测量变压器油中微水含量的方法及装置与流程

1.本发明涉及变压器油检测技术领域，具体而言，涉及一种测量变压器油中微水含量的方法及装置。


背景技术：

2.变压器油在运行中，主要存在散热、防潮及防劣化三个问题。针对这三个问题，通常采用微水、色谱、绝缘性能等指标对变压器油进行测量。其中微水是表征油液氧化的重要指标之一，油液中的水分来自于油本身的氧化、金属添加剂催化、绝缘纸老化及外界入侵。油中水分质量浓度小于1000mg/l时称为油中的微水。变压器油微水检测技术也是近年来变压器安全运行关注的方向之一。目前，针对微水检测主要包括取样(离线)检测和在线检测，其中，取样检测主要包含：蒸馏法、色谱法和卡尔
·
费休法等。在线检测主要包括电容传感分析、微波传感分析和红外光谱分析等。取样检测法测试精确度较高，但一般需要进行定期取油，难以实时监测微水含量变化，且对操作人员操作能力有一定要求。而目前的在线检测方法则存在易受干扰、成本高昂等问题。使用电容传感分析、微波传感分析等电量类传感器进行微水监测时，电气设备附近的电磁骚扰会对电量类传感器的测量结果造成影响，而红外光谱、光纤等非电量传感器的成本较高，不易维护，且红外光谱易受背景光强影响。此外，由于直接使用电量类传感器或非电量类传感器进行现场监测，还需要考虑将传感器伸入绝缘油中等传感器布置问题，使用时极为不便。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明提出了一种测量变压器油中微水含量的方法及装置，旨在解决现有微水测量技术易受干扰、成本高、使用不便等问题。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种测量变压器油中微水含量的方法，包括：采集通过变压器油的激光光柱的第一图像；对所述激光光柱的第一图像进行预处理，得到激光光柱的第二图像；统计所述激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点的点数；基于所述像素点的点数，采用微水检测模型计算得到变压器油的微水含量。
5.进一步地，所述对所述激光光柱的第一图像进行预处理，得到激光光柱的第二图像，包括：对所述激光光柱的第一图像进行二值化处理，得到激光光柱的第一图像的灰度图；对所述激光光柱的第一图像的灰度图进行分割，得到激光光柱的第二图像。
6.进一步地，所述统计所述激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点的点数，包括：读取所述激光光柱的第二图像中每个像素点的灰度值；统计所述激光光柱的第二图像中激光光柱区域内具有相同灰度值的像素点的点数，得到激光光柱的总体像素点的点数以及激光光柱的灰度直方图。
7.进一步地，所述基于所述像素点的点数，采用微水检测模型计算得到变压器油的微水含量，包括：采用如下公式计算得到变压器油的微水含量tw：
8.tw＝1.0444+5.52
×
10-4
gr+3.161
×
10-7
gr2；
9.其中，gr为激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点点数。
10.第二方面，本发明实施例还提供了一种测量变压器油中微水含量的装置，包括：图像采集单元，用于采集通过变压器油的激光光柱的第一图像；图像预处理单元，用于对所述激光光柱的第一图像进行预处理，得到激光光柱的第二图像；像素点统计单元，用于统计所述激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点的点数；微水含量计算单元，用于基于所述像素点的点数，采用微水检测模型计算得到变压器油的微水含量。
11.进一步地，所述图像预处理单元，还用于：对所述激光光柱的第一图像进行二值化处理，得到激光光柱的第一图像的灰度图；对所述激光光柱的第一图像的灰度图进行分割，得到激光光柱的第二图像。
12.进一步地，所述像素点统计单元，还用于：读取所述激光光柱的第二图像中每个像素点的灰度值；统计所述激光光柱的第二图像中激光光柱区域内具有相同灰度值的像素点的点数，得到激光光柱的总体像素点的点数以及激光光柱的灰度直方图。
13.进一步地，所述微水含量计算单元，还用于：采用如下公式计算得到变压器油的微水含量tw：
14.tw＝1.0444+5.52
×
10-4
gr+3.161
×
10-7
gr2；
15.其中，gr为激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点点数。
16.第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现本发明各实施例提供的方法。
17.本发明实施例提供的测量变压器油中微水含量的方法及装置，通过对激光光柱图像进行处理和分析，实现对变压器油的微水含量的测量，有效解决了现有微水测量技术易受干扰、成本高、使用不便等问题，避免了因传感设备导致的测量偏差，使得对于对变压器油的微水含量的测量及监测更加准确和方便；并且，由于所采集的图像可以反复利用，如果监测结果出现偏差，只需对图像重新进行分析，而无需重新布置监测设备从头进行监测，大大降低了监测的成本和风险性。此外，本实施例提供的方法，只需将拍摄到的激光图片导入到程序中进行分析，即可得到微水含量，可以实现实时测量，相比于传统方法(如卡尔费休法，大概要10～20分钟)，测量速度更快、更高效。
附图说明
18.图1为本发明一个示例性的实施例提供的测量变压器油中微水含量的方法的流程图；
19.图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为本发明一个示例性的实施例提供的激光光柱的第一图像、激光光柱的第一图像的灰度图、激光光柱的第二图像；
20.图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本发明一个示例性的实施例提供的样品一、样品二、样品三的激光光柱的第一图像；
21.图4(a)-图4(d)为本发明一个示例性的实施例提供的采用了偏移5
°
拍摄，镜头10倍放大时，不同样品的激光光柱的原始切面图，其中，图4(a)是在空气中采集的激光光柱的切面图，图4(b)是在纯水中采集的激光光柱的切面图，图4(c)是在微水含量为13.29mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图，图4(d)是在微水含量为31.61mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图；
22.图5为本发明一个示例性的实施例提供的微水检测模型的拟合曲线；
23.图6为本发明一个示例性的实施例提供的测量变压器油中微水含量的装置的结构示意图。
具体实施方式
24.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
25.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
26.图1为本发明一个示例性的实施例提供的测量变压器油中微水含量的方法的流程图。
27.如图1所示，该方法包括：
28.步骤s101：采集通过变压器油的激光光柱的第一图像。
29.本发明实施例中，可以通过图像采集设备采集得到通过变压器油的激光光柱的第一图像，即采集得到激光光柱的原始图像。图2(a)为本发明一个示例性的实施例提供的采集到的变压器油的激光光柱的第一图像。
30.步骤s102：对激光光柱的第一图像进行预处理，得到激光光柱的第二图像。
31.本发明实施例中，预处理可以为对图像进行特征抽取前所进行的处理，例如拉伸、压缩、二值化处理、分割等，预处理的主要目的是消除图像中无关的信息，恢复有用的真实信息。
32.进一步地，步骤s102，包括：
33.对激光光柱的第一图像进行二值化处理，得到激光光柱的第一图像的灰度图；
34.对激光光柱的第一图像的灰度图进行分割，得到激光光柱的第二图像。
35.图2(b)为本发明一个示例性的实施例提供的激光光柱的第一图像的灰度图。如图2(b)所示，对图2(a)进行二值化处理后，能够在简化数据的同时，强化图形边界特征信息。
36.由于光学平台及亚克力树脂油槽会引起杂光散射并进入图像采集装置内，因此在获得激光光柱的灰度图后，需要对其进行进一步的分割，以消除其所在背景、设备光及透明油槽壁引起的杂光散射，以减少杂光散射在油槽壁及其他部位带来的亮度影响。图2(c)为本发明一个示例性的实施例提供的激光光柱的第二图像。如图2(c)所示，对图2(b)进行裁剪，以去除激光光柱区域以外的图像信息，屏蔽透明油槽壁散射光和可能存在的背景光，裁剪后图像大小始终为1000
×
150，从而保证屏蔽信息量的一致性。
37.步骤s103：统计激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点的点数。
38.本发明实施例中，统计第二图像中激光光柱的总体像素点的点数。
39.进一步地，步骤s103，包括：
40.读取激光光柱的第二图像中每个像素点的灰度值；
41.统计激光光柱的第二图像中激光光柱区域内具有相同灰度值的像素点的点数，得到激光光柱的总体像素点的点数以及激光光柱的灰度直方图。
42.本发明实施例中，可以采用任意一种像素点灰度值读取的方法，例如可以利用matlab中的图像读取函数imread进行读取，也可以利用opencv中的cv2.imread进行读取。读取每个像素点的灰度值后，利用敏感度设定对去除掉背景信息后的图像上激光束的包络边界进行计算，即可得到如图2(c)所示的能够清晰显示激光光柱的第二图像，即激光光柱的轮廓图，该图中，黑色为无效统计区域，白色为有效统计区域。进一步统计该白色有效区域中每个等级灰度值下像素点的点数，从而获得激光光柱第二图像的灰度直方图。
43.步骤s104：基于像素点的点数，采用微水检测模型计算得到变压器油的微水含量。
44.本发明实施例中，微水检测模型可以为预先根据大量检测样品的像素点点数和微水含量最终拟合得到的多项式函数曲线。
45.进一步地，步骤s104，包括：
46.采用如下公式计算得到变压器油的微水含量tw：
47.tw＝1.0444+5.52
×
10-4
gr+3.161
×
10-7
gr2；
48.其中，gr为激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点点数。
49.本发明实施例中，利用激光亮度对变压器油中的微水含量进行检测前进行了大量的实验，以验证二者的关系，具体实验过程为：
50.采集含有不同微水含量的变压器油作为实验样品，由于所采集的样品过多，本实施例就不一一列举，只选取其中三种样品进行示例性说明。
51.在通入激光之前，先采用卡尔
·
费休试剂法对以上三种样品中微水的测量进行了测量，其中，样品一中微水的含量为6.61mg/l；样品二中微水的含量为16.61mg/l；样品三中微水的含量为40.23mg/l。
52.接着，按照微水含量由低到高的顺序，分别在每种变压器油样品中通入激光，并在激光光柱的光轴的垂直方向对激光光柱图像进行了采集。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本发明一个示例性的实施例提供的样品一、样品二、样品三的激光光柱的第一图像(原始图像)。如图3(a)-图3(c)所示，随着变压器油中微水含量的增加，激光光柱的感光效果逐步增强。
53.此外，为了更清楚的阐述微水含量对于激光感光效果的影响，本实施例沿激光光柱光轴方向对激光光柱进行了图像采集，由于激光垂直射入镜头能量过强，采用了偏移5
°
进行了拍摄，镜头采用了10倍放大。图4(a)-图4(d)为本发明一个示例性的实施例提供的采用了偏移5
°
拍摄，镜头10倍放大时，不同样品的激光光柱的原始切面图。其中，图4(a)是在空气中采集的激光光柱的切面图；图4(b)是在纯水中采集的激光光柱的切面图；图4(c)是在微水含量为13.29mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图；图4(d)是在微水含量为31.61mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图。如图4(a)-图4(d)所示，随着微水含量的增加，激光光柱的透射亮度出现明显的斑驳交叉的现象，从而也就进一步证实了，激光亮度与变压器油中的微水含量存在一定的相关性。
54.本发明实施例中，可以对大量检测样品的像素点点数和微水含量进行拟合。图5为本发明一个示例性的实施例提供的微水检测模型的拟合曲线。如图5所示，曲线为多项式函数拟合曲线，两侧为90％置信区间边界，三角形代表绝缘油微水与像素点点数的实际测量
值。可以看出大部分点均位于90％置信区间内，从而证明了本方法的可行性。
55.上述实施例中，通过对激光光柱图像进行处理和分析，实现对变压器油的微水含量的测量，有效解决了现有微水测量技术易受干扰、成本高、使用不便等问题，避免了因传感设备导致的测量偏差，使得对于对变压器油的微水含量的测量及监测更加准确和方便；并且，由于所采集的图像可以反复利用，如果监测结果出现偏差，只需对图像重新进行分析，而无需重新布置监测设备从头进行监测，大大降低了监测的成本和风险性。此外，本实施例提供的方法，只需将拍摄到的激光图片导入到程序中进行分析，即可得到微水含量，可以实现实时测量，相比于传统方法(如卡尔费休法，大概要10～20分钟)，测量速度更快、更高效。
56.图6为本发明一个示例性的实施例提供的测量变压器油中微水含量的装置的结构示意图。
57.如图6所示，该装置包括：
58.图像采集单元601，用于采集通过变压器油的激光光柱的第一图像。
59.本发明实施例中，可以通过图像采集设备采集得到通过变压器油的激光光柱的第一图像，即采集得到激光光柱的原始图像。图2(a)为本发明一个示例性的实施例提供的采集到的变压器油的激光光柱的第一图像。
60.图像预处理单元602，用于对激光光柱的第一图像进行预处理，得到激光光柱的第二图像。
61.本发明实施例中，预处理可以为对图像进行特征抽取前所进行的处理，例如拉伸、压缩、二值化处理、分割等，预处理的主要目的是消除图像中无关的信息，恢复有用的真实信息。
62.进一步地，图像预处理单元602，还用于：
63.对激光光柱的第一图像进行二值化处理，得到激光光柱的第一图像的灰度图；
64.对激光光柱的第一图像的灰度图进行分割，得到激光光柱的第二图像。
65.图2(b)为本发明一个示例性的实施例提供的激光光柱的第一图像的灰度图。如图2(b)所示，对图2(a)进行二值化处理后，能够在简化数据的同时，强化图形边界特征信息。
66.由于光学平台及亚克力树脂油槽会引起杂光散射并进入图像采集装置内，因此在获得激光光柱的灰度图后，需要对其进行进一步的分割，以消除其所在背景、设备光及透明油槽壁引起的杂光散射，以减少杂光散射在油槽壁及其他部位带来的亮度影响。图2(c)为本发明一个示例性的实施例提供的激光光柱的第二图像。如图2(c)所示，对图2(b)进行裁剪，以去除激光光柱区域以外的图像信息，屏蔽透明油槽壁散射光和可能存在的背景光，裁剪后图像大小始终为1000
×
150，从而保证屏蔽信息量的一致性。
67.像素点统计单元603，用于统计激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点的点数。
68.本发明实施例中，统计第二图像中激光光柱的总体像素点的点数。
69.进一步地，像素点统计单元603，还用于：
70.读取激光光柱的第二图像中每个像素点的灰度值；
71.统计激光光柱的第二图像中激光光柱区域内具有相同灰度值的像素点的点数，得到激光光柱的总体像素点的点数以及激光光柱的灰度直方图。
72.本发明实施例中，可以采用任意一种像素点灰度值读取的方法，例如可以利用
matlab中的图像读取函数imread进行读取，也可以利用opencv中的cv2.imread进行读取。读取每个像素点的灰度值后，利用敏感度设定对去除掉背景信息后的图像上激光束的包络边界进行计算，即可得到如图2(c)所示的能够清晰显示激光光柱的第二图像，即激光光柱的轮廓图，该图中，黑色为无效统计区域，白色为有效统计区域。进一步统计该白色有效区域中每个等级灰度值下像素点的点数，从而获得激光光柱第二图像的灰度直方图。
73.微水含量计算单元604，用于基于像素点的点数，采用微水检测模型计算得到变压器油的微水含量。
74.本发明实施例中，微水检测模型可以为预先根据大量检测样品的像素点点数和微水含量最终拟合得到的多项式函数曲线。
75.进一步地，微水含量计算单元604，还用于：
76.采用如下公式计算得到变压器油的微水含量tw：
77.tw＝1.0444+5.52
×
10-4
gr+3.161
×
10-7
gr2；
78.其中，gr为激光光柱的第二图像中激光光柱的像素点点数。
79.本发明实施例中，利用激光亮度对变压器油中的微水含量进行检测前进行了大量的实验，以验证二者的关系，具体实验过程为：
80.采集含有不同微水含量的变压器油作为实验样品，由于所采集的样品过多，本实施例就不一一列举，只选取其中三种样品进行示例性说明。
81.在通入激光之前，先采用卡尔
·
费休试剂法对以上三种样品中微水的测量进行了测量，其中，样品一中微水的含量为6.61mg/l；样品二中微水的含量为16.61mg/l；样品三中微水的含量为40.23mg/l。
82.接着，按照微水含量由低到高的顺序，分别在每种变压器油样品中通入激光，并在激光光柱的光轴的垂直方向对激光光柱图像进行了采集。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本发明一个示例性的实施例提供的样品一、样品二、样品三的激光光柱的第一图像(原始图像)。如图3(a)-图3(c)所示，随着变压器油中微水含量的增加，激光光柱的感光效果逐步增强。
83.此外，为了更清楚的阐述微水含量对于激光感光效果的影响，本实施例沿激光光柱光轴方向对激光光柱进行了图像采集，由于激光垂直射入镜头能量过强，采用了偏移5
°
进行了拍摄，镜头采用了10倍放大。图4(a)-图4(d)为本发明一个示例性的实施例提供的采用了偏移5
°
拍摄，镜头10倍放大时，不同样品的激光光柱的原始切面图。其中，图4(a)是在空气中采集的激光光柱的切面图；图4(b)是在纯水中采集的激光光柱的切面图；图4(c)是在微水含量为13.29mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图；图4(d)是在微水含量为31.61mg/l的变压器油中采集的激光光柱的切面图。如图4(a)-图4(d)所示，随着微水含量的增加，激光光柱的透射亮度出现明显的斑驳交叉的现象，从而也就进一步证实了，激光亮度与变压器油中的微水含量存在一定的相关性。
84.本发明实施例中，可以对大量检测样品的像素点点数和微水含量进行拟合。图5为本发明一个示例性的实施例提供的微水检测模型的拟合曲线。如图5所示，曲线为多项式函数拟合曲线，两侧为90％置信区间边界，三角形代表绝缘油微水与像素点点数的实际测量值。可以看出大部分点均位于90％置信区间内，从而证明了本方法的可行性。
85.上述实施例中，通过对激光光柱图像进行处理和分析，实现对变压器油的微水含
量的测量，有效解决了现有微水测量技术易受干扰、成本高、使用不便等问题，避免了因传感设备导致的测量偏差，使得对于对变压器油的微水含量的测量及监测更加准确和方便；并且，由于所采集的图像可以反复利用，如果监测结果出现偏差，只需对图像重新进行分析，而无需重新布置监测设备从头进行监测，大大降低了监测的成本和风险性。此外，本实施例提供的方法，只需将拍摄到的激光图片导入到程序中进行分析，即可得到微水含量，可以实现实时测量，相比于传统方法(如卡尔费休法，大概要10～20分钟)，测量速度更快、更高效。
86.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有一个或者一个以上程序，该程序被一个或者一个以上的处理器用来执行时实现上述任一种测量变压器油中微水含量的方法。
87.已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
88.通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0089]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0090]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0091]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0092]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0093]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何
修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。