低溫環境對支柱絕緣子視頻圖像識別影響分析

周 文,江 翼,孫 巍,張 靜,羅傳仙,黃立才

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,南京 211000;2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司,武漢 430074;3.國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院,哈爾濱 150000)

0 引言

我國低溫區域分布較廣,以黑龍江北部、內蒙古東部、新疆北部以及西藏高海拔地區最為出名,這些地區風力資源豐富,是我國重要的能源基地,但區域內超低溫環境給輸電運行維護帶來了系列問題。

低溫環境絕緣子運行問題一直受到研究者的廣泛關注,特別是冰雪淞的影響。低溫環境中運行的線路復合絕緣子,受表面硅氧烷的影響,憎水性無法在低溫環境完全發揮,故障概率急劇上升[1-2]。覆冰環境的溫度、降水強度和風速均會影響到線路絕緣子的覆冰形態,進而影響絕緣子電場分布,引發絕緣子的閃絡故障[3-6]。在絕緣子故障識別檢測方面,圖像識別已經成為標配手段,采用無人機、在線監測等若干搭載方式,來識別絕緣子憎水性、傘裙缺陷或者絕緣子風偏等若干故障[7-10]。特別是低溫區域,圖像識別正在成為線路關鍵輔助手段,為極端環境輸電線路提供助力,減少高寒風雪環境下技術人員的巡視難度。

低溫環境對絕緣子視頻圖像識別影響,包括風雪的能見度、絕緣子覆雪與背景色的區分度、視頻傳感器低溫性能和視頻電源的低溫性能。視頻傳感器以及配套電源是硬件部分,可以通過選擇硬件進行設備性能提升。但是風雪的能見度和絕緣子覆雪與背景色的區分度,在視頻傳感器的基礎上,通過圖像增強識別或者濾波方法來提升圖像識別性能。有關圖像識別增強方法,一直是計算機領域的熱點,學者們采用傅里葉變換、頻率域增強和灰度變換增強等方法進行圖像增強識別[11-14],廣泛應用于醫學、地質科考和天文學等領域[15-16]。已有研究者采用圖像增強方法監測絕緣子的灰密以及線路絕緣子的運動軌跡,獲得了較好的結果[17-18]。有關風雪環境的電力設備濾波方法,研究相對較少,涉及的降噪濾波方法一般在軍事、醫學應用較多。

圖像識別正在成為低溫環境絕緣子監測關鍵輔助手段,但低溫環境對絕緣子視頻圖像識別影響研究缺乏。筆者以低溫風雪環境支柱絕緣子為研究對象,分析了低溫風雪環境對絕緣子圖像識別的影響因素,對比了迭代中值濾波法和直方圖濾波法的效果;試驗分析了視頻傳感器的低溫特性,探討了低溫配套電源;并根據分析結果,總結了低溫環境下絕緣子視頻圖像識別的低溫應對措施。

1 低溫風雪環境支柱絕緣子圖像分析

以黑龍江北部和內蒙古東部地區為代表的低溫區域,是西伯利亞寒潮的必經通道,區域冬季漫長,風雪極為常見,這些極端環境是絕緣子的故障高發典型天氣環境。絕緣子覆冰與背景色的區分度和風雪的能見度制約著絕緣子的圖像分析,這里以變電站支柱絕緣子為例,探討風雪環境支柱絕緣子圖像分析問題。圖1是典型風雪環境支柱絕緣子圖像,這種圖像可從在線監測視頻中直接獲取到,從圖中可以發現風雪可見度影響著支柱絕緣子的數據分析。

圖1 風雪環境支柱絕緣子典型圖像

1.1 圖像處理方法比較

對于支柱絕緣子圖片而言,風雪環境是典型高值椒鹽噪聲,需要對這些圖像進行濾波,風雪絕緣子的干擾主要來源前景色的雪花以及絕緣子上沾粘的雪花堆積,這種是典型高椒鹽噪聲干擾的圖片,這些噪聲是自然產生的,隨機并且獨立。這種干擾一直是研究者的研究重點,如中值濾波算法[19]、迭代自適應濾波法[20-21]和軟閾值圖像直方圖濾波算法[22]等。

首先采用迭代中值濾波的方法,來處理絕緣子圖片,見圖2。從處理結果來看絕緣子的邊緣輪廓較為清楚.對比度較大的空白處以及支柱絕緣子,有很好的處理效果,但對支柱絕緣子的細節和紋理未提升,反而下降。高噪聲率椒鹽特征的雪花基本去除,但是絕緣子圖像受到了中值濾波方法的破壞,支柱絕緣子的原始信息細節未做提升。

圖2 迭代中值濾波算法結果

采用文獻[22]提出的軟閾值圖像直方圖濾波算法,該方法是鄰域均值濾波器的較為特殊形式,采用圖像直方圖對風雪類的椒鹽噪聲有強的魯棒性。受到高椒鹽噪聲的風雪前景和支柱絕緣子的雪花堆積影響后,絕緣子中各有效數據與鄰域區域的像素點相對相關性大,特別是傘裙部分細節,采用濾波算法對該部分應予以強化,涉及非重要部分,可以略微處理。從圖3結果可以看出,該算法表現出了良好的去風雪影響的能力,支柱絕緣子圖像的視覺顯著提高;與圖2對比,雪花的噪聲相對濾除率較低,但被雪花淹沒的絕緣子目標圖像的邊緣輪廓以及傘裙均可清楚顯示。

圖3 直方圖濾波算法結果

1.2 圖像處理結果分析

對圖像處理的客觀數據主要包括峰值信噪比(Peak Signal Noise Ratio,PSNR)以及算法運行時間,其中PSNR的定義參考文獻[20],如下表示:

(1)

(2)

MSE是均方誤差(Mean Square Error,MSE),M×N是圖像的像素點長寬比例,原圖信號為f(x,y),濾波信號f’(x,y)。比較結果見表1。

表1 處理算法比較

表1是兩種方法對比,從表1可以看出,迭代中值濾波的PSNR較低,為25.51,直方圖濾波法PSNR稍高,38.47,該法主要保留細節,沒有過于抑制圖像;從處理時間來看,迭代中值濾波略高,直方圖濾波略低,從處理海量圖片來看,直方圖濾波較好。

從圖像處理的本質來看,濾出噪聲和保護細節的矛盾不可調和,從理論上說,許多圖像信息通過濾波無法完全達到理想效果,只能最大程度的保留圖像細節[22]。對于固定在變電站內的視頻,不斷采集圖像數據,無法全部獲得變電站內所有設備圖像細節,對于均壓環、管母線等設備以及結構型設備,相對簡單,但對于支柱絕緣子、套管等設備,因風雪造成的高噪聲率圖像,在進行濾波處理過程中會造成圖像細節的損失,特別是絕緣子的傘裙細節和絕緣子的輪廓,應該以改善圖像視覺效果為主要目的,從這個角度出發,圖2中迭代中值濾波法雖然可以抑制風雪形成的高噪聲率,但是支柱絕緣子的細節和紋理未提升,圖像細節相對破壞嚴重,圖3保留了大量細節,但是沒有過于抑制圖像的高椒鹽噪聲率,相對滿足相對現場需求。

2 視頻傳感器及配套電源選擇

根據大興安嶺區域的氣溫數據,漠河溫度頻頻接近-50 ℃,并且1969年出現-52.3 ℃的低溫天氣,該區域冬季降水以雪為主[23-24]。根據這些低溫數據,采用-50 ℃作為視頻傳感器測試溫度上限,并作為配套電源溫度指標。視頻傳感器測試中飽和度、彩色噪聲、白平衡、清晰度以及信噪比均是作為衡量視頻傳感器測試的圖片質量參數,這些參數同時是圖像處理的重要參數。視頻傳感器以及配套電源是圖像識別的硬件部分,可以通過低溫測試來選擇硬件,來提升進行設備的耐低溫性能。

2.1 視頻傳感器測試

輸變電工程通用的視頻傳感器,主要為CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)和CCD(Charge Coupled Device,CCD)這兩大類傳感器。對這兩個傳感器的試驗,參考標準包括進行低溫試驗,其中降溫試驗溫度范圍:0 ℃～-50 ℃,每隔10 ℃,開展相應的測試試驗;低溫可靠性試驗,低溫保持-50 ℃,包括18 h、48 h和64 h。試驗參考標準包括GB/T 39272-2020、DL/T 283.1-2018、DL/T 283.2-2018和DL/T 283.3-2018[25-28];圖像質量評價參考DL/T 1907.1-2018和1907.2-2018[29-30]。根據相關標準,試驗步驟如下:

1)降溫試驗,將傳感器放置于高低溫試驗箱內,從0 ℃開始,降到-50 ℃,每次降溫10 ℃,每個溫度點穩定2 h,記錄傳感器性能指標,然后在反射光源箱對視頻傳感器進行標準24色卡D65、TL84、A光的飽和度、彩色噪聲、白平衡測試,ISO12233 D65的清晰度和橫向色差測試,灰階卡D65的信噪比和灰階,灰卡D65亮度均勻性和色彩均一性測試。

2)穩定性測試:將傳感器放置于高低溫試驗箱內,在-50 ℃溫度下保持96 h,每隔12 h測試并記錄傳感器性能指標,然后在反射光源箱對視頻傳感器進行標準24色卡、ISO12233 D65、灰階卡D65和灰卡D65等測試。

本次實驗在山東信通電子股份有限公司檢測中心圖像檢測實驗室進行,選取相關試驗結果見表2。從表2可以看出,其中24色卡D65的飽和度值,CCD在109%～123%之間,變化較大,CMOS在136～138之間,變化較小,且飽和度值相對較高;ISO12233 D65的清晰度,CCD在1 026～1 767之間,變化較大,CMOS在1 613～1 816之間,變化較小,CMOS值相對較高,CCD值總體在長時間低溫環境下有所下降;灰階卡D65的信噪比值,CCD在17.8～38.7之間,變化較大,CMOS在39.6～46.5之間,變化較小,相對值較高;灰階卡D65的灰階值,CCD在11～12之間,CMOS在13～14之間,CMOS值相對較高;灰卡D65亮度均勻性的Corner值,CCD在78.3%～80.3%之間,CMOS在85.2%～86.3%之間,灰卡D65亮度均勻性的Side值,CCD在88.5%～90.5%之間,CMOS在90.1%～91.3%之間,CMOS值相對較高;從表2看出,CMOS傳感器相對穩定,相應值較高。

表2 視頻傳感器的低溫試驗結果

從0 ℃降溫至-20 ℃后,CCD和CMOS傳感器鏡頭逐步出現不同程度水滴霧化現象,見圖4。在測試過程需人工除霧后繼續做試驗,CCD鏡頭出現故障,更換備用鏡頭繼續試驗;降溫至-40 ℃后CCD視頻傳感器,發現視頻傳感器鏡頭捕捉畫面速度變慢,即幀率降低,CMOS傳感器正常。

圖4 低溫測試中傳感器鏡頭起霧現象

2.2 低溫配套電池

極端戶外低溫環境會造成傳感器配套的電源設備中電池材料老化、容量衰減嚴重、電力輸出功率下降等后果,進而引起電源裝置放電容量急劇下降、使用壽命衰減、無法充放電等問題,最終增加了傳感器的故障率。以鋰離子電池為代表的戶外電源由于其循環性能好、無記憶效應、比能量高等優點,成為目前戶外監測設備配套電源,但基于低溫強適應性的鋰離子電池電源設備的相應研究一直在進行中。

現有的研究方法中,可以通過鋰離子電池關鍵材料如正極改性、新型耐低溫電解液等新技術開發、電芯工藝優化設計,來實現高倍率長壽命強環境適應性鋰離子電池的研制,并且開發出適用于寬溫差范圍、性能穩定以及耐溫度沖擊能力強的傳感器配套電源裝置,從而提升在線監測設備的運行效率、動態響應速度和電池均衡特性等一系列實際性指標。因此,從傳感器配套的電源裝置選擇上來看,必須選擇能夠耐低溫沖擊的低溫電源,特別需要滿足在-50 ℃的低溫環境下能正常使用、容量衰減少、使用壽命正常的電源裝置,從而才能用來滿足相應需求。

3 絕緣子視頻圖像識別低溫應對措施

1)對于絕緣子照片而言,風雪環境是典型高值椒鹽噪聲,風雪絕緣子的干擾主要來源前景色的雪花以及絕緣子上的雪花堆積,選擇的圖像處理方法必須保留絕緣子傘裙細節。

2)采用軟閾值圖像直方圖濾波算法來處理支柱絕緣子,保留了支柱絕緣子的傘裙輪廓細節,為低溫天氣設備診斷提供了重要數據,故應對低溫風雪天氣的現場應用時,應充分采用考慮保留絕緣子細節的濾波算法。

3)低溫環境中,CMOS傳感器相對穩定,相應值較高,視頻傳感器建議選擇CMOS傳感器,如果長期戶外工作,建議選擇CMOS傳感器的低溫系列。

4)配備低溫環境除霧設備,滿足低溫環境視頻清晰可視化,從而滿足低溫地區輸變電工程運維要求。

5)優先選擇耐低溫沖擊的低溫電源,特別滿足-50 ℃的低溫大容量的電源,來滿足視頻傳感器的低溫需求。

4 結論

1)低溫環境對絕緣子視頻圖像識別影響,包括低溫風雪環境對圖像識別的干擾以及視頻硬件的耐低溫性能;低溫視頻圖像干擾來源支柱絕緣子前景色的雪花以及傘裙上雪花的堆積,這種干擾降低了支柱絕緣子的圖像識別準確率,視頻傳感器以及配套電源是圖像識別的硬件部分,耐低溫性能直接影響著視頻圖像的獲取質量。

2)對于風雪環境的高值椒鹽噪聲圖像,采用迭代中值濾波和直方圖濾波來處理風雪天氣支柱絕緣子圖像,迭代中值濾波PSNR為25.51,時間4.88 ms,時間較長,且圖像過于抑制;直方圖濾波法PSNR為38.47,時間2.72 ms,保留了支柱絕緣子的傘裙輪廓細節且節約處理時間,沒有抑制圖像,為極端風雪天氣診斷提供相應的圖像重要數據。

3)進行了低溫環境測試,CMOS傳感器相對穩定,飽和度、彩色噪聲、白平衡、清晰度以及信噪比均優于CCD傳感器,且變化值較小,適合低溫區域工作;視頻傳感器建議選擇CMOS傳感器的低溫系列,選擇耐低溫沖擊的低溫電源,需要滿足-50 ℃的低溫大容量電源。