图像背景修正对电缆终端状态监测效果研究

2022-01-04汪利波段建家邱超

湖南电力 2021年6期

汪利波，段建家，邱超

(1.浙江大立科技股份有限公司，浙江杭州 310000；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙 410007；3.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南株洲 412000)

0 引言

电力电缆由于其拥有稳定的供电可靠性、较小的占地面积等技术特点，常用于城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部供电及过江海水下输电线。橡塑交联电力电缆(简称XLPE电缆)由于其电气性能优越、耐热性和机械性能好等特点，被广泛地应用到电缆线路中，且使用率日益提高。但电缆附件制作由普通施工人员完成，对附件安装工艺掌握不精通，电缆监督水平低，部分电缆附件带缺陷投运。如35 kV电缆运维常年处于盲点，健康状态基本欠佳，电缆故障频发，2015年以来湖南省35 kV电缆平均故障率达11.1次/(百公里·年)。

在长期运行过程中，电力电缆载荷运行，且受安装环境等因素影响容易出现短路、断线、接地等故障，电力电缆本体及附属配件故障屡见不鲜。采取有效的解决措施，将电力电缆故障率降低，提前发现故障先兆，保证电力设备安全、可靠运行十分重要。电力电缆出现问题的主要原因是长期受到外力、腐蚀、环境(高温、高湿)等因素的影响，出现绝缘性能下降、失效。针对上述问题，行业内主要采用三种方案进行状态检测:接地电流检测、局部放电检测(超声波、地电波、特高频)、红外热成像检测[1]。

1 常规的电缆缺陷监测方法

目前国内在电力电缆状态领域检测的主要方式有以下有种:局部放电测试法[2]、直流叠加法、直流分量法、低频叠加法。

电力电缆异常部分会产生局部放电现象，利用高精度局放仪可检测设备局部放电现象。直流叠加法是外接50 V电源，通过计算绝缘电阻值，计算电力电缆异常部位，通过劣化的绝对量，判断电缆是否异常。直流分量法在直流叠加法的基础上进行了改进，利用水树枝整流效应，计算直流电流分量，判断是否存在异常，该方式无外接电源，但是会受互层绝缘电阻与杂散电流的影响，因此准确度也无法进行保证。低频叠加法现场实际应用也较多，在高压回路与地面外加低频电压(7.5 Hz，20 V)，测量阻性电流，从而进行分析[3]。

以上方法中，直流叠加法、直流分量法、低频叠加法容易实现，在线监测操作简单，但是主要检测电力电缆绝缘老化程度，无法在故障产生前进行预警，无法定位具体的故障部位，不便于现场应用[4]。

红外热成像的测温原理是接收物体表面辐射的红外能量[5－8]，将红外能量转换成温度信息，进行故障分析判断。相比较接地电流检测、局部放电检测技术，红外热成像检测技术具有远离被检测设备，保证运维人员人身安全、大面积高效检测，提高运维巡视效率，被动非接触式测温，不影响电力电缆正常运行，且能定位具体的异常部位等技术优点[9－15]。本文提出一种基于红外热成像背景修正技术的方式，可提高对电力电缆状态监测的有效性。

2 背景修正技术原理与方法

2.1 设备选型与性能参数

电力电缆终端状态监测装置是一款可移动式在线测温系统，如图1所示。该系统主要有前端信号采集系统(红外热成像系统、可见光系统、声波系统)、后端信号分析系统(控制中枢、传输系统、供电系统)组成。该系统具备IP66防护等级，可满足常规现场环境使用需求。该装置现场布置完成，可通过红外热成像系统实时检测电力电缆设备状态，通过4G网络，将异常信息发送给远端运维人员手机，实现对电力电缆的终端监测。

图1 电力电缆终端状态监测装置

该装置配备200万30倍一体网络摄像机，电动镜头，标准镜头(25 mm)，手动、自动云台，碳纤维三脚架、双光测温摄像机、平板、主控箱、电池箱(选配)、移动线盘，内置天线支持4G、WIFI访问。高温预警、报警信息通过邮件及短信形式通知至运维人员[7]。

2.2 后端全数字测温处理

1)在调试现场，对需要监视的电力设备设置预置位位置，并拍摄基准照片，其中红外图像为IRImage格式，高清图像是CCDImage格式，如图2和图3所示。

图2 电缆中间接头异常发热

图3 电缆均压头异常发热

2)在红外基准图像上标记电缆接头关键部位的轮廓，同时标记背景温度来源位置，如图4所示。

图4 电缆接头关键部位轮廓

3)基于红外热成像图像分析技术，在建模阶段将设备轮廓勾勒出来。采用JPEG文件格式存储当前巡检测温点位置信息的文件格式。在这个格式文件中，首先存储JPEG格式的高清图像信息，然后在JPEG文件的附件数据段中存储红外热图数据文件及设备位置信息。这个文件存储在线巡检系统在当前位置进行电缆接头设备监测位置的所有信息，同时采用标准JPEG格式文件。

4)系统在自动巡检工作过程中，首先需要将采集到的红外热图通过自动识别匹配的方法，确定设备在实时热图中的位置。步骤如下:

①将前期建模完成的红外轮廓热图IRImage作为基准模板S，每次巡检采集的红外热成像IRImage2作为待处理模板。

②将基准设备模板图像上设备多边形为基准，按多边型的周长为计算依据，在多边型周边上平均选取4个标点，作为4个设备数据特征点S1、S2、S3、S4。

③在基准设备模板的红外热成像数据中提取图像关键点，以关键点为基础，选取一个长、宽均为M像素的矩形数据模块(M＝21)，将该红外矩形数据模块作为匹配计算的基础。

④在待处理的红外热图数据中采用全局搜索的方法计算与T数据块相似度最高的数据块，计算公式如下:

式中，Sij代表的是待处理的红外热成像数据中以图像坐标(i，j)位置为中心的长度宽度都为M的红外数据块；i的取值范围是M/2到(W－M/2)，W为整幅图像的宽度，j的取值范围为(M/2)到(H－M/2)，H为整幅图像的高度；m，n分别为图像轮廓中的横纵标；T(m，n)为匹配的模块。

⑤统计步骤④中计算得到的R(i，j)的最大值，最大值代表的含义是待处理的红外热成像数据与模板红外热成像数据最匹配的位置，不断重复上述步骤，从而实现在新采集的红外热成像上体现建模勾勒的设备轮廓，得到目标特征点位置T1、T2、T3、T4。

⑥再计算模板中设备轮廓中S1分别到S2、S3、S4点的距离与新采集的红外热成像数据图中这3个点距离之间的差值误差，若差值误差大于3个像素点，则认为匹配失败，需要重新进行上述步骤，直到满足差值小于等于3个像素点为止。

⑦根据T1、T2、T3、T4四个点的位置，并根据基准设备模板图像中设备轮廓多边型，确定在待处理的红外热图数据中设备的精确外框多边型的位置。

⑧根据T1、T2、T3、T4四个点的位置，并根据基准设备模板图像中背景温度矩形的位置，确定在待处理的红外热图数据中背景温度矩形的精确外框的位置。

5)按照以上步骤，在系统巡检过程中，每一次自动拍摄设备工作温度状态图片，都可以获得一张电缆终端设备工作状态图，同时确定在该热图上电缆终端的位置。

6)将待处理的红外热图数据电缆终端设备区域内(轮廓线内部)的温度区域分成一个一个的方块区域(10×10)，计算该方块区域内所有点的温度平均值TN，同时计算背景温度矩形内的温度平均值Ta。

①温差判别法:如果(TN－Ta)＞1.0，意味着电缆终端设备表面温度与环境温度存在1℃以上的温差，该电缆终端可能存在故障。

②温度分布判别法:如果(TN－Ta)＞0.2，将比较值该温度区域位置矩阵设置为1，负责设置为0。将所有方块区域温度都按上述步骤计算以后，得到一个比较值矩阵，矩阵中为1的部分就是代表在图像上该部分温度与环境温度有0.2℃的差异，否则矩阵中为0。

按该步骤，系统每一次巡检，都会产生一个比较值矩阵，系统自动按时间次序比较一段时间内该矩阵的变化率。如果发现有较大变化(例如矩阵中数值为1的单元数量随时间增长也在增加)，说明该电缆终端可能存在故障。

3 应用前景

通过背景温度修正后的比较分析方法，可以轻易地发现电缆终端表面温度变化情况。将本装置充电完毕，在现场部署，即可无人自主运行。系统可周期性自动巡检，自动控制云台转动，通过角度反馈设置不受数量限制的预置位，在不同的预置位采集不同的电力电缆红外热图，基于背景修正技术对设备状态进行监测，同时将巡检数据保存。后台分析软件可对同一设备不同时间段的状态进行曲线分析，可对相邻设备同一时间段的数据进行分析。若发现异常信息，可以报表的形式进行导出，亦可在事后对采集的每张红外热成像数据图进行逐像素分析，重现故障先兆，提高对电力电缆故障分析的准确性。