基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法与流程
本申请涉及绝缘子污层电导检测技术领域，特别涉及基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法。
背景技术：
绝缘子是电力输变电系统中重要的外绝缘设备之一。随着大气污染的加剧，绝缘子表面的积污情况也日益严重。积污但干燥的染污绝缘子与洁净的绝缘子相比，表面绝缘性能差距不大；但是当出现大雾、露水、小雨等空气湿度加大的天气情况时，绝缘子表面含水量增大，污秽吸水而湿润，染污绝缘子的绝缘性能将显著降低，从而极易发生污闪事故，造成巨大的经济损失。绝缘子的表面绝缘性能影响因素众多，和污秽成分，污秽程度，污秽潮湿度以及温度均有关系，传统的等值盐密法仅仅能测量绝缘子的污秽程度，并且测量方法繁琐。由于绝缘子的污秽程度和成分在短时间内变化很小，但是其污秽随着潮湿程度的改变，污层电导会发生较大的变化，目前公认的最能反映绝缘子绝缘状态的指标是污层电导，污层电导越大，反映此时绝缘子表面导电性越好，越容易发生污闪事故，但是由于绝缘子的特殊工作条件限制，运行中的绝缘子的污层电导很难测量。
目前绝缘子污层电导的测量方法主要是在绝缘子表面安装电极，并加上恒定的电压，通过测得此时绝缘子表面电极间的电流，利用欧姆定律算得表面电导。该电压不宜过大，因为电压过大会使得绝缘子表面水分快速蒸发，污层电导测量值出现较大的误差。由于该方法需要加装特定的电路，因此很难在实际运行中的绝缘子实现，目前均为取下绝缘子在实验室中测量。
由于绝缘子污层电导的测量方法操作复杂、不能在输变电系统带电的现场情况下实现，导致现有绝缘子的绝缘状态评估方法只考虑污秽程度和成分的影响，无法考虑到绝缘子实时的湿度对污层电导的影响，使得其评估得到的绝缘子的绝缘性能不准确、误差大，不能为绝缘子的设计、制造和维护提供可靠、准确的绝缘性能分析、评估依据。
技术实现要素：
本申请的目的在于提供基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法，以解决现有技术评估绝缘子的绝缘性能不准确、误差大的问题。
根据本申请的实施例，提供了基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法，包括：
拆取待测区域输配电系统中的若干个绝缘子，测量所述绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导；
利用高光谱成像仪拍摄所述绝缘子，得到所述绝缘子在不同污层电导情况下的高光谱图像；
对所述高光谱图像进行黑白校正、平滑去噪、多元散射校正，得到多元散射校正后的谱线；
利用连续投影算法对所述谱线进行特征波段提取；
将提取的特征波段数据作为训练数据，采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型；
获取待测污秽绝缘子的特征波段数据；
根据所述绝缘子污层电导等级判别模型对所述待测绝缘子的特征波段数据进行等级判别，完成绝缘子污层电导检测。
进一步地，所述测量绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导的步骤包括：
利用人工雾室加湿绝缘子，将两个平行的块状电极置于所述绝缘子的表面，电极间距为2cm，在电极两端加上320v的直流电压，利用示波器测得此时回路的电流ir，得到该绝缘子表面测量区域的污层电导g，g＝ir/320。
进一步地，所述获取待测污秽绝缘子的特征波段数据的步骤包括：
用高光谱成像仪对输配电系统运行中的待测绝缘子进行拍摄，得到待测绝缘子的高光谱图像；
对所述待测绝缘子的高光谱图像进行黑白校正、多元散射校正、平滑去噪，提取特征波段，得到所述待测污秽绝缘子的特征波段数据。
进一步地，所述黑白校正的步骤，包括：
用高光谱成像仪对标准白板进行拍摄得到标准白板的反射图像w，w＝[w1,w2,w3…wn…wn]，其中，wn为标准白板的反射图像中第n个波段下的反射率；
用高光谱成像仪对标准黑板进行拍摄得到标准黑板的反射图像d，d＝[d1,d2,d3…dn…dn]，dn为标准黑板的反射图像中第n个波段下的反射率；
将污层电导gi的高光谱图像记为x0i,x0i＝[x0i1,x0i2,x0i3…x0in…x0in]，x0in为污层电导gi的高光谱图像中第n个波段下的反射率；
由下式得到表面污层电导gi的校正后高光谱图像x’i，
x’i,＝[x’i1,x’i2,x’i3…x’in…x’in]；其中，x’in为污层电导gi的校正后高光谱图像中第n个波段下的反射率。
进一步地，所述多元散射校正的步骤，包括：
根据污层电导gi的校正后高光谱图像中第n个波段下的反射率x’in，计算出所有校正后高光谱图像中第n个波段下平均反射率
将污层电导gi的校正后高光谱图像xi中所有波段下的反射率xi'，n与校正后高光谱图像中对应的波段下的平均反射率
进一步地，所述特征波段提取包括提取442.3nm、519.4nm、672.1nm、780.3nm、811.1nm、915.5nm、1011.9nm作为特征波段。
进一步地，所述采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型的步骤，包括：
采用径向基核函数对支持向量机进行建模，得到绝缘子污层电导等级判别模型，
其中，径向基核函数k(xb,xc)为：
k(xb,xc)＝exp(-||xb-xc||2/2σ2)
径向基核函数对应的判别函数f(x)为：
其中，xc为第c个核函数中心；σ为函数的宽度参数；exp为以自然常数e为底的指数函数；xb为第b个训练数据，yb为xb对应的污层电导标签；sign(·)为sign函数；αb为拉格朗日系数，d为偏差值；h为训练数据总数。
进一步地，所述绝缘子污层电导等级判别模型中污层电导等级包括5μs-9μs，9.1μs-13μs，13.1μs-17μs，17.1μs-21μs，21.1μs-25μs和25.1μs-30μs。
进一步地，所述的高光谱仪的采集光波段范围为400-2500nm。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法，包括：拆取待测区域输配电系统中的若干个绝缘子，测量所述绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导；利用高光谱成像仪拍摄所述绝缘子，得到所述绝缘子在不同污层电导情况下的高光谱图像；对所述高光谱图像进行黑白校正、平滑去噪、多元散射校正，得到多元散射校正后的谱线；利用连续投影算法对所述谱线进行特征波段提取；将提取的特征波段数据作为训练数据，采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型；获取待测污秽绝缘子的特征波段数据；根据所述绝缘子污层电导等级判别模型对所述待测绝缘子的特征波段数据进行等级判别，完成绝缘子污层电导检测。本申请提供的方法能在输变电系统带电情况下，对现场绝缘子进行非接触的污层电导实时检测，从而为绝缘子的绝缘状态评估分析提供方便、实时、准确的绝缘子表面污层电导，进而为绝缘子的设计、制造和维护提供可靠、准确的绝缘性能分析、评估依据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本申请实施例示出基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法的流程图；
图2为根据本申请实施例示出污层电导测量方法电路图示意图；
图3为根据本申请实施例示出多元散射校正后的样本光谱图。
具体实施方式
本实例采用的光谱仪可在400～1040nm光谱范围内进行连续成像，当待检测物质的成分和含量发生变化时，其在某些波段的光谱信息也会发生变化。本方法的原理是，光谱分辨率为2.4nm，当绝缘子表面污秽层水分含量发生变化时，一方面，污秽中的可溶性盐会溶解在水中，在水分子的作用下离子键断裂，由晶体状态变为离子状态，此时电子跃迁，离子、分子旋转振动差异会产生不同的电磁波，导致其光谱特征也会产生差异；另一方面，由于水的反射率比较低，当污秽的含水量增加时，水分子填充在污秽分子之间，就会导致污层在的光谱反射率下降。
参阅图1，本申请的实施例提供基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法，包括：
步骤s1、拆取待测区域输配电系统中的若干个绝缘子，测量所述绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导；
具体地，在待测区域的输配电系统中拆取i个绝缘子i，并使绝缘子i的表面含水量为si，并测量不同含水量情况下的污层电导gi。
进一步地，参阅图2，所述测量绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导的步骤包括：
利用人工雾室加湿绝缘子，将两个平行的块状电极置于所述绝缘子的表面，电极间距为2cm，在电极两端加上320v的直流电压，利用示波器测得此时回路的电流ir，得到该绝缘子表面测量区域的污层电导g，g＝ir/320。
以宁夏地区污秽绝缘子为例，测得灰密为0.94mg/cm2，利用人工雾室对绝缘子进行加湿，利用图1所示电路测量污层电导，并利用高光谱成像仪记录谱线信息。最后选取建模集样本为50个，预测集样本为30个。
步骤s2、利用高光谱成像仪拍摄所述绝缘子，得到所述绝缘子在不同污层电导情况下的高光谱图像；
高光谱谱线xi＝[xi，1,xi,2,xi,3…xi,n…，xi,n]；其中i为绝缘子的序号，i＝1,2,3……i，i的取值为10-100。
可选地，在绝缘子表面均匀选取五个像素点，计算五个点的光谱平均值，作为该污层电导的光谱曲线。
步骤s3、对所述高光谱图像进行黑白校正、平滑去噪、多元散射校正，得到多元散射校正后的谱线；
进一步地，利用黑白校正将原始谱线从d/n值校正到反射率，所述黑白校正的步骤，包括：
用高光谱成像仪对标准白板进行拍摄得到标准白板的反射图像w，w＝[w1,w2,w3…wn…wn]，其中，wn为标准白板的反射图像中第n个波段下的反射率；
用高光谱成像仪对标准黑板进行拍摄得到标准黑板的反射图像d，d＝[d1,d2,d3…dn…dn]，dn为标准黑板的反射图像中第n个波段下的反射率；
将污层电导gi的高光谱图像记为x0i,x0i＝[x0i1,x0i2,x0i3…x0in…x0in]，x0in为污层电导gi的高光谱图像中第n个波段下的反射率，n为提取的高光谱谱线的波段总个数；
由下式得到表面污层电导gi的校正后高光谱图像x’i，
x’i,＝[x’i1,x’i2,x’i3…x’in…x’in]；其中，x’in为污层电导gi的校正后高光谱图像中第n个波段下的反射率。
进一步地，利用savitzky-golay平滑滤波对谱线进行平滑，平滑窗口值为11。
进一步地，利用多元散射校正消除样品表面不均匀对光线产生散射造成的影响，所述多元散射校正的步骤，包括：
根据污层电导gi的校正后高光谱图像中第n个波段下的反射率x’in，计算出所有校正后高光谱图像中第n个波段下平均反射率
将污层电导gi的校正后高光谱图像xi中所有波段下的反射率x'i，n与校正后高光谱图像中对应的波段下的平均反射率
高光谱谱线含有数百个波段，逐一分析将带来巨大的计算量，因此需要对光谱信息进行特征提取。
步骤s4、利用连续投影算法对所述谱线进行特征波段提取；
进一步地，所述特征波段提取包括提取442.3nm、519.4nm、672.1nm、780.3nm、811.1nm、915.5nm、1011.9nm作为特征波段，各特征波段的光谱数据为r442.3nm，r519.4nm，r672nm，r780.3nm，r811.1nm，r915.5nm，r1011.9nm。
利用连续投影算法对谱线进行特征波段提取，具体为：
步骤1)：记光谱数据为n×p维矩阵，记xk(0)为初始迭代向量，n为需要提取的波段个数，谱线的波段数为j，在迭代开始前(n＝0)，任选光谱反射率矩阵的1列j,把建模集的第j列赋值给xj，记为xk(0)；
步骤2)：把剩下未入选的波段集合定为s，即
步骤3)：分别计算xj对剩下波段的投影：
其中，p是投影因子；
步骤4)：记k(n)＝arg(max‖pxj‖),j∈s，即为第二步中求得的n-1个投影的最大值投影值；
步骤5)：令xj＝pxj,j∈s，即将最大投影值作为下次迭代的初始值；
步骤令n＝n+1，若n＜n，回到第二步循环运算；
最后提取的波段即为{k(n),n＝0,…,n-1}。
根据上述算法最终提取了7个特征波段，分别为442.3nm、519.4nm、672.1nm、780.3nm、811.1nm、915.5nm、1011.9nm
步骤s5、将提取的特征波段数据作为训练数据，采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型；
进一步地，所述采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型的步骤，包括：
采用径向基核函数对支持向量机进行建模，得到绝缘子污层电导等级判别模型，
其中，径向基核函数k(xb,xc)为：
k(xb,xc)＝exp(-||xb-xc||2/2σ2)
径向基核函数对应的判别函数f(x)为：
其中，xc为第c个核函数中心；σ为函数的宽度参数；exp为以自然常数e为底的指数函数；xb为第b个训练数据，yb为xb对应的污层电导标签；sign(·)为sign函数；αb为拉格朗日系数，d为偏差值；h为训练数据总数。
步骤s6、获取待测污秽绝缘子的特征波段数据；
进一步地，所述获取待测污秽绝缘子的特征波段数据的步骤包括：
用高光谱成像仪对输配电系统运行中的待测绝缘子进行拍摄，得到待测绝缘子的高光谱图像；
对所述待测绝缘子的高光谱图像进行黑白校正、多元散射校正、平滑去噪，提取特征波段，得到所述待测污秽绝缘子的特征波段数据。
步骤s7、根据所述绝缘子污层电导等级判别模型对所述待测绝缘子的特征波段数据进行等级判别，完成绝缘子污层电导检测。
步骤s6中得到待测绝缘子的整体或者区域的高光谱谱线x0,x0＝[x0,1,x0,2,x0,3…x0,n…，x0,n]，将待测绝缘子的高光谱谱线x0所有特征波段n下的反射率x0，n作为支持向量机预测模型的xn的输入值进行输入，支持向量机预测模型的输出的模型输出污层电导g，即为待测绝缘子相应区域的污层电导等级。
进一步地，所述绝缘子污层电导等级判别模型中污层电导等级包括5μs-9μs，9.1μs-13μs，13.1μs-17μs，17.1μs-21μs，21.1μs-25μs和25.1μs-30μs。
进一步地，所述的高光谱仪的采集光波段范围为400-2500nm。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供基于高光谱技术的绝缘子污层电导检测方法，包括：拆取待测区域输配电系统中的若干个绝缘子，测量所述绝缘子在不同潮湿程度下的污层电导；利用高光谱成像仪拍摄所述绝缘子，得到所述绝缘子在不同污层电导情况下的高光谱图像；对所述高光谱图像进行黑白校正、平滑去噪、多元散射校正，得到多元散射校正后的谱线；利用连续投影算法对所述谱线进行特征波段提取；将提取的特征波段数据作为训练数据，采用支持向量机构建绝缘子污层电导等级判别模型；获取待测污秽绝缘子的特征波段数据；根据所述绝缘子污层电导等级判别模型对所述待测绝缘子的特征波段数据进行等级判别，完成绝缘子污层电导检测。本申请提供的方法能在输变电系统带电情况下，对现场绝缘子进行非接触的污层电导实时检测，从而为绝缘子的绝缘状态评估分析提供方便、实时、准确的绝缘子表面污层电导，进而为绝缘子的设计、制造和维护提供可靠、准确的绝缘性能分析、评估依据。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
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