一种变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法与流程

1.本发明涉及变电站电力设备检测技术领域。


背景技术：

2.为合理分配电力供需，电网企业对超高压、特高压、直流输电线路的铺设逐渐增加， 风能、太阳能等新能源并网呈几何数量增涨，对交、直流变电站电力设备的安全稳定提出 了更高要求。传统的变电站电力设备检测方法包括电气量、示温蜡片、红外测温等，智能 电网的建设推进需要在传统检测技术的基础上集成应用精准量测、知识提取、分析判断等 高级功能，上述变电站电力设备检测方法虽然在实时温度测量方面具有良好效果，但对设 备故障、缺陷和火险识别能力不足，缺乏对火险的分析判断，可能存在设备故障或缺陷发 现不及时、火险成灾后造成设备或人身伤害的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有方法对设备缺陷及火险识别能力不足问题，提供了一种 变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法。
4.本发明的一种变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法，具体步骤如下：
5.步骤一、通过建立混合高斯背景图像模型对变电站内待检测区域的电力设备故障进行 定位；
6.步骤二、采集变电站内待检测区域的高温点亚像元图像，并计算高温点的温度和面积； 高温点亚像元图像为高温点所形成光斑于相机探测像元上形成的图像；
7.步骤三、通过高温点的温度和面积构建温升火险特征；温升火险特征包括高温点的温 度变化量和火焰形状变化特征量；
8.步骤四、当温升火险特征中火焰形状变化特征量不为零，判断存在火险，否则不存在 火险；
9.其中，火焰形状变化特征量为一段时间内高温点的面积的变化量。
10.本发明的有益效果是：
11.针对现有变电站电力设备检测方法对设备缺陷识别能力不足及火险分析缺乏的情况， 提出了能够实现火险研判与红外测温的变电站电力设备综合检测方法，避免由于设备缺陷 发现不及时以及火险成灾后造成的设备或人身伤害。
附图说明
12.图1为本发明一种变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法中变电站电力 设备不同阶段温升特性曲线图；
13.图2为变压器渗漏油故障定位效果图；
14.图3为远距离、小面积设备发热点检测效果图；
15.图4为变压器温升预警效果图；
16.图5为t型线夹过温告警效果图；
17.图6为远距离火点检测图。
具体实施方式
18.本实施方式的一种变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法，具体步骤如下：
19.步骤一、通过建立混合高斯背景图像模型对变电站内待检测区域的电力设备故障进行 定位；
20.步骤二、采集变电站内待检测区域的高温点亚像元图像，并计算高温点的温度和面积； 高温点亚像元图像为高温点所形成光斑于相机探测像元上形成的图像；
21.步骤三、通过高温点的温度和面积构建温升火险特征；温升火险特征包括高温点的温 度变化量和火焰形状变化特征量；
22.步骤四、当温升火险特征中火焰形状变化特征量不为零，判断存在火险，否则不存在 火险；
23.其中，火焰形状变化特征量为一段时间内高温点的面积的变化量。
24.具体地，通过构建不同阶段的温升特征，定义设备缺陷和火险等级，在设备缺陷和火 险形成的不同阶段发出预警或告警信息，有利于及时采取措施排除异常和险情。
25.本实施方式中，根据变电站电力设备的技术标准，变电站电力设备在工作阶段不同阶 段的温升特征曲线如图1所示，根据不同阶段的温升特征划分设备缺陷及火险等级的具体 过程为：
26.1、在0～a正常状态阶段检测到存在温升火险特征时，表示变电站电力设备正常运行 的温度变化；
27.2、在a～b缓慢升温阶段检测到存在温升火险特征时，表示变电站电力设备存在一般 缺陷，触发温升预警，若同时存在火焰形状变化特征，则存在热量聚集的火险隐患；
28.3、在b～c快速升温阶段检测到存在温升火险特征时，表示变电站电力设备存在重大 缺陷，触发过温告警，若存在火焰形状变化特征，则可能出现热量扩散慢的一般火险；
29.4、在c～d温度升停阶段检测到存在温升火险特征时，表示变电站电力设备存在面临 失灵或停运风险，触发严重过温告警，若存在火焰形状变化特征，则可能出现热量扩散快 的严重火险。
30.同时，如果现场有其他高温点，火源等，也可以通过温升火险特征当温升火险特征中 火焰形状变化特征量不为零检测出来。
31.进一步地，步骤一中对电力设备故障进行定位具体步骤如下：
32.步骤一一、通过相机拍摄变电站内待检测区域的电力设备获得检测视频，对检测视频 中各帧建立混合高斯背景图像模型，将电力设备定义为混合高斯背景图像的前景，将其余 区域定义为混合高斯背景图像的背景；其余区域为混合高斯背景图像中除电力设备以外区 域；
33.步骤一二、利用当前帧和视频序列中的当前背景帧进行加权平均，得到临时背景，持 续更新临时背景，直至临时背景的差值累积超过设定背景阈值时，更新永久背景，进而
对 电力设备故障进行定位。
34.具体地，是利用混合高斯建模确定背景图像模型参数，通过更新临时背景和永久背景 实现故障目标的定位。上述故障是指变电站电力设备的破损或漏油等故障。
35.即建立混合高斯背景图像模型，通过背景更新进行故障定位，具体过程为：
36.设有随机变量x，则风、雨雪、雾、霾、云的混合高斯背景模型可以用下式表示：
[0037][0038][0039]
其中，n(xi|μk，∑i)为混合模型的第i个分量，μk为该分量概率，πi为混合系数，k 为分量个数。
[0040]
将待检测目标定义为前景，即故障可疑区，图像中其余区域为背景，利用当前帧和视 频序列中的当前背景帧进行加权平均来更新背景，先更新临时背景，当临时背景与永久背 景的差值累积超过设定阈值时，再更新永久背景，使永久背景在复杂的环境中不被轻易污 染。从而进行故障定位。
[0041]
进一步地，步骤三中，具体通过下式构建温升火险特征：
[0042]
if＝w1s w2c w3a w4d w5δt w6δs
[0043]
其中，s为高温点的面积、c为高温点的圆形度、a为高温点的尖角、d为高温点的 质心偏移、δt为一段时间内高温点的温度变化量；δs为火焰形状变化特征量；且wj， j＝1,2,
…
,6为权重因子，wj＞0，w1 w2 w3 w4 w5 w6＝1。
[0044]
具体地，c＝l2/s
[0045][0046][0047]
δt＝(t
t δt-t
t
)/δt
[0048]
δs＝(s
t δt-s
t
)/δt
[0049]
其中，f(x)为高温点的形状函数，xm为极值点；l为高温点的周长；∑mx/∑x、 ∑my/∑y分别为高温点分别在x、y轴方向质心；t
t δt-t
t
为当前时刻与δt时刻后的温 度总变化量；s
t δt-s
t
为当前时刻与δt时刻后的火焰形状总变化量；wj，j＝1,2,
…
,6为权 重因子，上述的一段时间即为δt。火焰形状变化特征由火焰形状变化特征量来表征。
[0050]
即s可以通过f(x)双重积分求得，而f(x)可以通过拟合方法得到。
[0051]
进一步地，步骤二中计算高温点的温度具体方法如下：
[0052]
步骤二一、在高温点亚像元图像中选择一个条件域，使得条件域满足ta≤tc≤tb；其 中，tc为条件域内平均灰度值，ta为条件域内的最小灰度值，tb为条件域内的最大灰度 值；
[0053]
步骤二二、计算ta和tb的平方平均阈值tn，判断是否tn＝tc；
[0054]
若tn＝tc，则所平均灰度值tc映射的温度为高温点的温度；
[0055]
否则返回执行步骤11重新选择条件域，直至得到高温点的温度；且每次重新选择的 条件域与已选择的条件域中的平均灰度值tc不相等。
[0056]
具体地，事先确定高温点亚像元图像灰度与温度的映射关系。
[0057]
然后选择平均灰度作为初始值tc，在满足灰度值ta≤tc≤tb的条件域内，计算ta和tb的平方平均阈值tn，当tn＝tc时，得到亚像元高温点的温度；否则， 重新选择初始值进行重复计算。其中条件域逐渐收敛，以改变初始值tc。
[0058]
进一步地，步骤二中计算高温点的面积具体方法如下：
[0059]
s21、计算高温点亚像元图像中像素点的横坐标方向偏导数和纵坐标方向偏导数；
[0060]
s22、确定横坐标方向偏导数和纵坐标方向偏导数值均为0的像素点为图像边缘点， 通过对图像边缘点形成曲线进行积分，求得高温点的面积s。
[0061]
具体地，计算高温点亚像元图像h(x,y)横、纵坐标方向的偏导数h
′
x
(x,y)和h
′y(x,y)， 令h
′
x
(x,y)＝0，h
′y(x,y)＝0。
[0062]
确定满足上式的图像边缘点，通过曲线积分求解亚像元高温点的面积s。
[0063]
进一步地，步骤一中的高温点亚像元图像的面积为单个相机探测像元面积的1/n；
[0064]
其中，n为正整数，由相机探测像元的尺寸、相机焦距、相机与待检测目标的距离和 待检测目标上的最小发热面积决定。
[0065]
具体地，采用亚像元辐照度解析分辨远距离、小面积高温点，确定高温点的温度和面 积，使得故障的识别可以达到亚像元级别，但是基于相同的原理，大于亚像元级别的高温 点也可以利用本发明的方法。
[0066]
并且步骤二中，还包括获得高温点周围环境平均温度的方法：
[0067]
步骤a、分别求得高温点亚像元图像和周围环境亚像元图像在相机探测像元上的辐照 度；周围环境亚像元图像为高温点所在相机探测像元上除高温点以外的图像；
[0068]
步骤b、比较高温点亚像元图像的辐照度和周围环境亚像元图像的辐照度，获得辐照 度差值，并根据高温点的温度和辐照度差值计算得到周围环境平均温度。
[0069]
具体为，采用亚像元辐照度解析分辨远距离、小面积目标的具体过程为：
[0070]
当目标充满探测像元时，单个像元的辐照度e可根据如下公式计算：
[0071][0072]
其中，l为探测距离，f为太阳辐照度。
[0073]
举例说明，设备检测距离为120m，发热面积为0.04m2时，才能充满一个像素，此时 可认为是远距离、小面积目标，采用焦距为150mm、像元尺寸为25
×
25
×
10-12
m2的通用 镜头时，目标形成光斑面积为探测像元面积的1/8，等效为辐射面时目标和背景图像在探 测像元上的辐照度e
om
和e
bm
为：
[0074][0075]
[0076]
式中，mo、mb分别为目标和背景的辐射出射度，η为大气衰减系数。
[0077]
辐照度差δe为：
[0078][0079]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0080]
将本发明的一种变电站电力设备故障定位及火险研判综合检测方法应用于某地区500千伏变电站中，对变压器法兰、导管渗漏油的电力设备故障定位效果如图2所示；对 远距离、小面积的设备发热点进行红外温度检测，效果如图3所示；对变压器的温升预警 及t型线夹的过温报警效果如图4和图5所示；对远距离火点的红外检测效果如图6所 示。
[0081]
通过检测效果图可知，本发明在应用中能够实现以下功能：精准定位设备部件出现故 障或缺陷的位置，标明了故障或缺陷范围；可以识别远距离、小面积设备发热点，准确测 量其温度值，标注周围环境平均温度，方便温差比较；当设备某位置处于过温状态时，即 使该位置不是最高温点，由于检测到明显的温度变化特征，所以判断设备可能存在一般缺 陷，发出预警信息；当设备某位置处于过温状态时，提供该位置最高温度值，判断设备可 能存在严重缺陷，发出告警信息；有能力辨识远距离、小面积火点，实时检测该火点燃烧 温度与周围环境温度，并发出火险提示。