WebGIS红外热像零值绝缘子在线检测系统

张彦，姚建刚，毛田，邹涛，龚磊

（1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082；2.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司，长沙 410082；3.长沙电业局，长沙 410000）

WebGIS红外热像零值绝缘子在线检测系统

张彦1，姚建刚1，毛田2，邹涛3，龚磊2

（1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082；2.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司，长沙 410082；3.长沙电业局，长沙 410000）

为实现输电线路瓷质绝缘子巡检的标准化作业和信息化管理，提高零值绝缘子在线检测准确率、安全性和易操作性，设计并开发了一套互联网地理信息系统WebGIS（Web geographic information system）红外热像零值绝缘子在线检测系统。基于J2EE实现的瘦客户端模式的WebGIS架构设计，以绝缘子串区域温度分布方差、温度最大差值，盘面之间平均温度最大差值，盘面与背景平均温度最大差值作为零值特征参数，并结合环境相对湿度，等值附盐密度共6个量作为BP神经网络输入，通过WebGIS技术和BP神经网络算法实现零值绝缘子地图定位和智能识别。经过110 kV线路实测验证，表明系统检测效果良好，适用于输电线路瓷质绝缘子的在线检测与管理。

互联网地理信息系统；红外热像；零值绝缘子；在线检测；巡检管理；前馈神经网络

绝缘子检测是当前电力线路运行部门中的一项非常繁重的工作。运行在线路上的绝缘子数量巨大，只要有一串绝缘子中劣化绝缘子片数超过允许标准，就会发生闪络而导致事故，严重威胁线路安全运行。

目前，较为成熟的现场检测手段是利用电压分布检测法，携带绝缘子串电压分析仪等接触式测量设备进行人工登杆检测，此法直观，能准确判断绝缘子性能变化，但检测工作量大，安全性差，效率低[1]。为了实现零值绝缘子快速准确的识别，国内外专家学者提出了很多检测方法，文献[2]在实验室证明了绝缘子串中有零值或低值绝缘子时，其对应的泄漏电流值将产生较大变化；文献[3-4]提出用电场法可以检测出绝缘子串中的零值绝缘子；文献[5]提出利用敏感绝缘子法检测劣质绝缘子；文献[6]在绝缘子污秽放电存在声发射现象的基础上，提出了一种基于声发射技术监测绝缘子污秽放电的方法；文献[7]根据芯棒脆断的特点，提出以超声纵波斜入射检测芯棒脆断横截面上的裂纹，同时据此研制了一种用于芯棒脆断裂纹检测的超声探头，并对芯棒脆断时裂纹的扩展过程进行了检测；文献[8]研制基于紫外脉冲法的非接触式低值（零值）绝缘子监测装置，通过对绝缘子串放电脉冲引起的紫外光的185 nm～260 nm（日盲区）部分进行连续在线监测，分析紫外脉冲的变化，可以发现低值（零值）绝缘子；文献[9]提出了一种运用红外热像处理和支持向量机SVM（support vector machine）多值分类器来实现高压绝缘子污秽检测方法。其中，红外热像法因其所依据的非接触式红外测温及其不易受电磁干扰、安全、可靠的特点，在电力设备故障诊断领域发展很快。

然而红外热像法检测效果受红外图像拍摄质量影响较大。文献[10]为了提高绝缘子污秽等级红外热像检测的准确性，确定最佳成像角度的方法；文献[11]分析了环境温度、环境湿度、实验电压等环境因素对红外检测绝缘子污秽级别识别的影响；文献[12]通过实验室和现场试验研究了不考虑环境因素时污秽对红外成像法检测劣化绝缘子的影响。可见目前研究发现成像角度、环境条件和污秽对红外检测效果有影响。

本文介绍了一套WebGIS红外热像零值绝缘子在线检测系统。通过将上述影响因素和挖掘劣化绝缘子红外图像本质特征信息相结合，采用BP神经网络确定阈值，以客观评价标准作为零值绝缘子的鉴别依据，实现了绝缘子红外图像批处理。此外，以WebGIS地图信息管理为辅助手段，结合线路所巡检管理经验，为线路部门安排人员巡检提供及时、准确的信息，实现针对输电线路瓷质绝缘子巡检计划制定和故障地图定位的一体化管理。实测结果表明，本系统能有效识别零值绝缘子，提高零值检测工作的效率和易操作性。

1 红外热像零值绝缘子在线检测基本原理及流程

正常绝缘子串的发热温度分布与其电压分布规律相同，呈不对称马鞍形[13-14]，即在绝缘子串的两端温度偏高，中间逐渐降低。当绝缘子串中含有零值绝缘子时，整串绝缘子电抗降低，泄露电流增加，绝缘子串的电压分布和温度分布都将发生很大程度的畸变，如图1所示。又因零值绝缘子电阻很小，该片绝缘子上的分布电压主要取决于绝缘电阻，所以在它上面的分布电压很小，温度较低。也就是说，尽管零值绝缘子相对大气略有温升，但相对于相邻的良好绝缘子而言，却出现负温升[15]。图2为红外热像仪拍摄的正常绝缘子串和含零值串效果图（图2绝缘子编号与图1对应，自上往下依次为1～7号）。

图1 绝缘子串表面温度分布图Fig.1Surface temperature distribution of insulator string

图2 正常绝缘子串与含零值的绝缘子串的红外图像Fig.2Infrared images of normal insulator string and insulator string containing zero value insulator

由于现场巡检人员水平参差不齐，并受检测天气条件制约，直接拍摄的红外图片不能有效表征绝缘子劣化热像特性，从而易造成主观误判，所以需要对绝缘子劣化本质、温度分布特性进行深度挖掘。

本系统根据零值绝缘子红外热像的成像特点，将红外图像上每个绝缘子的热像信息映射为一组行为特征，结合自适应去噪、分割、细化及盘面提取等图像处理方式提取了其相对温度分布特征。通过零值绝缘子与正常绝缘子间的比较，采用系统分析和人工神经网络确定判定阈值，从而快速识别零值绝缘子，实现零值绝缘子非接触式检测。识别方法流程如图3所示，整个分析流程包括图像预处理、特征提取、零值识别三大部分。

图3 识别方法流程Fig.3Flow chart of recognition method

2 系统设计

2.1 WebGIS框架

WebGIS是指基于Intemet平台，客户端应用软件采用www协议运行在万维网上的地理信息系统。它的基本结构是由客户端、应用服务器和空间数据库组成。客户端实现网络与应用服务器的交互，应用服务器存取和管理空间数据库中的地理信息数据并提供地图服务。在本系统中，WebGIS采用通用的J2EE设计模式实现，它属于典型的B/S （Browser/Server）网络结构，具有良好的跨平台性能和可移植性，维护升级方便。

根据部署方式和地理信息处理方式的差异，WebGIS基本实现模式可分成两种：瘦客户端+ ServerAPI模式和胖客户端+MapObject模式。针对本系统特点，采用瘦客户端+ServerAPI模式进行开发。基于J2EE实现的瘦客户端+ServerAPI模式WebGIS架构如图4所示。

图4 基于J2EE的WebGIS架构Fig.4WebGIS architecture based on J2EE

2.2 开发平台

J2EE应用服务器平台采用BEA的WebLogic 10.3服务器；GIS软件平台采用MapInfo系列的MapxtremeforJava，WebGIS服务器采用MapXtreme Java Edition；由于使用WebGIS技术，要求具有空间数据库，因此采用Oracle 9i作为DBMS（数据库管理系统）；零值检测工具箱采用Matlab和VB.NET混合编程，利用Matlab进行红外热像零值绝缘子在线检测关键算法计算，利用VB.NET进行故障处理模块程序界面设计。

2.3 数据来源及数据库设计

数据库中的污区分布、气象信息等空间数据来源于环保、气象等部门实时采集掌握；输电线路设施设备分布、常用巡检线路等专有数据，必须由输电线路管理部门采集整理，再录至系统数据库。

数据库设计采用ER模型（entity relationship，实体联系模型），实现空间数据与属性数据分离存储。数据库中的数据信息主要是通过MapInfo Professional将电子地图以图层的方式一层一层上传而得。MapInfo Professional每上传一个图层，则在指定的表空间建立两个表，即将一个空间实体数据分为两张表格存放：空间数据表和属性数据表。两张表通过索引编号绑定。而后可通过MapInfo Mapxtreme for Java的网络控制台组合、调整图层显示，将完成的地图存入事先在Mapinfo表空间建立的表中，供WebGIS应用系统调用。

2.4 所需硬件

本系统核心硬件是红外热像仪。在线路不停电的情况下，巡检人员只需携带现有红外热像仪，利用手提拍摄或汽车拍摄等形式，采集绝缘子的红外热像图片，再通过系统软件进行批量处理和分析，确定零值绝缘子。

红外热像仪所需基本技术参数如下：热灵敏度〈0.08℃（30℃时），图像质量320×240像素，精度为±2℃或读数的±2%，外加长焦距广角镜头。

3 系统功能

图5为本系统功能框图。系统以瓷质绝缘子故障诊断为核心，以WebGIS地图显示管理为辅助手段，结合线路所巡检管理经验，共有巡检管理、故障处理、地图管理、信息管理和系统管理五大功能。

3.1 巡检管理

巡检管理包括巡检计划单制定和作业指导书的编写。模块流程为：线路工区线路专责先根据线路管理规程制定管辖线路的巡检计划，然后将计划分派到班组，班组将分派的任务分派到个人。随后，巡检人员参照专责编写的作业指导书范本编写当前作业指导书，编写完成的作业指导书提交线路工区、生技部、公司相关领导进行审批批准，只有经过审核批准的指导书才可以执行。

图5 系统功能框图Fig.5Function diagram of the system

3.2 故障处理

该模块实现零值检测功能，包括巡检结果信息录入和零值检测工具箱两部分。巡检结果信息录入包括所拍摄绝缘子的所属单位、线路名、杆塔号、相序、绝缘子型号等相关信息录入；零值检测工具箱则是对导入的红外图像文件夹自动进行批量检测，并将检测结果以excel报表形式展示。同时，检测结果会上传到信息管理模块，假如存在零值绝缘子，地图管理模块会定位故障到对应杆塔处，以方便用户查看，及时给予处理。

零值检测工具箱采用Matlab和VB.NET混合编程方法。零值识别模型采用有动量加自适应lr的梯度下降算法设计改进BP神经网络模型。该模型是以不同污秽等级和环境相对湿度条件下，瓷质绝缘子红外运行图像中的相对温度分布参数，包括绝缘子串区域温度分布方差Pvari，绝缘子串区域温度最大差值T1，盘面之间平均温度最大差值T2，盘面与背景平均温度最大差值T3和环境相对湿度U，等值附盐密度ESDD（equivalent salt deposit density），作为网络模型输入向量，以绝缘子串中是否含零值绝缘子两种情况的二进制数据作为网络模型分类输出向量，即输入层有6个神经元，输出层有2个神经元，隐含层神经元个数通过数据实际训练效果确定。识别零值的BP神经网络模型结构如图6所示。

本系统设计的BP神经网络隐含层采用Sigmoid转换函数，输入应选取无量纲的向量。为提高训练速度和灵敏性，有效避开转换函数的饱和区，降低因输入值差异过大而导致误差增大，故对输入数据进行预处理。本项目将输入向量归一化到[-1，1]区间内，采用的归一化公式如下：

图6 零值识别的BP神经网络模型Fig.6The BP neural network model of zero value insulators recognition

其中：P为输入向量；Pmin、Pmax为输入向量中最小值和最大值；Pn为归一化的输入向量。

3.3 地图管理

地图管理包括视图控制，图元信息编辑、显示、查询和故障预警定位三部分功能，该三大功能集成于一个页面中。

视图控制是对地图的基本操作，包括放大、缩小、污区分布显示、复位等；图元信息编辑、查询实现对区域、线路、杆塔等图元信息的编辑查询；故障预警定位是将检测到的零值绝缘子定位到杆塔，并在地图高亮显示，便于查看。图7为地图管理模块零值绝缘子预警定位界面。

图7 零值绝缘子预警定位界面图Fig.7The system interface of zero value insulators warning and positioning

3.4 信息管理

该模块用于显示管理巡检计划单、作业指导书、各地区共享文件和绝缘子故障统计数据等。

3.5 系统管理

系统管理为系统提供基本的运行维护，包括用户管理和日志管理，以增强系统可维护性和扩展性。

4 实测检验

4.1 户内实验及实验分析

在人工气候室内模拟外界运行的环境条件，通过设置不同的污秽等级、温度、相对湿度、风速、雨量等因素，进行多组实验，分别研究在单一环境因素变量条件下高压瓷质绝缘子正常与零值的红外图像特征，验证零值绝缘子发热机理的红外热像表现和算法有效性。

室内环境条件：人工气候实验室4m×4m×4m，中央安装吊钩，额定实验电压由穿墙套管引入。图8为模拟110 kV线路实验接线图。

实验设备：红外摄像仪FLIR SYSTEMS P30，XP-10瓷质悬式绝缘子（正常和零值）。

图8 户内实验接线图Fig.8The wiring diagram of indoor experiment

图9为在不同相对湿度时拍摄的绝缘子串红外图像（①②③④为户内拍摄，⑤⑥为傍晚时现场拍摄，括号中为污秽等级）。实验发现：

（1）清洁绝缘子串出现零值时，零值与正常绝缘子红外图像区分度很小。图9①中，第5片是零值绝缘子（从上往下依次编号1到7，下同），但从图像对比度来看，肉眼很难区分。

（2）对于污秽绝缘子，相对湿度较小时，零值与正常绝缘子区分度不明显，如图9②中，第2片为零值绝缘子，但难以区分；相对湿度适中时，零值与正常绝缘子区分明显，如图9③中，第2片为零值绝缘子；相对湿度较大时，部分正常绝缘子与零值的红外图像接近，区分度不明显，易造成误判断，如图9④中，第5片为零值绝缘子，但由于相对湿度过高，使得第2、3片绝缘子表面污秽受潮充分，表面电阻大大降低，从而出现负温升现象，难以区分零值绝缘子。

图9 实验拍摄的红外图像（环境温度30℃）Fig.9The wiring diagram of indoor experiment （temperature 30℃）

（3）同一环境相对湿度情况下，污秽等级越高，越容易出现图9④中多片较暗的情况，绝缘子串也伴随着剧烈的沿面放电现象。

实验表明，环境相对湿度和污秽等级对红外检测零值绝缘子影响很大，也是决定零值识别模型准确率的重要因素。这同时也验证了将环境相对湿度和等值附盐密度加入识别模型算法的可行性。

4.2 现场实验

系统在某电业局试运行，模拟线路巡检信息化管理流程，并在220 kV变电站拍摄线路现场实际运行瓷质绝缘子串（含正常串、劣化串）的红外热像，将其与实验室拍摄的模拟运行绝缘子串红外热像进行对比，验证检测系统的性能。

现场环境条件[16]：环境温度不低于5℃，相对湿度不大于85%；天气为阴天、多云，夜间图像质量为佳；不在雷、雨、雾、雪等气象条件下进行，检测时风速不大于5 m/s。

实验发现：

（1）在户外进行现场拍摄时，两串很近的绝缘子之间温差较大。如图9⑤中，杆塔两侧耐张串的温差达20℃。这是因为红外热像仪接收的红外辐射除了包括绝缘子发射的辐射外，还包括太阳直射和经杆塔、导线等背景辐射及其反射与散射的太阳辐射，这样不仅改变了绝缘子的温度分布，还显示虚假的目标热像，很大程度上影响了红外图像的拍摄质量。

（2）现场拍摄时，拍摄方向和距离选择不恰当，可能造成了被测绝缘子辐射不能充满热像仪视场，而目标以外的空间背景辐射过多进入视场的情况。图9⑥中，傍晚拍摄时，由于太阳辐射引起杆塔塔身产生过高的温升还未消退，这时检测选择方向和距离不当，使得杆塔热辐射占据主要视场，影响了绝缘子的热像特征，容易增加实际检测误差。

实验表明，系统实施信息化管理流程，解决了传统巡检管理模式分析工作消耗人工多、时间长、处理结果反馈到生产技术部门慢的缺点。另外，在现场拍摄时，红外图像质量受环境及背景辐射等客观因素和检测距离及方向等主观因素的影响。针对这些影响，现场检测时调整检测距离和改变检测角度应尽可能满足如下条件：

①选择使红外热像仪与被测绝缘子串盘面接近垂直的方向；

②选择要能避开直接辐射或反射的最佳方向；

③选择使目标区域充满红外热像仪视场的距离和方向。

在选择距离适宜、方向合理的检测地点时，可以先事先设定几个不同位置，固定后，尽量保持每次检测位置不变，保证复测有一定可比性，便于日后比较和管理。

4.3 系统检测性能验证

先利用选取的实验数据训练神经网络识别模型，再针对其他实验图像和部分现场线路实际拍摄图像总共200张进行检测，并与实际测定结果比较，识别准确率为91.5%。部分训练数据如表1所示。

随着检测图片数量变多，系统所需计算量会成倍增加，在保证正确率的情况下，由该检测算法检测所需时间也会随之增多，为增强系统适用性，实现快速正确的判断，精简图像影响因素指标，减少算法复杂度将是研究重点。

表1 模型的部分训练数据Tab.1Training data of the recognition model

5 结论

（1）系统采用基于J2EE的WebGIS架构设计，以BP神经网络作为零值绝缘子识别手段，实现绝缘子信息化管理和红外图像批量检测，减少发生误检和漏检的概率，提高了绝缘子在线检测易操作性。

（2）系统在本次实测检验中出现误判的概率低于9%，证明此方法可有效识别零值绝缘子。

（3）现场检测时，适当调整拍摄角度、距离，可有效减少客观因素对识别准确度造成的影响。因此，进一步开展对拍摄角度、距离等客观因素对绝缘故障红外诊断影响相关问题的研究，并完善综合多种客观因素的红外检测修正方法有助于红外检测系统在绝缘故障诊断工作中的推广应用。

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Infrared Thermal Imaging On-line Detection System of Zero Value Insulator Based on WebGIS

ZHANG Yan1，YAO Jian-gang1，MAO Tian2，ZOU Tao3，GONG Lei2
（1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Hunan HDHL Electrical&Information Tech Co.，Ltd.，Changsha 410082，China；3.Changsha Electric Power Bureau，Changsha 410000，China）

This paper introduces an infrared thermal imaging on-line detection system of zero value insulator based on WebGIS，aiming at achieving standardized operation and information management of porcelain insulator in power transmission line inspection as well as improving the accuracy，security and ease of operation of the zero value insulator online detection.The system is designed using WebGIS architecture，which is based on the thin client mode realized by J2EE.The system takes the regional temperature distribution variance，temperature maximum difference of insulator strings，the average value of maximum temperature differences between plates and that between plates and background as the characteristic parameters of the zero eigenvalue parameter.These parameters combined with the ambient relative humidity，equivalent salt deposit density are introduced as the 6 inputs of BP neural network to realize the zero value insulator map-positioning and intelligent recognition through WebGIS technology and the BP neural network algorithm. The system was verified by the experiment on 110 kV line insulators.It is concluded that the system is suitable for online detection and management of transmission line insulators.

Web geographic information system；infrared thermal image；zero value insulator；on-line detection；inspection management；back propagation neural network

TM216，TM85

A

1003-8930（2013）04-0051-07

张彦（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电气设备绝缘性能检测与故障诊断等。Email：ztgameztgame.c111@163. com

2012-04-28；

2012-07-03

科技部科技型中小企业技术创新基金项目（11C26214302812）

姚建刚（1952—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为线路及防污、配电系统自动化和新型输电方式、电力市场。Email：yaojiangang@126.com

毛田（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电网规划、电力系统运行及相关软件开发。Email：393512163@qq.com