一种基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法与流程

本发明涉及数据处理技术领域，具体是一种基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法。

背景技术：

高压设备投入运行后，由于表面粗糙不均、污秽、结构缺陷、导体接触不良等原因，会引起设备场强分布不均，造成电晕、电弧等放电现象。导线电晕是超、特高压输电线路导线选型的重要因素，如果不控制在一个合理的范围，导线起晕将对电磁环境、输电能量损耗等造成影响。同时，如果电晕参数控制太严，将造成输电成本过高。因此在输电线路设计时导线电晕性能需要控制在合理的范围内。同时，电晕的出现意味着设备可能在绝缘方面存在了薄弱环节或缺陷，及时发现电晕现象并检查设备的放电部位和强弱对系统的安全运行具有重要意义。因此，局部放电检测技术越来越受到电力科研机构、运行部门的重视。

紫外成像是一种可视化的高压设备表面放电检测方法，具有以下优点：能够以远距离、非接触、实时、快速地以在线检测方式获取设备的运行状态信息；分辨率高、形象直观、不受电磁干扰、安全可靠和效益投资比高等优点；可以在不停电、不取样、不解体的状况下进行故障的诊断分析。近几年在电力系统高压设备放电检测中得到了较广泛的应用。

目前的紫外成像仪检测放电的指标主要是光子数和光斑面积。光子数通过仪器直接读出，紫外成像仪的光子数与放电量、增益、观测距离有着非常复杂的非线性关系，随着放电量增加，光子数会先增加，再减小，在实际工程中应用非常困难，而且当检测区域存在多个放电点时候光子数无法描述每一个点的放电强度。光斑面积法是首先将紫外图像二值化，放电区域用二值化光斑进行表示，使用光斑面积的量化方法是计算出放电区域光斑的像素数量，在放电区域中的放电强度没有区别，放电区域中的放电强度默认为相同，而实际的电气设备放电，放电区域的放电强度不可能完全相同，二值化过程中丢失了一个维度的原始数据，因此这样方法的简化将对放电的定量描述带来很大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法，包括以下步骤：

(1)紫外图像的预处理，包括以下步骤：

第一步：有效图像的选取，具体包括：

1)通过图像处理软件从原始紫外视频中提取每一帧的原始紫外图像；

2)将上述原始紫外图像进行灰度变换，在紫外灰度图像中，像素灰度值为0-255之间的值，黑色区域像素灰度值为0，白色区域的像素灰度值为255，有效光斑选取外部的像素的灰度值全部为0；

3)二值变换：将灰度变换后的图像分别转换为二值化图像从而分割光斑区域；

4)数学形态学滤波；

5)干扰光斑的滤除：滤除远离主光斑的小光斑，获得有效光斑的选取；

第二步：基于灰度系数加权的等效光斑面积计算，具体包括：

①通过有效图像的选取，在原始紫外图谱上选出有效的区域，并将其他区域像素置黑；

②灰度化处理，在紫外灰度图像中，像素灰度值为0-255之间的值，黑色区域像素灰度值为0，白色区域的像素灰度值为255，有效光斑选取外部的像素的灰度值全部为0；

③计算等效光斑面积：

设灰度加权系数为x(x，y)，每一个像素点的灰度值为g(x，y)，等效光斑面积为s：

式中：m和n分别是图像矩阵的行数和列数；等效光斑面积s就是经过滤波后的放电区域的像素个数与加权系数的累加和。

作为本发明进一步的方案：所述二值化图像中，远离放电主光斑的小光斑认为是噪声干扰。

作为本发明进一步的方案：所述步骤5)具体包括：通过滤波后的紫外图谱，确定各个光斑的面积大小和距离主光斑的长度，设小区域光斑滤除的阈值为s0，各个光斑与主光斑的距离为li，当小光斑距离主光斑距离超过阈值l0且小光斑面积小于s0时，认定该光斑为干扰光斑，予以消除，经过处理后可得到有效的紫外图谱区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明使用带灰度值的光斑进行放电区域的描述，灰度值的大小表征该区域的放电量的大小，这样用以解决以往无法描述放电区域中放电量强弱的问题，也将更加精确的描述了电气设备的放电强度和放电的位置。放电区域的放电总强度可以描述为灰度系数加权光斑面积，更加精确的描述该区域的放电量。

附图说明

图1为紫外图像的预处理中第一步的流程图。

图2为紫外图像的预处理中第二步的流程图。

图3为输电线路电晕放电紫外视频处理结果示意图。

图4为阈值较小时10*720分裂导线电晕放电光斑面积与电压关系曲线图。

图5为阈值较大时10*720分裂导线电晕放电光斑面积与电压关系曲线图。

图6为基于灰度化的不同条件下的10*720分裂导线电晕放电光斑面积与电压关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-6，一种基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法，包括以下步骤：

(1)紫外图像的预处理

紫外成像仪拍摄的数据包含可见光视频和紫外光视频，紫外成像仪显示可见光和紫外融合视频，用以故障的定位与相机的瞄准，数据处理时为了更方便简单，本发明仅处理紫外通道视频。紫外图像的预处理流程如图1和图2所示。

紫外图像的预处理包括以下步骤：

第一步：有效图像的选取，具体包括：

1)通过图像处理软件从原始紫外视频中提取每一帧的原始紫外图像；

2)将上述原始紫外图像进行灰度变换，在紫外灰度图像中，像素灰度值为0-255之间的值，黑色区域像素灰度值为0，白色区域的像素灰度值为255，有效光斑选取外部的像素的灰度值全部为0；

3)二值变换：将灰度变换后的图像分别转换为二值化图像从而分割光斑区域；且在二值化图像中，远离放电主光斑的小光斑可认为是噪声干扰；

4)数学形态学滤波；

5)干扰光斑的滤除：通过滤波后的紫外图谱，确定各个光斑的面积大小和距离主光斑的长度，设小区域光斑滤除的阈值为s0，各个光斑与主光斑的距离为li，当小光斑距离主光斑距离超过阈值l0且小光斑面积小于s0时，可以认定该光斑为干扰光斑，予以消除，经过处理后可得到有效的紫外图谱区域；

第二步：基于灰度系数加权的等效光斑面积计算，具体包括：

①通过有效图像的选取，在原始紫外图谱上选出有效的区域，并将其他区域像素置黑；

②灰度化处理，在紫外灰度图像中，像素灰度值为0-255之间的值，黑色区域像素灰度值为0，白色区域的像素灰度值为255，有效光斑选取外部的像素的灰度值全部为0；

③计算等效光斑面积：

定义基于灰度系数的加权紫外光斑面积为每一个像素点与该像素点的灰度加权系数乘积的累加求和；设灰度加权系数为x(x，y)，每一个像素点的灰度值为g(x，y)，等效光斑面积为s：

式中：m和n分别是图像矩阵的行数和列数；等效光斑面积s就是经过滤波后的放电区域的像素个数与加权系数的累加和。

实验例1

如图3所示为输电线路电晕放电紫外视频处理结果示意图，左边为紫外视频某一帧的原始图像，右边为该帧图像的滤波后图像，经过灰度化，计算得到等效光斑面积为10878.8549，与之作为对比，如果采用二值化的等效光斑面积计算方法，得到的等效光斑面积为13310.7569。

实验例2

提取算法误差分析

紫外等效光斑面积计算中的误差来源于滤波处理和二值化处理。紫外光斑面积的大小和灰度值对应于电气设备的放电强弱。

在滤波处理时候，为了滤除干扰因素，且尽可能的不损失有效光斑，本发明采用光斑面积和光斑位置两个条件。首先，认为大光斑为有效光斑，大光斑附近的小光斑为有效光斑。因此，在滤波中仅滤除距离大光斑较远的小光斑，大大减小了误差的引入。其次，本发明采用灰度值直接参与等效光斑面积的计算，相对于二值化处理包含了完整的放电信息。二值化处理时，在选定一个阈值后，会将一幅图像中较弱的放点忽略，较强的放电增强，这将会带来不可预计的误差，且当放电量不断变化时，该阈值需要不断调整，给该阈值的选择将会成为误差带入的关键因素，给实际工程应用带来困难。而采用灰度值系数作为等效光斑面积计算的加权系数可以消除此误差，且在工程实际应用中更加方便。

通过处理在青海特高压实验基地测量10*720导线电晕放电紫外图谱分析，在采用二值化方式进行光斑面积计算时，放电较弱和较强时的阈值选取不能相同，很难选择。如图4所示，是采用二值化的等效光斑面积计算方法和采用灰度化的等效光斑面积计算方法两种方法下的10*720分裂导线电晕放电光斑面积与电压关系曲线图，当选择一个阈值时，在放电由弱变强的过程中，会出现由于阈值不合理而带来的数据错误。或如图5所示，是采用二值化的等效光斑面积计算方法和采用灰度化的等效光斑面积计算方法两种方法下的10*720分裂导线电晕放电光斑面积与电压关系曲线图，当选择的阈值在放电较强时候比较合理，则放电较弱时候就会出现由于阈值问题带来的数据错误。

实验例3

使用该方法获得10*lgj-720导线分别在干燥、淋雨及湿导线三种不同条件下的电晕放电强度。结果见图6，由图6可以见得，随着电压的增长，电晕放电光斑面积也随之增长，符合实际情况，从而印证了使用该灰度化图像量化参数比使用二值化参数的科学性与准确性。

该基于灰度的电气设备放电紫外成像量化参数提取方法设计合理，本发明使用带灰度值的光斑进行放电区域的描述，灰度值的大小表征该区域的放电量的大小，这样用以解决以往无法描述放电区域中放电量强弱的问题，也将更加精确的描述了电气设备的放电强度和放电的位置；放电区域的放电总强度可以描述为灰度系数加权光斑面积，更加精确的描述该区域的放电量。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。