數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測中的應(yīng)用

郭文勇，獨亞軍，魏存娣，陳向華，楊俊杰

（渭南供電局，陜西渭南714200）

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測中的應(yīng)用

郭文勇，獨亞軍，魏存娣，陳向華，楊俊杰

（渭南供電局，陜西渭南714200）

污閃是由于絕緣子運行中表面沉積大量污穢，污層濕潤后使絕緣子外絕緣能力急劇下降而引發(fā)的事故。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代，我國電網(wǎng)相繼發(fā)生了大面積污閃跳閘事故。造成了巨大的經(jīng)濟損失[1-3]。但是目前電力部門主要還是依靠提高外絕緣水平和定期清掃等方法來預(yù)防和降低污閃事故的發(fā)生。這些方法在起到一定積極作用的同時，也存在著工作量大、經(jīng)濟性差等問題，并且無法實時、全面地反映絕緣子的污穢信息。因此，研發(fā)適應(yīng)電力系統(tǒng)需求的絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急[4-5]。

實際應(yīng)用中的線監(jiān)測產(chǎn)品都將絕緣子漏電流脈沖個數(shù)和電流值作為反映污穢程度的特征量[6]。根據(jù)泄漏電流值的大小將其分為安全區(qū)（<50mA）、預(yù)報區(qū)（<150mA）和危險區(qū)（>150mA）3個區(qū)段[7]。實際中雖然泄漏電流頻譜較為復(fù)雜,但緣子正常運行時通常處于安全區(qū)或預(yù)報區(qū)，這2個區(qū)泄漏電流幅值的微小變化反映了絕緣子表面污穢程度的變化趨勢，因此通過形態(tài)學(xué)對這2個區(qū)段的泄漏電流進(jìn)行降噪處理，以提高其幅值的檢測精度，有利于對污閃事故提前進(jìn)行預(yù)報。

1 泄漏電流檢測方法

目前國內(nèi)外許多絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)都通過硬件電路來對采集到的絕緣子泄漏電流信號進(jìn)行降噪處理[8-9]，這些硬件濾波的方法在實用中通常濾波效果較差。文獻(xiàn)[10]采用小波變換對絕緣子泄漏電流進(jìn)行濾波處理，但是這種算法計算比較復(fù)雜。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)(Mathematical Morphology)是一種非線性分析方法（本文簡稱MM），其對信號的處理只有加減法和取極值運算，計算簡單[11]。因而處理速度快、時延小、易于硬件實現(xiàn)。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)已經(jīng)應(yīng)用在繼電保護(hù)[12-13]，在線檢測[14-15]，故障選相[16]、無功優(yōu)化[17]等領(lǐng)域。

本文應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對絕緣子泄漏電流按區(qū)段進(jìn)行處理，針對不同區(qū)段的電流大小，選用不同形狀的結(jié)構(gòu)元素，較好的改善了泄漏電流的波形，提高了檢測精度。

2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本原理

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)以腐蝕和膨脹運算為基礎(chǔ)[14]。設(shè)x為一維多值信號，B是結(jié)構(gòu)元素（某個自定義集合）。H、K為x和B的定義域，H={1，…，N}，K={1，…，M}，有M

式中，v為正整數(shù)，“Θ”為腐蝕運算。

3 形態(tài)濾波器設(shè)計

3.1 基本的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波器

膨脹和腐蝕的不同級聯(lián)可以構(gòu)造出許多新的運算方法。如果先對信號進(jìn)行腐蝕然后再對其進(jìn)行膨脹運算，就構(gòu)成了開運行。反之就構(gòu)成了閉運算。定義如下

開運算可以抑制信號峰值噪聲，閉運算用于抑制信號波谷噪聲。通常采用開一閉運算和閉一開運算對信號進(jìn)行濾波，最后取兩者平均值的混合濾波器作為濾波輸出。即

式中，f為濾波器輸人信號；fend為濾波器輸出信號；g為結(jié)構(gòu)元素。

對應(yīng)于形態(tài)開一閉濾波器，開運算濾除正脈沖噪聲時卻增強了負(fù)脈沖噪聲，若采樣較長的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行閉運算有利于消除增強了的負(fù)脈沖噪聲。因此，如果選用不同大小的結(jié)構(gòu)元素，令后級結(jié)構(gòu)函數(shù)寬度大于前級結(jié)構(gòu)函數(shù)，就可以構(gòu)造一類廣義開一閉和閉一開濾波器。定義如下

式中，g1哿g2、fend表示濾波器輸出信號；f表示濾波器輸入；g1、g2表示2種不同長度的結(jié)構(gòu)元素。

3.2 新型形態(tài)濾波器的構(gòu)建

形態(tài)學(xué)濾波效果與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)元素形狀有著必然的關(guān)系。實際中不同形狀的結(jié)構(gòu)元素對應(yīng)于不同類型噪聲的濾除。而絕緣子泄漏電流信號包含多種噪聲，廣義形態(tài)濾波器采用了一種結(jié)構(gòu)元素，對單一的噪聲有較好的效果。本文選取了不同形狀的結(jié)構(gòu)元素，設(shè)計了一種廣義多結(jié)構(gòu)元素串行復(fù)合形態(tài)濾波器，即

式中，f為原始信號；ffit和fsed分別為經(jīng)過2種不同結(jié)構(gòu)元素濾波之后的信號。g1（1）、g2（1）為一種形狀相同，長度不同的結(jié)構(gòu)元素，且g1（1）哿g2（1）；g1（2）、g2（2）為另外一種形狀相同，長度不同的結(jié)構(gòu)元素，且g1（2）哿g2（2）。

3.3 濾波效果評價方法

為了定量評估形態(tài)學(xué)的濾波效果，采用用一致性系數(shù)對其進(jìn)行評估，定義如下

其中Coef為線性一致性系數(shù)，反映未疊加噪聲時的信號與濾波處理后信號的相似程度，f（n）是未疊加噪聲時的輸入信號，f1（n）是是經(jīng)過形態(tài)學(xué)濾波后的輸出信號。

4 仿真算例及分析

4.1 泄漏電流模擬信號的建立

絕緣子運行過程中的泄漏電流數(shù)據(jù)可以看作是一個時間上連續(xù)變化的離散數(shù)據(jù)序列，其總體上應(yīng)符合工頻正弦量的特征?？紤]到信號傳輸、電磁干擾以及現(xiàn)場設(shè)備的直流偏移量等的影響，可將其視為疊加了一些白噪聲，脈沖噪聲以及直流偏移量的數(shù)據(jù)序列見圖1-2。因此論文仿真時采用以下模擬泄漏電流信號

式中，w1（t）表示脈沖噪聲；ω=314rad/s；sin wt表示待檢測信號；w3（t）表示直流偏移量；w2（t）表示白噪聲。

4.2 結(jié)構(gòu)元素的選取

結(jié)構(gòu)元素的大小和形狀都可能影響濾波效果，通常采用幾何形狀簡單的線形、正方形、圓形等結(jié)構(gòu)元素。結(jié)構(gòu)元素寬度和將要慮除的脈沖噪聲的特性有關(guān)，實際中只要保證大于最大脈沖就能有效地去噪。廣義形態(tài)濾波器后級結(jié)構(gòu)元素寬度為前級結(jié)構(gòu)元素的2倍左右時，濾波效果較好[19]。前級結(jié)構(gòu)元素應(yīng)略大于數(shù)據(jù)中的最大脈沖寬度。因此分別選用寬度為3和6，水平方向夾角為0的線形結(jié)構(gòu)元素；寬度為3和6的正方形結(jié)構(gòu)元素以及半徑為1和2的圓型結(jié)構(gòu)元素對疊加了不同噪聲的泄漏電流信號進(jìn)行降噪處理。

圖13 種不同的結(jié)構(gòu)元素對白噪聲的濾除Fig.1 The filter result comparison of three kinds of structural element for white noise

圖23 種不同的結(jié)構(gòu)元素對脈沖噪聲的濾除Fig.2 The filter result comparison of three kinds of structural element for impulse noise

可見：圓形結(jié)構(gòu)元素對白噪聲和脈沖噪聲的濾除優(yōu)于線形和正方形結(jié)構(gòu)元素,此外，根據(jù)文獻(xiàn)[13-15],對于直流偏移量可以選用長度合適的線形結(jié)構(gòu)元素提取和濾除。

5 實際算例及分析

泄漏電流信號值取自圖3所示絕緣子人工污穢閃絡(luò)試驗。其中T為移圈式調(diào)壓器，TYDY-100/0.5，容量為100kV·A；B為試驗變壓器，YD-100/35, 容量為100kV·A；TV為電壓互感器,原邊/副邊電壓為150kV/100V；試品為4片XP-160絕緣子所加電壓為20.450kV；環(huán)境溫度為11.8℃；相對濕度為60°；鹽密ESDD=0.05（1±0.2）mg/cm2。

圖3 人工污穢試驗接線圖Fig.3 Sketch map of artificial contamination test

實驗選取了染污絕緣子安全區(qū)500個原始泄漏電流數(shù)據(jù)點，如圖4（a）所示。選用廣義多結(jié)構(gòu)元素復(fù)合形態(tài)濾波器，采用長度合適的圓型結(jié)構(gòu)元素和與水平方向夾角為0的線型結(jié)構(gòu)元素對采集到的泄漏電流信號進(jìn)行降噪處理，結(jié)果如圖4（b）所示。可見形態(tài)學(xué)濾波較好的消除了多種噪聲地干擾，識別出了原始信號的基本形狀。

圖4 實際泄漏電流信號和濾波信號Fig.4 Actual leakage current signal and filtering signal

6 結(jié)語

本文采用了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法對絕緣子漏電流進(jìn)行降噪處理，提高了泄漏電流的檢測精度，通過實驗驗證了形態(tài)學(xué)算法的實用性。隨著電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修的不斷實施，精確地對高壓設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行測量成為了必要條件?？梢灶A(yù)見，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法將在電力系統(tǒng)在線檢測與狀態(tài)檢修中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Application of Mathematical Morphology in On-Line Leakage Current Monitoring of Insulators

GUO Wen-yong,DU Ya-jun,WEI Cun-di,CHEN Xiang-hua,YANG Jun-jie
（Weinan Power Supply Bureau，Weinan 714200,Shaanxi Province，China）

The mathematicalmorphology algorithm is introduced to the leakage current monitoring in the security zone and the forecast zone of insulators for advanced the veracity of pollution degree forecast.The disadvantage of severalcommon leakage currentmonitoring methods is analyzed.The corresponding morphology structuring elements is confirmed,and a class of generalized serial complex morphologicalfilterwith multiple structuring elementsis constructed.Simulation results indicated that this filter could improve wave of leakage current signal,which is easily applied in actual project and advanced the veracity of insulators pollution degree forecast.

insulator；leakage current；mathematical morphology；online monitoring；noise

為了提高染污絕緣子污穢程度預(yù)測的準(zhǔn)確性，分析了常用的幾種泄漏電流去噪方法所存在的缺陷，引入了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法，對絕緣子運行過程中安全區(qū)和預(yù)報區(qū)的泄漏電流進(jìn)行了降噪處理，確定了相應(yīng)的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素，構(gòu)造了新型廣義多結(jié)構(gòu)元素串行復(fù)合形態(tài)濾波器。實驗表明：該濾波器較好地改善了泄漏電流信號的波形，易于在實際工程中實現(xiàn)，可進(jìn)一步提高對絕緣子污穢程度預(yù)測的準(zhǔn)確性。

絕緣子；泄漏電流；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)；在線監(jiān)測；噪聲

1674-3814（2011）11-0020-05

TM835

B

2011-07-11。

郭文勇（1976—），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行管理工作；

獨亞軍（1975—），男，助理工程師，從事電力系統(tǒng)運行管理工作。

（編輯 李沈）