紫外放電狀態識別與故障預測方法

前言
1 電氣設備局部放電監測與故障診斷技術的發展現狀 ·· 1
1.1 電氣設備局部放電監測與故障診斷技術研究背景及意義 1
1.2 電氣設備故障診斷國內外發展概況 2
1.2.1 國外故障診斷技術發展概況 · 3
1.2.2 國內故障診斷技術發展概況 · 3
1.3 電氣設備檢修體制的演變 3
1.3.1 電氣設備定期維修 · 3
1.3.2 電氣設備線上監測 · 4
1.4 電暈放電的線上監測 5
1.4.1 人工目視檢查法 · 5
1.4.2 紅外檢測法 · 5
1.4.3 超聲波檢測法 · 6
1.4.4 超高頻檢測法 · 7
1.4.5 脈衝電流檢測法 · 8
1.4.6 介質損耗分析（DLA）檢測法 · 8
1.4.7 化學檢測法 · 8
1.5 紫外線檢測法 9
1.6 紫外放電檢測的應用範圍 · 11
1.7 高壓放電各種檢測方法的優劣比較 · 11
 
2 超聲波檢測法在電氣設備局部放電故障定位方面的研究 13
2.1 超聲波定位數學模型——聲檢測方法 · 13
2.1.1 數學模型的建立 ·· 13
2.1.2 轉為有約束優化問題 ·· 13
2.1.3 實驗前期資料來源 ·· 14
2.2 傳統定位優化演算法 · 14
2.2.1 修正牛頓演算法 ·· 14
2.2.2 最速下降演算法 ·· 16
2.2.3 共軛梯度演算法 ·· 18
2.2.4 變尺度演算法 ·· 20
2.2.5 自我調整演算法 ·· 22
2.3 傳統定位演算法之間的比較· 25
2.4 現代智慧定位優化演算法 · 26
2.4.1 類比退火演算法 ·· 26
2.4.2 遺傳演算法 ·· 28
2.4.3 粒子群演算法 ·· 29
2.4.4 文化粒子群演算法 ·· 31
2.5 幾種現代智慧定位演算法的比較和總結 33

3 電暈檢測方法與日盲紫外原理 36
3.1 電暈放電及其檢測 · 36
3.2 氣體電介質的擊穿 · 37
3.2.1 湯遜理論 ·· 37
3.2.2 流注放電理論 ·· 38
3.3 電暈放電的機理及其一般特徵 39
3.4 紫外成像分析 · 41
3.4.1 電磁波譜 ·· 41
3.4.2 紫外成像原理 ·· 42
3.5 日盲紫外檢測方法 · 45
3.5.1 紫外脈衝檢測 ·· 45
3.5.2 紫外圖像檢測 ·· 45
3.6 雙通道紫外檢測系統 · 46
3.6.1 雙通道檢測系統的結構與原理 ·· 46
3.6.2 雙通道結構的弊端 ·· 46
3.7 單通道紫外檢測系統 · 47
3.7.1 單通道檢測系統的結構與原理 ·· 47
3.7.2 單通道結構與雙通道的比較 ·· 48

4 高壓電器紫外脈衝檢測系統設計 49
4.1 檢測管及驅動檢測電路部分 49
4.1.1 紫外檢測管R9454 的簡介 · 49
4.1.2 驅動電路C10807 的簡介 52
4.2 處理器開發板的硬體和軟體設計部分 53
4.2.1 處理器開發板的硬體設計 ·· 53
4.2.2 處理器開發板的軟體設計 ·· 57
4.3 顯示終端設計 · 58
4.3.1 工業串口觸控式螢幕簡介 ·· 58
4.3.2 GSM 模組TC35i ·· 59
4.3.3 無線傳輸模組簡介及上位機Labview 的設計 ·· 60
4.4 檢測儀器外部結構的設計 · 63
4.4.1 SolidWorks 簡介 ·· 63
4.4.2 變壓器、輸電線路監測儀的設計 ·· 65
4.4.3 開關櫃監測儀的設計 ·· 65
4.4.4 監測儀器的材料選擇 ·· 67
4.5 檢 測儀器系統的軟體設計 · 67
4.5.1 虛擬儀器的概述 ·· 68
4.5.2 軟體系統的設計 ·· 69
4.6 系統集成及實驗效果 · 73
5 單通道雙譜紫外電暈檢測系統設計 75
5.1 系統的總體設計 · 75
5.1.1 硬體架構設計 ·· 75
5.1.2 功能描述與關鍵技術 ·· 75
5.2 濾光成像原理與方法 · 76
5.2.1 靜態切換成像法 ·· 76
5.2.2 動態切換成像法 ·· 77
5.3 圖像傳輸及視頻採集模組的實現 · 78
5.3.1 系統的圖像傳輸與視頻採集 ·· 78
5.3.2 基於DirectShow 的視頻採集 · 80
5.3.3 基於DSPack 元件的視頻採集方案 81

6 雙通道紫外電暈檢測系統設計 82
6.1 雙通道電暈紫外檢測系統綜述 · 82
6.2 雙通道電暈紫外檢測系統設計 · 82
6.2.1 硬體結構設計 ·· 82
6.2.2 系統功能描述 ·· 83
6.2.3 系統各部分描述 ·· 83

7 電暈放電的影像處理 85
7.1 系統的影像處理流程 · 85
7.2 紫外圖像的預處理 · 86
7.2.1 RGB 色彩空間 · 86
7.2.2 灰度處理 ·· 90
7.2.3 二值化處理 ·· 92
7.3 圖像去噪與放電區域提取 · 94
7.3.1 圖像的數學形態學處理 ·· 94
7.3.2 紫外電暈圖像的形態學處理 ·· 97
7.3.3 圖像融合 · 100
7.3.4 單通道檢測系統的圖像融合 · 101
7.3.5 雙通道電暈圖像和背景圖像融合 · 102

8 電暈放電及檢測系統實驗平臺 ·· 113
8.1 紫外光電管 113
8.1.1 紫外光電管的特點 · 113
8.1.2 紫外感測器驅動電路 · 115
8.2 電暈放電模型 116
8.3 檢測系統實驗現象 117

9 電暈放電強度測量及系統成像實驗 ·· 120
9.1 電暈放電的強度測量 120
9.1.1 放電強度公式的推導 · 120
9.1.2 放電強度公式的驗證 · 121
9.1.3 放電強度計算實驗 · 123
9.2 成像實驗與討論 124
9.2.1 硬體設計 · 124
9.2.2 光路切換電路的設計 · 125
9.2.3 成像軟體演算法設計 · 125
9.2.4 實驗結果及分析 · 126
9.2.5 關於靜態切換法實驗的討論 · 128

10 基於人工神經網路的故障狀態識別 130
10.1 人工神經網路 · 130
10.1.1 人工神經基本概念 ·· 130
10.1.2 人工神經網路的特點 ·· 131
10.2 故障狀態模式模型 · 131
10.2.1 模式識別 ·· 131
10.2.2 實驗室模擬電暈放電 ·· 132
10.2.3 特徵提取 ·· 134
10.3 基於BP 神經網路的狀態識別 ·· 135
10.3.1 BP 神經網路概述 · 135
10.3.2 模擬結果 ·· 137
10.4 基於徑向基神經網路的狀態識別 · 138
10.4.1 徑向基神經網路的基本概念 ·· 138
10.4.2 模擬結果 139
10.5 基於投影尋蹤理論的模式識別 · 139
10.5.1 電暈放電量化分級方法 139
10.5.2 基於投影尋蹤理論的模式識別等級模型 140
10.5.3 應用MATLAB 進行故障診斷模擬及實例分析 · 141
10.6 基於自組織神經網路的絕緣故障狀態評定 · 143
10.6.1 輸入變數的選擇與樣本處理 143
10.6.2 自組織映射網 144
10.6.3 動態神經元個數的SOFM 絕緣故障評估系統 ·· 145
10.6.4 LVQ 神經網路 ·· 148
10.6.5 LVQ 演算法模擬實現 ·· 149
10.7 基於PSO-SVM 的電暈放電評級演算法 ·· 151
10.7.1 支援向量機評級演算法 151
10.7.2 基於PSO 改進的SVM 評級方法 152
10.7.3 建立模型及模擬實驗 153
10.8 本章小結 · 155

參考文獻 · 156

在電力行業中，絕緣子的缺陷、導體的破損或污染會導致高壓電氣設備的電暈放電，對電力系統安全運行危害巨大。為此，本書以新的視角對電氣設備的運行狀態進行特徵提取，從設備的放電機理、過程和功能的演化進行定量化研究，試圖建立起一種電氣設備運行狀態識別方法和故障預測理論。不僅從時間和空間上而且在內容上改變傳統的研究故障診斷和定位方法，並研製出一種新型紫外電暈檢測系統。運用新方法的系統可以準確地檢測並定位電暈放電點，從而預防電暈放電給設備及系統帶來的危害，對於電力行業的安全運行乃至行業的節能、環保都有著極其重要的意義。

本書基於紫外檢測技術，分析並設計了相關的新型紫外電暈檢測系統。所謂新型，從系統功能結構上來說主要表現為四個方面：一是成像結構探索出有別于傳統的雙通道光路成像結構，採用了單通道光路成像結構，依靠濾光切換技術達到雙光路融合的目的；二是基於傳統的雙通道光路系統，創新性地採用了更有效的IHS空間圖像融合演算法進行圖像資訊的處理，達到了高效性；三是系統不但具備電暈放電定位的功能，並且可以即時測量目標的放電強度，是既有紫外電暈檢測儀器所不具備的功能；四是通過神經網路進行圖像資料的挖掘和分級，為進一步分析識別電氣設備運行狀態和故障預測提供了理論依據，當屬首創。

本書將紫外電暈放電檢測系統的研究分為10個章節進行論述，其內容如下：

第1章描述了本研究的背景，從電氣設備故障線上監測引申到電暈放電檢測領域，突出了進行電暈線上監測及其故障排除的必要性及意義。第2章闡述了超聲波檢測法在電氣設備局部放電故障定位方面的研究。第3章是對於運用紫外檢測技術的電暈檢測系統的研發構想與理論性研究，論述了國內外紫外電暈檢測的三種方法，並在系統光譜通道結構方面分析了單雙通道結構的成像原理與利弊，論證其可行性。第4章論述了關於高壓電器紫外脈衝檢測系統的設計。第5章詳細闡述了單通道雙譜紫外電暈檢測系統的設計，包括其硬體功能模組設計和軟體圖像資料處理。第6章詳盡地介紹了雙通道系統的詳細設計和硬體功能實現。研究比較了其與單通道的差異和優劣。第7章詳細闡述了電暈放電圖像的一系列處理過程及軟體實現。第8章是對電暈放電及檢測系統及實現原理的具體討論。第9章分為電暈強度測量和電暈定位方法兩個部分。前者首先建立模型推導了電暈強度計算公式，隨後運用現場實驗進行了公式驗證；後者對於靜態切換成像法進行了目標定位實驗，並對其有效性做出了分析和討論。第10章基於人工神經網路的狀態識別方法定量研究故障預測方法，並且通過實驗室模擬電暈放電，獲得真實可靠的實驗資料，驗證了理論方法的正確性、實施過程的可行性和結果的準確性。

本書內容是本人七、八年間研究成果的總結，書中有不盡如人意的地方，也難免存在不妥之處，吾將持續地研究改進並誠懇與專家、讀者交流，望不吝賜教！

著者