2、T3、T4四個(gè)點(diǎn)的位置，并根據(jù)基準(zhǔn)設(shè)備模板圖像中背景溫度矩形的位置，確定在待處理的紅外熱圖數(shù)據(jù)中背景溫度矩形的精確外框的位置。

5)按照以上步驟，在系統(tǒng)巡檢過程中，每一次自動(dòng)拍攝設(shè)備工作溫度狀態(tài)圖片，都可以獲得一張電纜終端設(shè)備工作狀態(tài)圖，同時(shí)確定在該熱圖上電纜終端的位置。

6)將待處理的紅外熱圖數(shù)據(jù)電纜終端設(shè)備區(qū)域內(nèi)(輪廓線內(nèi)部)的溫度區(qū)域分成一個(gè)一個(gè)的方塊區(qū)域(10×10)，計(jì)算該方塊區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)的溫度平均值TN，同時(shí)計(jì)算背景溫度矩形內(nèi)的溫度平均值Ta。

①溫差判別法:如果(TN－Ta)＞1.0，意味著電纜終端設(shè)備表面溫度與環(huán)境溫度存在1℃以上的溫差，該電纜終端可能存在故障。

②溫度分布判別法:如果(TN－Ta)＞0.2，將比較值該溫度區(qū)域位置矩陣設(shè)置為1，負(fù)責(zé)設(shè)置為0。將所有方塊區(qū)域溫度都按上述步驟計(jì)算以后，得到一個(gè)比較值矩陣，矩陣中為1的部分就是代表在圖像上該部分溫度與環(huán)境溫度有0.2℃的差異，否則矩陣中為0。

按該步驟，系統(tǒng)每一次巡檢，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較值矩陣，系統(tǒng)自動(dòng)按時(shí)間次序比較一段時(shí)間內(nèi)該矩陣的變化率。如果發(fā)現(xiàn)有較大變化(例如矩陣中數(shù)值為1的單元數(shù)量隨時(shí)間增長(zhǎng)也在增加)，說明該電纜終端可能存在故障。

3 應(yīng)用前景

通過背景溫度修正后的比較分析方法，可以輕易地發(fā)現(xiàn)電纜終端表面溫度變化情況。將本裝置充電完畢，在現(xiàn)場(chǎng)部署，即可無人自主運(yùn)行。系統(tǒng)可周期性自動(dòng)巡檢，自動(dòng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過角度反饋設(shè)置不受數(shù)量限制的預(yù)置位，在不同的預(yù)置位采集不同的電力電纜紅外熱圖，基于背景修正技術(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將巡檢數(shù)據(jù)保存。后臺(tái)分析軟件可對(duì)同一設(shè)備不同時(shí)間段的狀態(tài)進(jìn)行曲線分析，可對(duì)相鄰設(shè)備同一時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。若發(fā)現(xiàn)異常信息，可以報(bào)表的形式進(jìn)行導(dǎo)出，亦可在事后對(duì)采集的每張紅外熱成像數(shù)據(jù)圖進(jìn)行逐像素分析，重現(xiàn)故障先兆，提高對(duì)電力電纜故障分析的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

電力電纜終端狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用“背景修正技術(shù)”，該技術(shù)以紅外熱成像圖像匹配計(jì)算為核心，有效降低系統(tǒng)巡視誤報(bào)率，提高電力電纜終端狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，促使運(yùn)維模式由現(xiàn)場(chǎng)向遠(yuǎn)端進(jìn)行轉(zhuǎn)變。