基于智能巡視系統(tǒng)的變壓器故障診斷方法

趙永俊，趙書(shū)濤

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

將視頻圖像引入變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，是變電站智能監(jiān)控技術(shù)的巨大進(jìn)步[1]，但現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)只有視頻監(jiān)控功能和錄像功能，包括變電站機(jī)器人在內(nèi)的巡檢,均不能對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行智能化的主動(dòng)識(shí)別分析。機(jī)器人僅僅是將大量的圖像傳輸?shù)秸{(diào)度端，需要操作員時(shí)刻觀(guān)察分析圖像，無(wú)形中增加了操作員的工作負(fù)擔(dān)。另外，由于人眼易疲勞的弱點(diǎn)和人工判斷的主觀(guān)性，難以分辨細(xì)微圖像的灰度變化，客觀(guān)判斷電力設(shè)備表面缺陷的程度，嚴(yán)重影響了電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)分析及對(duì)重要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以下結(jié)合智能巡視系統(tǒng)分析變壓器的故障診斷方法。

1 智能巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

變壓器智能巡視系統(tǒng)主要包含智能伺服控制系統(tǒng)和智能巡視信息處理系統(tǒng)，智能巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 智能巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在變電站內(nèi)，智能伺服控制系統(tǒng)攜帶設(shè)備完成對(duì)變壓器的巡視工作(主要是設(shè)備信息獲取)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)使整個(gè)智能伺服控制系統(tǒng)在指定時(shí)間沿特定軌道出行，按預(yù)定的巡視順序?qū)Νh(huán)境和電氣設(shè)備進(jìn)行巡視。該系統(tǒng)通過(guò)路徑規(guī)劃控制到達(dá)目標(biāo)位置，選擇合適的角度、位置和調(diào)節(jié)焦距拍攝圖像，通過(guò)傳感器采集環(huán)境信息。

智能巡視信息處理系統(tǒng)主要完成信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行報(bào)警和信息上傳，同時(shí)可以使調(diào)節(jié)定位控制系統(tǒng)取得新的路徑信息,再按定位控制算法使智能伺服控制系統(tǒng)沿新的路徑行駛,最終完成整個(gè)巡檢路線(xiàn)的運(yùn)行。

2 變壓器故障診斷方法分析

考慮變電站巡視需求和目前所能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)條件，變壓器智能巡視系統(tǒng)可以采用巡視機(jī)器人或巡視車(chē)的形式,機(jī)器人或巡視車(chē)根據(jù)規(guī)劃路徑到達(dá)指定位置后，智能巡視系統(tǒng)首先調(diào)整云臺(tái)、攝像機(jī)與電氣設(shè)備的相互位置，采集紅外圖像和可見(jiàn)光圖像；仿照人腦識(shí)別變壓器的思維過(guò)程，對(duì)變壓器的圖像進(jìn)行顏色提取，通過(guò)對(duì)大量變壓器的圖像進(jìn)行顏色提取，得到灰色變壓器的顏色范圍,其中紅色分量為[105,140]、藍(lán)色分量為[105,135]、綠色分量為[110,135]，

將上述分量范圍作為標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定閾值，將拍攝到的變壓器圖像顏色范圍與標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行RGB比較[2-3]；將符合范圍的顏色進(jìn)行提取，并判斷圖像的大部分顏色是否為灰色；之后進(jìn)行模板匹配，最后根據(jù)拍攝到的變壓器設(shè)備紅外圖像，結(jié)合可見(jiàn)光的圖像，對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，電氣設(shè)備圖像采集及故障診斷流程見(jiàn)圖2。

圖2 電氣設(shè)備圖像采集及故障診斷流程

2.1 圖像采集

圖像采集由紅外、可見(jiàn)光攝像機(jī)完成，主要負(fù)責(zé)對(duì)變電站內(nèi)的圖像進(jìn)行采集。攝像機(jī)到達(dá)電氣設(shè)備的拍攝位置后，對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行圖像拍攝，發(fā)現(xiàn)故障后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制云臺(tái)和攝像機(jī)再全方位、多角度拍攝圖像，并將含有異常情況的圖像進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 色差分析

色差是指用數(shù)據(jù)來(lái)描述顏色的差別。以下采用RGB 3種顏色的差異來(lái)說(shuō)明待處理圖像與標(biāo)準(zhǔn)灰色之間的顏色差異。即取3種原色色差的均方根作為綜合色差，以綜合色差作為獲得圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像顏色差別的依據(jù)。用(R1，G1，B1)，(R2，G2，B2),分別表示2個(gè)不同顏色，指的是各自顏色的均值。色差公式為

(1)

根據(jù)色差的應(yīng)用范圍，如果ΔE>4，說(shuō)明差距較大，在大部分應(yīng)用中不可用，當(dāng)變電站的變壓器顏色不一致時(shí)，要根據(jù)變電站實(shí)際情況，設(shè)定分級(jí)色差，依次對(duì)變壓器進(jìn)行顏色識(shí)別。為提高識(shí)別效率及判斷的準(zhǔn)確率，在顏色識(shí)別時(shí)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，此技術(shù)可以從數(shù)量上精確分辨顏色，并可以將顏色信息反饋到自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.3 顏色特征識(shí)別

顏色特征作為一個(gè)顯著特征，具有一定的穩(wěn)定性，對(duì)大小、方向都不敏感，用于對(duì)電力設(shè)備的識(shí)別較方便。顏色提取的方法主要有顏色直方圖、顏色矩等。在這里使用的方法是直方圖,直方圖信息不僅可以判斷獲得的圖像是否滿(mǎn)足要求，還可以確定圖像質(zhì)量是否能從背景圖像中分離出物體[4]，利用顏色特征方法對(duì)變電站灰色變壓器進(jìn)行直方圖比較的過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 變壓器圖像及直方圖比較

經(jīng)過(guò)上面的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖3中變壓器的色差小于4，證明和標(biāo)準(zhǔn)顏色基本一致。通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，其他的灰色變壓器與標(biāo)準(zhǔn)顏色范圍比較的色差均小于4，說(shuō)明上述標(biāo)準(zhǔn)范圍能夠?qū)疑儔浩鬟M(jìn)行判斷。隨后將符合范圍內(nèi)的顏色提取，并可根據(jù)提取顏色所在位置坐標(biāo)分割圖像，方便以后進(jìn)行模板匹配。變壓器提取灰色結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4中深灰色部分是變壓器圖像閾值處理后提取的結(jié)果，通過(guò)灰色容差范圍的顏色特征能將變壓器與圖像的背景分離，根據(jù)提取到的顏色面積，可初步判斷圖像的大部分顏色是否在變壓器的灰色系內(nèi)。這樣通過(guò)顏色特征對(duì)圖像中存在的變壓器做出了初步判斷，下一步利用模板匹配進(jìn)一步對(duì)圖像中電氣設(shè)備類(lèi)型進(jìn)行判斷。

圖4 變壓器提取灰色結(jié)果

2.4 模板匹配

模板匹配是將圖像中具有某種特殊特征的某一部分作為模板，或者說(shuō)是模式，然后到待識(shí)別的圖像中去尋找與模板相同的區(qū)域。由于變電站電力設(shè)備圖像背景復(fù)雜、光照經(jīng)常發(fā)生變化，對(duì)某大型電力設(shè)備進(jìn)行識(shí)別時(shí)，采用模板匹配方法。首先找出電力設(shè)備具有特殊特征的模板，并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取圖像后將已知模板和所采集圖像中相同大小的一塊區(qū)域進(jìn)行比對(duì)，看是否滿(mǎn)足要求。

假設(shè)被搜索圖像S的大小為N×N，模板T的大小為M×M，搜索圖像S和模板T如圖5所示。

圖5 搜索圖像及模板

把模板T在搜索圖像S上移動(dòng)，在模板覆蓋下的那塊搜索圖叫做子圖S(i，j)，i,j為這塊子圖的左上角像點(diǎn)在S圖像中的坐標(biāo)，成為參考點(diǎn)，其中i和j的取值范圍為1

一般使用下列公式來(lái)衡量T和S的相似程度，

(2)

圖像識(shí)別開(kāi)始時(shí)，模板的左上角點(diǎn)和圖像的左上角點(diǎn)是重合的，拿模板和原圖像中同樣大小的一塊區(qū)域去比對(duì)，然后平移到下一個(gè)像素，仍然進(jìn)行同樣的操作，直到所有的位置都比對(duì)完后，差別最小的那塊就是要找的物體。

另外為了減小光照變化會(huì)對(duì)模板識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生的影響，使用測(cè)度公式

R(i，j)=

(3)

根據(jù)許瓦茲不等式0≤R(i，j)≤1，當(dāng)且僅當(dāng)S(i，j)(m，n)=KT(m，n)時(shí)，R(i，j)=1。這里的K為標(biāo)量常數(shù)，消除了光照均勻變化對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響。下面是使用模板匹配方法識(shí)別變壓器的過(guò)程。

為增強(qiáng)匹配結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用分級(jí)匹配的方法，匹配策略為選取風(fēng)機(jī)作為匹配對(duì)象，如果可以找到對(duì)應(yīng)圖像，可以直接進(jìn)行判斷是否為變壓器，不必再進(jìn)行下級(jí)匹配，如果所拍到的圖像為變壓器的上面部分，則進(jìn)行電壓互感器的匹配。根據(jù)上面的處理，對(duì)圖3中的變壓器圖像進(jìn)行模板匹配，匹配后的圖像見(jiàn)圖6。

圖6 匹配后圖像

在圖3變壓器圖像中，當(dāng)識(shí)別開(kāi)始時(shí)，模板按從左到右，從上到下的順序依次從獲取圖像中移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算R(i,j)的值來(lái)判斷圖像中是否存在正在尋找的識(shí)別目標(biāo)物體，當(dāng)R(i,j)的值與所設(shè)定的區(qū)間范圍符合時(shí)，就認(rèn)為圖像中存在與模板相匹配的物體。圖6中，通過(guò)模板匹配的方法找到了圖像中與所選擇模板匹配的目標(biāo)圖像，并進(jìn)行標(biāo)記。從所拍攝的圖像中找到這2種模板，即可以判斷所獲取圖像是否為變壓器。

2.5 故障診斷

識(shí)別出變壓器后，利用同時(shí)拍攝到的變壓器紅外圖像[5]，對(duì)故障進(jìn)行分析，使用的方法為相對(duì)溫差法。

當(dāng)環(huán)境溫度較低，尤其是在負(fù)荷電流較小的情況下，設(shè)備的溫度值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，但大量事實(shí)證明，環(huán)境溫度增長(zhǎng)或負(fù)荷增加后，往往會(huì)引起設(shè)備故障。此時(shí)應(yīng)該求取設(shè)備的溫差，利用相對(duì)溫差法判斷設(shè)備運(yùn)行情況，該方法是一種橫向比法，更適用于電流型電氣設(shè)備。

設(shè)2臺(tái)電氣設(shè)備狀況(型號(hào)、安裝地點(diǎn)、環(huán)境溫度、表面狀況和負(fù)荷電流等)相同或基本相同，計(jì)算出2個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差，取溫差與其中較熱測(cè)點(diǎn)溫升比值的百分?jǐn)?shù)，其表達(dá)式為

(4)

式中：τ1、T1分別為發(fā)熱異常點(diǎn)的溫升和溫度；τ2、T2分別為正常狀態(tài)下對(duì)應(yīng)設(shè)備點(diǎn)的溫升和溫度；T0為環(huán)境溫度。將δT的值與電流致熱型設(shè)備的相對(duì)溫差判據(jù)(見(jiàn)表1)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否發(fā)生故障，如果發(fā)生故障，要說(shuō)明缺陷類(lèi)型，并針對(duì)缺陷類(lèi)型安排檢查和維修。

表1 電流致熱型設(shè)備的相對(duì)溫差判據(jù)

設(shè)備類(lèi)型相對(duì)溫差值一般缺陷重大缺陷緊急缺陷SF6斷路器≥20%≥80%≥95%真空斷路器≥20%≥80%≥95%充油套管≥20%≥80%≥95%高壓開(kāi)關(guān)柜≥35%≥280%≥95%隔離開(kāi)關(guān)≥35%≥80%≥95%其他導(dǎo)電設(shè)備≥35%≥80%≥95%

變壓器紅外圖像見(jiàn)圖7，使用紅外圖像處理軟件分析圖像7中的溫度[6]，紅外圖像檢測(cè)溫度子界面見(jiàn)圖8。尋找到最高溫度坐標(biāo)為[80,99],溫度為46 ℃，位于U相,以此點(diǎn)適當(dāng)擴(kuò)展鄰域范圍，構(gòu)成一個(gè)最高溫度區(qū)域。

由歷史數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)?cè)擖c(diǎn)溫度為27 ℃，使用式(1)相對(duì)溫差法計(jì)算相對(duì)溫差，環(huán)境溫度為25 ℃，則有將δΤ與上面表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，δΤ>80%，屬于重大缺陷，應(yīng)及時(shí)報(bào)警，并將故障圖像存儲(chǔ)或通過(guò)通信設(shè)備發(fā)給工作人員，及時(shí)安排維修。經(jīng)查找該缺陷的原因是由于隔離開(kāi)關(guān)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有操作，造成氧化和銹蝕引起了過(guò)熱現(xiàn)象，維修處理后恢復(fù)正常。

圖7 紅外圖像

圖8 紅外圖像檢測(cè)溫度子界面

(5)

3 存在的問(wèn)題及建議

基于智能巡視系統(tǒng)的變壓器故障診斷方法能夠完成對(duì)站內(nèi)電氣設(shè)備的紅外圖像、可見(jiàn)光圖像的拍攝、存儲(chǔ)和處理，通過(guò)圖像分析可以發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行中的異常和存在的缺陷，但該方法還存在一些不足之處，如發(fā)現(xiàn)的故障僅局限為熱故障，發(fā)現(xiàn)熱故障點(diǎn)后無(wú)法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，模板匹配的快速算法及匹配準(zhǔn)確性有待提高等。在以后的工作中，需要對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究，并建議對(duì)變壓器聲音采集、分析及變壓器環(huán)境圖像全面分析進(jìn)行深入研究，使無(wú)人值守變電站真正實(shí)現(xiàn)智能化巡檢。

參考文獻(xiàn)：

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