图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，包括采集单元、主机、安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑，所述采集单元通过信号传输线与主机连接，所述采集单元包括超声波信号传感器、高倍高精度望远镜摄像机、温度传感器及湿度传感器，所述主机包括AD转换器、放大器、滤波器和控制器。图像分析结合超声检测绝缘子污秽法及相应的仪器装置，能够实现对绝缘子污秽程度进行实时等级判断，对发生的污闪情况进行及时预警，并且能够对输电线路的绝缘子质量及状况进行常态化管理，从而有效地遏制因绝缘子故障而导致的安全运行事故。因此，本发明的实现及推广，将对电网安全稳定运行产生巨大的直接和间接的经济和社会效益。
【专利说明】图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电网绝缘子污秽检测设备【技术领域】，特别涉及一种图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置及方法。
【背景技术】
[0002]电网防污闪是一个古老而现实的问题。随着我国经济高速发展，一方面电力需求日益增大，电力系统输电线路电压等级不断提高，电网规模不断扩大，交、直流连网不断增多，另一方面各地区的污染源不断增多.大气污染加剧。暴露在污秽条件下的绝缘子表面会沉积污秽大气污染日趋突出；都造成难以避免的污闪覆盖范围增大，我国电网的安全运行仍承受着大面积污闪的风险。
[0003]据统计，雾天的污闪事故占电力线路事故的21%。污闪事故往往造成大面积的停电，检修恢复时间长，因此影响严重。根据对事故数据统计分析，污闪事故造成的电量损失为雷害事故的9.3倍。
[0004]河南电网2001年年初先后经历了三场大雾，大雾给电网带来的冲击一次比一次大。第一次污闪从I月16日到I月26日，一天IlOkV及以上线路最多跳闸次数为11条次；第二次污闪从2月9日到2月12日豫北的大面积污闪，一天IlOkV及以上线路跳闸次数为18条次；第三次污闪从2月21日到2月25日豫北、豫西严重的特大污闪，2月21日到22日两天IlOkV及以上线路跳闸次数108条次。重复大面积污闪故障共计178次，波及河南18个供电区中的11个(包括运检公司)，先后造成500kV变电站发生I站次失压，220kV变电站发生2站次失压，IlOkV变电站发生2站次失压，京广电气化铁路短时中断运行等严重故障。其中还发生了多起因零值绝缘子炸裂，导线落地的事故。
[0005]虽然各输电管理部门都会采取各种防污措施对于污闪的预防，但都不是十分理想，其重要原因之一在于电力维护人员不能及时准确地掌握绝缘子污秽状况，因此，绝缘子污秽程度的可靠检测是防污闪工作中非常重要的一环。便捷可靠的污秽程度检测可以确保污区划分准确，从而为输变电设备外绝缘设计和绝缘子选型提供科学依据，是防止大面积污闪事故的基本保证。
[0006]针对某个污秽参数或其衍生参数，结合相关的运行条件，许多学者和工程技术人员对绝缘子污秽检测做了大量卓有成效的工作并开发了少量的在线检测装置，目前，国内外现场使用和实验室研究可能用于绝缘子污秽检测的方法主要分人工污秽检测和自然污秽检测两大类，有:等值盐密法、表面电导法、污闪梯度法、最大泄漏电流法、电流脉冲计数法、泄漏电流法，光谱法，微波辐射法，紫外脉冲法，声发射法，环境监测法，红外成像法等多种方法。
[0007]等值盐密的测量，应在实际运行的绝缘子上进行。可以测得绝缘子表面的污物分布。但这种方法只测量了污物有效分量的等值量，而没有考虑湿润、电弧发展过程等影响。同时，测量污秽等值盐量时，使用水量的多少，影响测定值的准确度，有时可以相差几倍，但此参量难于实现实时自动化监测，盐密是一个平均的概念，时效性差。又因污物成分的不同，测量的结果会导致很大的差异。
[0008]绝缘子闪络梯度法的优点是试验真实绝缘子，并测量它们的污闪性能。但此方法费用较大，对电源设备及测量仪器的要求很高。同时，现场测量不容易捕捉到时机，由于自然污秽的积污水平达到临界状态，与引起污闪的气象条件不可能同时发生，往往是污秽度已经达到临界水平，但没有出现充分的潮湿的条件而测量不到临界的污闪电压。此法现场运用受设备和条件的限制，普遍使用有难度。
[0009]上述几种方法分别存在着无法带电检测，光学元器件不稳定，因表面特性复杂而无法确定解析式表达，受环境变量影响过大，造价昂贵而不利于大面积推广使用等不足。
[0010]综上分析，对绝缘子绝缘子污秽故障的检测如何实现快速、准确判断，并使检测设备易操作、实用性强是目前亟待解决的问题。
【发明内容】
[0011]为了解决上述缺陷，本发明提供一种图像分析法结合超声原理能够实现带电、远距离检测绝缘子污秽的装置及方法，首先对绝缘子进行表面图像、故障声波分别采集，再由绝缘子污秽故障分析系统进行对应导入、比对分析及故障判断，最后综合两方面的分析结果，得出绝缘子污秽状态和故障报告。
[0012]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:一种图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，包括采集单元、主机、安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑，所述采集单元通过信号传输线与主机连接，所述采集单元包括超声波信号传感器、高倍高精度望远镜摄像机、温度传感器及湿度传感器，所述主机包括AD转换器、放大器、滤波器和控制器。
[0013]所述控制器包括人机交互模块、LED显示模块及语音模块。
[0014]所述信号传输线采用4芯屏蔽电缆。
[0015]所述控制器上连接有侦听耳机。
[0016]使用上述装置检测绝缘子污秽的方法，包括了以下步骤:
1.数据采集:分为超声波信号采集和污秽图像采集两部分，a.将超声波信号传感器的瞄准线对准被测绝缘子串，并戴上耳机，超声波信号传感器将采集到的超声波信号经过增幅和过滤后，再由主机进行第二次精密放大和过滤，控制器结合预设的距离、电压等级和当前的温湿度计算出超声波波形和音频信号的强度，模拟为响应的声信号通过侦听耳机，模拟为相应的柱状图通过LCD输出；当侦听耳机中传来故障声音时，停下来对故障点进行环绕360度检测，以确定发出异常信号故障部位的准确位置，并将此时检测到的超声波信号通过主机上的存储键存入USB存储器中，从而完成故障点超声波信号的采集；b.当结束故障点超声波信号采集后，用高倍高精度望远镜摄像机对故障绝缘子进行图像拍摄，并同时录入塔杆的编码信息；
2.信息分析:将存储了超声波信号数据和图像文件数据的USB存储器插入安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑USB接口中，通过绝缘子污秽故障分析系统对应的数据信息导入已建好的“线路-塔杆”文件中，绝缘子污秽故障分析系统对绝缘子的污秽状况有一个准确的判断，并生成检测报告。
[0017]图像分析结合超声检测绝缘子污秽法是通过表面状态图像分析和超声波在线检测两种方式的有效结合而形成的，所以它具有以下优势: (I)此检测方法能够实现带电、远距离的在线检测，可实现现场判断和诊断软件分析。因此就大大提高了电力巡检的工作效率，并降低了工作人员的劳动强度。
[0018](2)该发明的方法采用图像分析、超声波在线监测两种分析方法的结合，保证了对绝缘子污秽状况的全面掌握，并能够实现准确预警，降低绝缘子污闪造成的安全风险。
[0019](3)实现了从绝缘子污秽状态检测、记录更新，故障现场判断、预警，到提供决策参考的全过程管理，完善了电力企业管理内容。
[0020](4)为总结绝缘子电气性能下降规律、绝缘子闪络与其微气象、微环境变化之间的关系提供理论依据，为线路运行维护部门逐步实现从“定期检修”到“状态检修”的转变，提供宝贵的现场运行资料。
[0021]图像分析结合超声检测绝缘子污秽法及相应的仪器装置，能够实现对绝缘子污秽程度进行实时等级判断，对发生的污闪情况进行及时预警，并且能够对输电线路的绝缘子质量及状况进行常态化管理，从而有效地遏制因绝缘子故障而导致的安全运行事故。因此，本发明的实现及推广，将对电网安全稳定运行产生巨大的直接和间接的经济和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图对发明作进一步描述:
图1是本发明的模块示意图；
图2是本发明的超声波数据采集电路示意图；
图3是本发明的超声波数据处理电路示意图。
【具体实施方式】
[0023]如图1、2、3所示，一种图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，包括采集模块、主机、安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑，所述采集模块通过信号传输线与主机连接，所述采集模块包括超声波信号传感器、高倍高精度望远镜摄像机、温度传感器及湿度传感器，所述主机包括放大器、滤波器、AD转换器、控制器。所述控制器包括人机交互模块、LED显示模块及语音模块。所述信号传输线采用4芯屏蔽电缆。所述控制器上连接有侦听耳机。所述绝缘子污秽故障分析系统于2010年02月20日己进行软件著作权登记，国家版权局登记号为2010SR053549。图2:接插件Jl 口接收到到声波信号后，经过运放芯片Ul放大，通过电容C2耦合，再经运放芯片U2 二次放大处理后从接插件J2输出送入下一级处理。图3:采集上一级图2所示接插件J2 口信号送入接插件Jl 口，通过高阻抗运算放大器U9进行放大后，可变电阻器W2进行幅度调节，再经运放芯片UlO单运放进行二次放大，放大后的信号经电容C18、电容C19进行干扰滤波后分两路输出，一路经AD芯片US-1nAD转换后送入中央处理器，柱状图形式显示体现，另外一路送入运放芯片Ull经过低噪高速运放后音频的方式接插件J2输出。超声波信号传感器内置有增幅和过滤原件。
[0024]使用上述装置检测绝缘子污秽的方法，包括了以下步骤:
1.数据采集:分为超声波信号采集和污秽图像采集两部分，a.将超声波信号传感器的瞄准线对准被测绝缘子串，并戴上耳机，超声波信号传感器将采集到的超声波信号经过增幅和过滤后，再由主机进行第二次精密放大和过滤，控制器结合预设的距离、电压等级和当前的温湿度计算出超声波波形和音频信号的强度，模拟为响应的声信号通过侦听耳机，模拟为相应的柱状图通过LCD输出；当音频信号达到设定值时，侦听耳机中传来故障声音时，停下来对故障点进行环绕360度检测，以确定发出异常信号故障部位的准确位置，并将此时检测到的超声波信号通过主机上的存储键存入USB存储器中，从而完成故障点超声波信号的采集；b.当结束故障点超声波信号采集后，用高倍高精度望远镜摄像机对故障绝缘子进行图像拍摄，并同时录入塔杆的编码信息；
2.信息分析:将存储了超声波信号数据和图像文件数据的USB存储器插入安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑USB接口中，打开软件，选择“导入数据”，将对应的数据信息导入已建好的“线路-塔杆”文件中；绝缘子故障诊断系统结合环境因素、绝缘子固有状况、距离因素，通过图像分析、波形对比、声频对比手段，判定出绝缘子污秽情况，综合客观分析与主观判断，对绝缘子的污秽状况有一个准确的判断，并生成检测报告。
[0025]图像分析结合超声检测绝缘子污秽法是通过表面状态图像分析和超声波在线检测两种方式的有效结合而形成的，所以它具有以下优势:
(I)此检测方法能够实现带电、远距离的在线检测，可实现现场判断和诊断软件分析。因此就大大提高了电力巡检的工作效率，并降低了工作人员的劳动强度。
[0026](2)该发明的方法采用图像分析、超声波在线监测两种分析方法的结合，保证了对绝缘子污秽状况的全面掌握，并能够实现准确预警，降低绝缘子污闪造成的安全风险。
[0027](3)实现了从绝缘子污秽状态检测、记录更新，故障现场判断、预警，到提供决策参考的全过程管理，完善了电力企业管理内容。
[0028](4)为总结绝缘子电气性能下降规律、绝缘子闪络与其微气象、微环境变化之间的关系提供理论依据，为线路运行维护部门逐步实现从“定期检修”到“状态检修”的转变，提供宝贵的现场运行资料。
[0029]图像分析结合超声检测绝缘子污秽法及相应的仪器装置，能够实现对绝缘子污秽程度进行实时等级判断，对发生的污闪情况进行及时预警，并且能够对输电线路的绝缘子质量及状况进行常态化管理，从而有效地遏制因绝缘子故障而导致的安全运行事故。因此，本发明的实现及推广，将对电网安全稳定运行产生巨大的直接和间接的经济和社会效益。
【权利要求】
1.一种图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，其特征在于:包括采集单元、主机、安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑，所述采集单元通过信号传输线与主机连接，所述采集单元包括超声波信号传感器、高倍高精度望远镜摄像机、温度传感器及湿度传感器，所述主机包括AD转换器、放大器、滤波器和控制器。
2.如权利要求1所述的图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，其特征在于:所述控制器包括人机交互模块、LED显示模块及语音模块。
3.如权利要求1所述的图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，其特征在于:所述信号传输线采用4芯屏蔽电缆。
4.如权利要求1所述的图像分析结合超声原理检测绝缘子污秽的装置，其特征在于:所述控制器上连接有侦听耳机。
5.使用上述装置检测绝缘子污秽的方法，其特征在于:包括了以下步骤: .1.数据采集:分为超声波信号采集和污秽图像采集两部分，a.将超声波信号传感器的瞄准线对准被测绝缘子串，并戴上耳机，超声波信号传感器将采集到的超声波信号经过增幅和过滤后，再由主机进行第二次精密放大和过滤，控制器结合预设的距离、电压等级和当前的温湿度计算出超声波波形和音频信号的强度，模拟为响应的声信号通过侦听耳机，模拟为相应的柱状图通过LCD输出；当侦听耳机中传来故障声音时，停下来对故障点进行环绕360度检测，以确定发出异常信号故障部位的准确位置，并将此时检测到的超声波信号通过主机上的存储键存入USB存储器中，从而完成故障点超声波信号的采集；b.当结束故障点超声波信号采集后，用高倍高精度望远镜摄像机对故障绝缘子进行图像拍摄，并同时录入塔杆的编码信息； .2.信息分析:将存储了超声波信号数据和图像文件数据的USB存储器插入安装有绝缘子污秽故障分析系统的电脑USB接口中，通过绝缘子污秽故障分析系统将对应的数据信息导入已建好的“线路-塔杆”文件中，绝缘子污秽故障分析系统对绝缘子的污秽状况有一个准确的判断，并生成检测报告。
【文档编号】G01N29/14GK103529057SQ201310495763
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】王瑞琦, 卜祥洲, 赵毅, 曹英帅, 郭俊男, 宋志勇 申请人:国网河南省电力公司驻马店供电公司