绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置、系统及检测方法与流程

1.本发明属于配电装备检测领域，具体涉及一种绝缘子憎水性检测辅助喷水 控制装置、系统及检测方法。


背景技术：

2.现代化的输电线路及变电站管理对于复合绝缘子劣化问题极为重视，一旦 因为绝缘劣化失修而导致电力设备的绝缘性能下降，就极有可能引发绝缘闪络 等事故，随之而来的安全隐患以及经济损失将不可估量。因此复合绝缘子的良 好运行有助于保障整个电力系统的安全和稳定。结合当前对复杂环境下复合绝 缘子性能退化、劣化的评价需要，加强复合绝缘子监测及劣化评价方法、尽力 消除一切故障隐患是保障复合绝缘子正常工作、电力系统稳定运行的关键。
3.复合绝缘子的运行寿命一般是15-20年，但是在一些高海拔、重污秽、高 温、高湿地区，复合绝缘子表面老化速度会明显加剧。近几年多次出现复合绝 缘子芯棒脆断、伞裙龟裂、伞裙粉化现象，严重危害架空线路安全稳定运行。 复合绝缘子的老化检测一般采用对憎水性的检测；对于输电运检班组，通常在 停电检修时抽取部分运行年限较长的复合绝缘子样品送至电力科学研究院进行 喷水分级试验，来测试获得运行绝缘子的憎水性，从而评估其老化程度。该方 法检测周期长，不够灵活，效率低下，对于输电运检部分，无法及时、快速、 高效地获取现场运行绝缘子的表面憎水性情况，从而采取相应的运维措施。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种高效快速的绝缘子憎水性检测辅助喷水控 制装置，该装置通过在带电情况下对绝缘子进行喷水，从而进行后续的憎水性 检测。本发明的目的之二在于提供一种基于所述的绝缘子憎水性检测辅助喷水 控制装置的系统。本发明的目的之三在于提供一种基于所述的绝缘子憎水性检 测辅助喷水控制装置或系统的检测方法。
5.本发明提供的这种绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置，包括电源模块、 控制模块、通信模块和动作模块；电源模块为所述绝缘子憎水性检测辅助喷水 控制装置供电；所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置安装于无人机上；控 制模块分别连接通信模块与动作模块，通信模块将地面输出的控制信号发送到 控制模块中，控制模块输出控制模块输出到动作模块中，动作模块控制水泵对 绝缘子喷水。
6.电源模块包括型号为tps562200的第一降压转换器、型号为xc6201的电 压调整器、型号为tps562200的第二降压转换器和型号为lm3478的开关稳压 器；电源模块从无人机取电，并采用无人机电源为所述绝缘子憎水性检测辅助 喷水控制装置供电；第一降压转换器将电源 8.4v转换为电源 4v；电压调整器 连接电源 4v并将电源 4v转换为电源 3v3；第二降压转换器将电源 8.4v转 换为电源 5v；升压转换器将电源 8.4v转换为电源 12v；通信模块采用型号为 e22-400t22s的无线芯片；控制模块包括型号为stm32f103rbt6的单
片机。
7.动作模块包括水泵动作电路和阀门动作电路；每一路动作电路包括开关电 路、隔离电路、放大电路和驱动电路；开关电路包括开关三极管，并用于控制 电路通断；隔离电路包括光电耦合器，并用于隔离信号；水泵放大电路包括放 大三极管，并用于放大信号；驱动电路包括水泵继电器，并用于驱动；
8.动作模块包括，水泵第一终端电阻的一端连接水泵控制信号，另一端连接 水泵开关三极管的基极；水泵开关三极管的集电极连接水泵指示灯的阴极，水 泵指示灯用于指示水泵通断；水泵光电耦合器原边的一端串接水泵第一上拉电 阻后连接电源模块并取电，水泵光电耦合器的原边的另一端连接水泵指示灯的 阳极；水泵光电耦合器的副边的一端串接水泵第二上拉电阻后连接电源模块； 水泵光电耦合器的副边的另一端串接水泵第一分压电阻后连接水泵放大三极管 的基极；水泵第二分压电阻的一端连接水泵放大三级管的基极，另一端接地； 水泵第一分压电阻和水泵第二分压电阻用于分压；水泵稳压二极管的阴极连接 电源模块并取电，水泵稳压二极管的阳极连接水泵放大三极管的集电极，水泵 稳压二极管用于稳压；水泵放大三极管的发射极接地；水泵继电器的线圈的一 端连接电源模块并取电，水泵继电器的线圈的另一端连接水泵放大二极管的集 电极；水泵继电器的第一开关端为公共端，与水泵继电器的第二开关端、第三 开关端或第四开关端组成开关；水泵继电器的第二开关端连接水泵继电器的第 三开关端；水泵继电器的第二开关端和水泵继电器的第三开关端为常闭开关端， 分别与水泵继电器的公共端组成常闭开关；水泵继电器的第四开关端为常开开 关端，水泵继电器的第四开关端与第一开关端组成常开开关；在本实施例中水 泵的电源接口的一端连接水泵继电器的第一开关端，水泵的电源接口的另一端 连接水泵继电器的第四开关端；当控制模块输出水泵控制信号时，控制水泵开 关三极管从集电极到发射极通电，水泵光电耦合器的原边上电；水泵光电耦合 器的副边上电时，通过水泵放大三极管放大电流后驱动水泵继电器的线圈上电， 水泵继电器的常开开关闭合，从而外界水泵上电，水泵开始抽水、给水管增压； 阀门动作电路与水泵动作电路的连接方式相同，阀门动作电路包括阀门继电器； 外界阀门的一端连接阀门继电器的公共端，阀门的另一端连接阀门继电器的常 闭开关端。
9.本发明还提供了一种基于所述的绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置的系 统，包括喷头、碳纤维管、水泵、水箱、无人机连接器、快拆装置、控制板、 天线和外保护壳；外保护壳用于固定所述系统；水箱箱体上安装有碳纤维管， 并将水通过水泵运输到喷头中喷出，喷头上安装有阀门；水泵连接控制板并由 控制板控制，控制板包括了所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置；控制板 连接天线并通过天线与外界通信；所述系统通过无人机连接器连接到无人机， 无人机进行拍摄、数据传输并提供电源；无人机连接器通过快拆装置连接外保 护壳，快拆装置的上部与无人机连接器的连接处安装有活扣。
10.所述的无人机连接器的上表面为十字形板，十字形板的边缘有4个固定孔， 对无人机和无人机连接器进行机械固定，十字形板的中间有供电让位孔，供电 电缆的一端连接无人机，另一端依次透过十字形板的供电让位孔和快拆装置的 供电让位孔使无人机为所述系统供电。
11.本发明还提供了一种基于所述的绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置或系 统的检测方法，包括如下步骤：
12.s1.通过所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置或系统进行喷水，并通过 无人机拍摄，获取绝缘子喷水后表面图像；
13.s2.对绝缘子喷水后表面图像进行图像预处理；
14.s3.识别绝缘子喷水后表面图像的待测水滴区域；
15.s4.配置水滴特征参量，并输入到待测水滴区域进行阈值比对；
16.s5.输出待测绝缘子憎水性分级结果。
17.所述的步骤s2，包括对绝缘子表面图像进行灰度化处理，用于滤除色彩信 息；进行中值滤波，用于滤除现场光照及其他物体的干扰；进行高斯平滑，在 对目标图像的噪声进行抑制；进行边缘检测，具体包括采用膨胀腐蚀算法，连 接边缘，提取出水滴区域范围，进一步分析识别区域，获取水滴集中分布区域。
18.所述的步骤s3，包括采用霍夫形状识别，通过识别几何形状获得待测水滴 区域的基本参数，包括形状、尺寸和数量。
19.所述的步骤s4，包括提取特征参数，获得憎水性等级对应的特征参量阈值， 并与待测水滴区域进行阈值比对。
20.所述的步骤s4包括，水滴特征参量包括偏移矢量的最大值；在待测形状的 边沿随机选取若干个点，计算每个形状区域的偏移矢量的最大值r(φ)
max
，选取 小于设定阈值的形状作为一个水滴，计算水滴数量。
21.所述的步骤s5包括，憎水性等级参数包括水滴密度k和水滴面积比t：
22.水滴密度k为：
[0023][0024]
其中，num表示水滴的识别数量；s表示分割后的水滴区域总面积。
[0025]
水滴面积比t为：
[0026][0027]
其中，si表示第i个水滴在图片上呈现出的表面积；num表示水滴的识别数 量；s表示分割后的水滴区域总面积；通过水滴密度k和水滴面积比t判断待 测绝缘子的憎水性。
[0028]
本发明提供的这种绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置、系统及检测方法， 利用无人机搭载的喷水装置对绝缘子喷水，无人机拍摄，并通过图像处理判断 憎水性情况，从而帮助对绝缘子的老化情况进行判断。本发明能够在带电情况 下进行检测，直接在现场确认其憎水性等级，克服了传统定期送检的缺点和局 限性。检测过程快捷高效，同时准确性高，克服了时间空间的限制，丰富了输 电运检部门的智能运维技术手段，同时为绝缘子老化评估及运维也提供了直接 指导。
附图说明
[0029]
图1为本发明装置的功能模块示意图。
[0030]
图2为本发明装置的电源模块的电路示意图。
[0031]
图3为本发明装置的通信模块的电路示意图。
[0032]
图4为本发明装置的控制模块的电路示意图。
[0033]
图5为本发明装置的动作模块的电路示意图。
[0034]
图6为本发明系统的结构主视图。
[0035]
图7为本发明系统的无人机连接器的放大图。
[0036]
图8为本发明系统的后视内部示意图。
[0037]
图9为本发明方法的流程示意图。
[0038]
图10为本发明实施例的原图像示意图。
[0039]
图11为本发明实施例的预处理后的图像示意图。
[0040]
图12为本发明实施例的边缘检测后的图像示意图。
[0041]
图13为本发明方法的霍夫形状识别示意图。
[0042]
图14为本发明实施例的使用示意图。
具体实施方式
[0043]
如图1为本发明装置的功能模块示意图：本发明提供的这种绝缘子憎水性 检测辅助喷水控制装置，包括电源模块、控制模块、通信模块和动作模块；电 源模块为所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置供电；所述绝缘子憎水性检 测辅助喷水控制装置安装于无人机上；控制模块分别连接通信模块与动作模块， 通信模块将地面输出的控制信号发送到控制模块中，控制模块输出控制模块输 出到动作模块中，动作模块控制水泵对绝缘子喷水。
[0044]
如图2为本发明装置的电源模块的电路示意图。电源模块包括型号为 tps562200的第一降压转换器u6、型号为xc6201的电压调整器u7、型号为 tps562200的第二降压转换器u4和型号为lm3478的开关稳压器u5；电源模 块从无人机取电，并采用无人机电源为所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装 置供电；第一降压转换器将电源 8.4v转换为电源 4v；电压调整器连接电源 4v 并将电源 4v转换为电源 3v3( 3.3v)；第二降压转换器将电源 8.4v转换为 电源 5v；升压转换器将电源 8.4v转换为电源 12v。
[0045]
第一降压转换器u6的3脚(输入端)连接电源 8.4v并取电， 8.4v电源 为无人机输出电源；第一降压转换器的5脚(使能端)串接电源第一分压电阻 r58后连接电源 8.4v；第一降压转换器的5脚串接电源第二分压电阻r60后接 地；电源第一分压电阻和电源第二分压电阻用于分压；第一降压转换器的2脚 (输出端)串接电源第一滤波电感l6后输出电源 4v；电源第一滤波电感用于 滤波；电源第一采样电阻r59的一端连接电源 4v，另一端连接第一降压转换 器的4脚(反馈端)；电源第二采样电阻r61的一端连接第一降压转换器的4脚， 另一端接地；电源第一采样电阻和电源第二采样电阻用于采样，并将采样电压 反馈到第一降压转换器中；电源第一滤波电容c49的一端连接电源 8.4v，另一 端接地并滤波；电源第二滤波电容c50的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤 波；电源第三滤波电容c51的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波；电源第 四滤波电容c46的一端连接第一降压转换器的2脚，另一端连接第一降压转换 器的6脚并滤波；电源第五滤波电容c47的一端连接电源 4v，另一端接地并 滤波；电源第六滤波电容c48的一端连接电源 4v，另一端接地并滤
波。
[0046]
电压调整器u7的1脚(输入端)连接电源 4v，电压调整器的2脚(接地 端)接地；电压调整器的5脚(输出端)输出电源 3v3；电源第七滤波电容c55 的一端连接电源 4v，另一端接地并滤波；电源第八滤波电容c52的一端连接 电源 4v，另一端接地并滤波；电源第九滤波电容c53的一端连接电源 3v3， 另一端接地并滤波；电源第十滤波电容c54的一端连接电源 3v3，另一端接地 并滤波。
[0047]
第二降压转换器u4的3脚(输入端)连接电源 8.4v并取电， 8.4v电源 为无人机输出电源；第二降压转换器的5脚(使能端)串接电源第三分压电阻 r48后连接使能信号en_5v；第二降压转换器的5脚串接电源第四分压电阻r51 后接地；电源第三分压电阻和电源第四分压电阻用于分压；第二降压转换器的2 脚(输出端)串接电源第二滤波电感l5后输出电源 5v；电源第二滤波电感用 于滤波；电源第一滤波电阻的一端连接电源 5v，另一端输出电源vcc_5v；电 源第二滤波电阻的一端连接电源 5v，另一端连接电源vcc_5v；电源第三采样 电阻r50的一端连接电源 5v，另一端连接第二降压转换器的4脚(反馈端)； 电源第四采样电阻r54的一端连接第二降压转换器的4脚，另一端接地；电源 第三采样电阻和电源第四采样电阻用于采样，并将采样电压反馈到第二降压转 换器中；电源第十一滤波电容c38的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波； 电源第十二滤波电容c39的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波；电源第十 三滤波电容c34的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波；电源第十四滤波电 容c35的一端连接第一降压转换器的2脚，另一端连接第一降压转换器的6脚 并滤波；电源第十五滤波电容c36的一端连接电源 5v，另一端接地并滤波； 电源第十六滤波电容c37的一端连接电源 5v，另一端接地并滤波。
[0048]
开关稳压器u5的8脚(输入端)连接电源 8.4v并取电， 8.4v电源为无 人机输出电源；开关稳压器的4脚和5脚接地；开关稳压器的6脚连接场效应 管q5的栅极并输出开关控制信号；电源第五分压电阻r49的一端连接开关稳压 器的1脚，另一端连接场效应管的源级；电源第六分压电阻r53的一端连接场 效应管的源级，另一端接地；电源第五分压电阻和电源第六分压电阻用于分压； 电源第一整流二极管d12的阳极连接场效应管的漏极，电源第一整流二极管d12 的阴极输出电源 12v，电源第一整流二极管用于整流；电源第五采样电阻r52 的一端连接电源 12v，另一端连接开关稳压器的3脚(反馈端)；电源第六采样 电阻r57的一端连接开关稳压器的3脚，另一端接地；电源第五采样电阻和电 源第六采样电阻进行采样；开关稳压器的7脚串接电源下拉电阻r56后接地； 电源第十七滤波电容c43的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波；电源第十 八滤波电容c40的一端连接电源 8.4v，另一端接地并滤波；电源第十九滤波电 容c41的一端连接开关稳压器的2脚，另一端接地并滤波；电源第二十滤波电 容c42的一端连接开关稳压器的2脚，另一端连接电源第一滤波电阻的一端并 滤波，电源第一滤波电阻的另一端接地；电源第三滤波电感l4的一端连接电源 8.4v，另一端连接电源第一整流二极管的阳极；电源第二十一滤波电容c45的 一端连接开关稳压器的青椒，另一端接地并滤波；电源第二十二滤波电容c44 的一端连接电源 12v，另一端接地并滤波；开关稳压器的6脚输出开关控制信 号，控制场效应管由漏极到源级的电流通断，控制电源 12v的输出。
[0049]
如图3为本发明装置的通信模块的电路示意图。通信模块采用型号为 e22-400t22s的无线芯片u10；无线芯片接收地面的无人机控制器输出的无线信 号，并传输到控
制模块中处理；无线芯片的10脚连接电源 3v3并取电；无线 芯片的1脚、2脚、3脚、4脚、11脚、13脚、19脚、20脚和21脚接地；无线 芯片的5脚连接控制模块输出的模式选择信号m0，无线芯片的6脚连接控制模 块输出的模式选择信号m1，无线芯片的7脚连接控制模块输出的数据输入信号 rx，无线芯片的8脚输出数据输出信号tx到控制模块中，无线芯片的9脚输 出驱动信号aux到控制模块中；通信第一上拉电阻r79的一端连接电源 3v3 并取电，另一端连接无线芯片的5脚；通信第二上拉电阻r80的一端连接电源 3v3并取电，另一端连接无线芯片的6脚；无线芯片的5脚接地；无线芯片的 6脚接地；无线芯片的21脚连接天线并与外界通信；通信第一滤波电容c66的 一端连接电源 3v3，另一端接地并滤波；通信第二滤波电容c67的的一端连接 电源 3v3，另一端接地并滤波。
[0050]
如图4为本发明装置的控制模块的电路示意图。控制模块包括型号为 stm32f103rbt6的单片机u3；单片机的1脚、19脚、32脚、48脚和64脚连 接电源 3v3；单片机的13脚串接控制第一滤波电感l2后连接电源 3v3并取 电；单片机的12脚串接控制第二滤波电感l3后接地；单片机的18脚、31脚、 47脚和63脚接地；单片机的42脚连接信号stm32_rx，单片机的43脚连接 信号stm32_tx，信号stm32_rx和信号stm32_tx连接通信模块，并进行 通信；单片机的44脚连接无线芯片的9脚，并输入单片机控制信号aux；单片 机的45脚输出水泵控制信号in1；单片机的46脚连接下载数据信号swdio； 单片机的49脚连接下载时钟信号swclk，用于时钟同步；晶体振荡器y1的 一端连接单片机的5脚，另一端连接单片机的6脚，用于输出晶振信号；控制 第一滤波电容c25的一端连接单片机的5脚，另一端接地并滤波；控制第二滤 波电容c26的一端连接单片机的6脚，另一端接地并滤波；单片机的54脚输出 阀门控制信号in2；控制第一下拉电阻r45的一端连接单片机的60脚，另一端 接地；控制第三滤波电容c27的一端连接单片机的7脚，另一端接地并滤波； 控制第四滤波电容c28的一端连接电源 3v3，另一端接地并滤波；控制第五滤 波电容c29的一端连接电源 3v3，另一端接地并滤波；控制第六滤波电容c30 的一端连接电源 3v3，另一端接地并滤波；控制第七滤波电容c31的一端连接 电源 3v3，另一端接地并滤波；控制第八滤波电容c32的一端连接单片机的13 脚，另一端接地并滤波；控制第九滤波电容c33的一端连接单片机的13脚，另 一端接地并滤波；单片机的61脚输入使能信号en_5v；电源 3v3依次串接指 示灯保护电阻r44和指示灯d11后连接单片机的34脚；单片机的39脚连接无 线芯片的5脚并输出模式选择信号m0，单片机的40脚连接无线芯片的6脚并 输出模式选择信号m1。
[0051]
如图5为本发明装置的动作模块的电路示意图。动作模块包括水泵动作电 路和阀门动作电路；水泵动作电路包括水泵开关电路、水泵隔离电路、水泵放 大电路和水泵驱动电路；水泵开关电路包括水泵开关三极管q11，并用于控制 电路通断；水泵隔离电路包括水泵光电耦合器u12，并用于隔离信号；水泵放 大电路包括水泵放大三极管q13，并用于放大信号；水泵驱动电路包括型号为 sla-5vdc的水泵继电器u11，并用于驱动水泵；具体包括水泵第一终端电阻 r85的一端连接水泵控制信号in2，另一端连接水泵开关三极管的基极；水泵开 关三极管的集电极连接水泵指示灯d22的阴极，水泵指示灯用于指示水泵通断； 水泵光电耦合器原边的一端(u12的1脚)串接水泵第一上拉电阻r82后连接 电源 5v并取电，水泵光电耦合器的原边的另一端(u12的2脚)连接水泵指 示灯的阳极；水泵光电耦合器的副边的一端(u12的4脚)串接水泵第二上拉 电阻r81后连接电源vcc_5v；水泵光电耦合器的副边的另一端(u12的3脚) 串接水泵第一分压电阻r84后连接水泵放大三极管的基极；水泵第
管；水泵的供电电压24v、功率60w、最大压力0.68mpa；考虑到无人机的荷 载及飞行稳定性，水箱容积为1.6l。
[0054]
如图9为本发明方法的流程示意图。本发明还提供了一种基于所述绝缘子 憎水性检测辅助喷水控制装置或系统的检测方法，包括如下步骤：
[0055]
s1.通过所述绝缘子憎水性检测辅助喷水控制装置或系统进行喷水，并通过 无人机拍摄，获取绝缘子喷水后表面图像；
[0056]
s2.对绝缘子喷水后表面图像进行图像预处理；
[0057]
s3.识别绝缘子喷水后表面图像的待测水滴区域；
[0058]
s4.配置水滴特征参量，并输入到待测水滴区域进行阈值比对；
[0059]
s5.输出待测绝缘子憎水性分级结果。
[0060]
如图10为本发明实施例的原图像示意图。如图11为本发明实施例的预处 理后的图像示意图。如图12为本发明实施例的边缘检测后的图像示意图。所述 的步骤s2，包括对绝缘子表面图像进行灰度化处理，用于滤除色彩信息；进行 中值滤波，用于滤除现场光照及其他物体的干扰；进行高斯平滑，在尽量保留 图像细节特征的条件下对目标图像的噪声进行抑制；进行边缘检测，采用膨胀 腐蚀算法，连接边缘，提取出水滴区域范围，进一步分析识别区域，获取水滴 集中分布区域；所述的步骤s3，包括采用霍夫形状识别，通过识别几何形状获 得待测水滴区域的基本参数，包括形状、尺寸和数量等；所述的步骤s4，包括 提取特征参数，获得憎水性等级对应的特征参量阈值，并与待测水滴区域进行 阈值比对。
[0061]
如图13为本发明方法的霍夫形状识别示意图。所述的步骤s3，包括如下步 骤：对水滴或水膜进行霍夫任意形状检测：
[0062][0063]
其中，(a,b)为形状边沿任意一点的坐标，(x0,y0)为形状边沿的另一点的坐 标；φ表示点(a,b)的切线方向与水平线之间的角度；r(φ)表示从点(a,b)到点 (x0,y0)的偏移矢量；α(φ)表示偏移矢量与水平线之间的角度，α,φ∈[0,2π)。
[0064]
所述的步骤s4包括，本实施例中阈值选取偏移矢量的最大值为水滴特征参 量；在待测形状的边沿随机选取若干个点，在本实施例中选10个点，计算每个 形状区域的偏移矢量的最大值r(φ)
max
，阈值为1cm，选取r(φ)
max
＜1cm的形状作 为一个水滴，计算水滴数量。
[0065]
所述的步骤s5包括，憎水性等级参数包括水滴密度k和水滴面积比t：
[0066]
水滴密度k为：
[0067][0068]
其中，num表示水滴的识别数量；s表示分割后的水滴区域总面积。
[0069]
水滴面积比t为：
[0070][0071]
其中，si表示第i个水滴在图片上呈现出的表面积；num表示水滴的识别数 量；s表示分割后的水滴区域总面积；通过水滴密度k和水滴面积比t判断待 测绝缘子的憎水性。
[0072]
如图14为本发明实施例的使用示意图。现场使用表明，在距离绝缘子串4 米左右可以实现良好的喷洒湿润功能。本发明具有很强的工程实际价值，操作 简单，使用方便，对于运行年限较长、且无法直接从外观上判定老化程度的绝 缘子，可以通过该方法直接在现场确认其憎水性等级，克服了传统定期送检的 缺点和局限性，大大丰富了输电运检手段，可为电力系统安全稳定运行保驾护 航。