断路器的热故障状态监测方法与流程

1.本发明涉及电力设备技术领域，是一种断路器的热故障状态监测方法。


背景技术：

2.断路器被用来分配电能，并对电源线路起到一定的保护作用。高压断路器不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。因而确保断路器的正常运行，是对电网稳定运行的重要保障。
3.目前通过人工对配电柜内断路器的热故障状态进行检测，检测效率低，检测结果依靠人工判定，对检测人员的业务水平要求高，检测结果的判定准确性差，影响了断路器的正常运行，从而影响电网的稳定运行。因此，精准地监测配电柜内断路器的热故障状态显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种断路器的热故障状态监测方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决通过人工对配电柜内断路器进行检测时检测效率低，对检测人员的业务水平要求高，检测结果的准确性差的问题。
5.本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种断路器的热故障状态监测方法，包括以下步骤：采集断路器不同热故障状态下的红外图像，使得每一热故障状态对应断路器的一种热故障状态类型；采集配电柜的红外热像图像，并进行预处理，提取经过预处理后的每帧图像中的断路器区域；对断路器区域的图像进行三基色分离生成rgb三通道图像，并对各通道图像像素取平均值，将平均值作为该帧图像在对应颜色通道的特征值，生成预处理后的绿色、蓝色和红色三个通道的数字信号xr(t)，xg(t)和xb(t)；将经过处理后的数字信号xr(t)，xg(t)和xb(t)进行标准化处理，得到标准化的信号，并将标准化的信号作为输入信号，进行盲源分离，生成三个新的信号，记为ya(t)，yb(t)和yc(t)；将ya(t)，yb(t)和yc(t)进行信号辨识与筛选，并使用相关性分析方法选取所需信号，根据选取的信号获取对应比值的变化，所述比值的变化即温度的变化率，根据温度的变化率判断热故障状态类型。
6.下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：上述预处理可为对图像进行数值归一化处理后，再将其映射到对应的彩色像素点，产生数据序列s，将数据序列s的一个原始值x通过min-max标准化映射成在区间[0,1]中的值x*，公式为：x*=(x-smin)/(smax-smin)；其中，smin和smax分别为数据序列s的最小值
和最大值。
[0007]
在提取经过上述预处理后的每帧图像中的断路器区域时，具体可包括以下步骤：采用k-means无监督聚类算法进行图像分割，分割得到的二值化图像利用四邻域区域增长法进行标记，并提取连通域的面积及坐标属性，即得到断路器区域及其坐标。
[0008]
将上述经过预处理后的原始信号进行标准化处理时，具体可包括以下步骤：假设原始信号是均值为零的实随机变量，采用如下公式对原始信号进行零均值化处理：x＇i(t)＝(xi(t)-μi)/σi，其中i＝1，2，3，μi和σi分别为x(t)的均值和标准差，x(t)经标准化变换后的x＇(t)均值为零，方差为1。
[0009]
在对上述各通道图像像素取平均值时，具体可包括以下步骤：构造空间平均序列y＝[yir，yig，yib]t，其中yir，yig，yib是区域i内的像素点空间平均后的r、g、b三通道信号，t为获取各通道图像对应的时间点。
[0010]
可利用移动式动态采集不同位置的红外图像，且相邻两次采集的图像之间的设定重合率为30％～55％。
[0011]
可以以“z”字形顺序依次采集不同位置的图像。
[0012]
本发明基于红外热像以及图像处理等技术，实现对配电柜内断路器热故障状态的识别，不需要通过人工对配电柜内断路器进行检测，提高了检测效率，检测结果可以通过计算机进行智能判定，对检测人员的业务水平要求低，提高了检测结果准确性，保证了断路器的正常运行，从而可以提高电网运行的稳定性。本发明有利于对断路器进行长期监测，能够反映出配电柜的安全状态，工作人员可以在没有造成重大灾难时及时完成检修，可以为配电柜内断路器的安全健康在线监测、动态预测与控制提供了良好的基础。
附图说明
[0013]
附图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
[0014]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0015]
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。
[0016]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：实施例1：如附图1所示，该断路器的热故障状态监测方法包括以下步骤：s1.采集断路器不同热故障状态下的红外图像，使得每一热故障状态对应断路器的一种热故障状态类型；应当予以说明的是，不同热故障状态类型对应相应的红外图像，即预先设置有不同热故障状态类型对应的温度的变化率。
[0017]
根据预设时间点多次采集配电柜的红外热像图像，并进行预处理；所述预处理为对图像进行数值归一化处理后，再将其映射到对应的彩色像素点，产生数据序列s，将数据序列s的一个原始值x通过min-max标准化映射成在区间[0,1]中的值x*，公式如下：x*=(x-smin)/(smax-smin),其中，smin和smax分别为数据序列s的最小值和最大值。
[0018]
提取经过预处理后的每帧图像中的断路器区域；具体包括以下步骤：采用k-means无监督聚类算法进行图像分割，分割得到的二值化图像利用四邻域区域增长法进行标记，并提取连通域的面积及坐标属性，即得到断路器区域及其坐标。
[0019]
对断路器区域的图像进行三基色分离生成rgb三通道图像，并对各通道图像像素取平均值，具体为：构造空间平均序列y＝[yir，yig，yib]t，其中yir，yig，yib是区域i内的像素点空间平均后的r、g、b三通道信号，t为获取各通道图像对应的时间点。从而将平均值作为该帧图像在对应颜色通道的特征值，生成预处理后的绿色、蓝色和红色三个通道的数字信号xr(t)，xg(t)和xb(t)。
[0020]
将经过处理后的原始数字信号xr(t)，xg(t)和xb(t)进行标准化处理，得到标准化的信号，具体包括以下步骤：假设原始信号是均值为零的实随机变量，采用如下公式对原始信号进行零均值化处理：x＇i(t)＝(xi(t)-μi)/σi，其中i＝1，2，3，μi和σi分别为x(t)的均值和标准差，x(t)经标准化变换后的x＇(t)均值为零，方差为1。再将获取的标准化的信号作为输入信号，进行盲源分离，生成三个新的信号，将分离后的源信号记为ya(t)，yb(t)和yc(t)。
[0021]
将分离信号ya(t)，yb(t)和yc(t)进行信号辨识与筛选，并使用基于绿色通道信号的相关性分析方法选取所需信号。具体地，可以绘制相关性曲线来直观显示。在本实施例中，采用相关性分析的方法，将盲源分离后的三个相互独立的信号与源信号中的绿色通道信号进行相关性分析，即研究两个信号的相似性，找出与其最相关的一个独立信号作为所需信号，则信号筛选完成。在本实施例中，也可以使用基于红色或者蓝色通道信号的相关性分析方法选取所需信号，在此不再赘述。
[0022]
根据选取的信号获取对应比值的变化，其中，比值为断路器温度的正常值/温度的故障值，所述比值的变化即温度的变化率，根据温度的变化率判断热故障状态类型。其中，温度的变化率小于80%时，为一般故障；80%≤温度的变化率≤95%时，为严重故障；温度的变化率大于95%时，为危急故障。在本实施例中，可以在matlab软件中用corrcoef函数来计算，找出绝对值最大的相关系数对应的ica信号，即为所选的信号。采用corrcoef函数进行分析发现，与绿色通道源信号最相关的是第一个ica信号。而这个比值的变化就是我们需要的温度变化率，根据这个温度变化率判断断路器的热状态故障。由此，实现了热状态故障的监测。
[0023]
本发明通过多次采集配电柜的红外热像图像，获取断路器区域，对断路器区域的图像进行三基色分离生成rgb三通道图像，并对各通道图像像素取平均值，将平均值作为该帧图像在对应颜色通道的特征值，生成预处理后的绿色、蓝色和红色三个通道的数字信号。对这些数字信号进行标准化处理以及盲源分离后，使用基于绿色通道信号的相关性分析方法选取所需信号。根据选取的信号获取对应比值的变化，比值的变化即温度的变化率，根据温度的变化率判断热故障状态类型。其中，红外热成像技术(irt)具有非接触检测、无电磁干扰、安全可靠和监测范围大等优点。相比温度传感器，热成像摄像头可以获取更直观的二维热分布图像，利用图像处理技术预处理能够进一步的分析热点，即用红外图像温度与灰度之间的关系感知断路器温度异常点，从而对断路器热故障状态进行判断。通过红外热像技术可以实现在无需停机的情况下监测电气设备故障。
[0024]
本发明实施例基于红外热像以及图像处理等技术，实现对配电柜内断路器热故障
状态的识别，不需要通过人工对配电柜内断路器进行检测，提高了检测效率，检测结果可以通过计算机进行智能判定，对检测人员的业务水平要求低，提高了检测结果准确性，保证了断路器的正常运行，从而可以提高电网运行的稳定性。本发明实施例有利于对断路器进行长期监测，能够反映出配电柜的安全状态，工作人员可以在没有造成重大灾难时及时完成检修，可以为配电柜内断路器的安全健康在线监测、动态预测与控制提供了良好的基础。
[0025]
实施例2：如附图1所示，该断路器的热故障状态监测方法还可以利用移动式动态采集不同位置的红外图像，且相邻两次采集的图像之间具有设定重合率，其中，设定重合率是指断路器不同位置处的温度重合的概率。在本实施例中，设定重合率可以为30％～55％。具体地，还可以以“z”字形顺序依次采集不同位置的图像，可由使用装有红外镜头的热像仪实现，双视热像仪按“z”字形顺序依次采集gis壳体局部图像并将其包含的信息转换为对应的图像视觉与数据统计信息。通过这样可以进一步提高检测的准确性。
[0026]
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。