本發(fā)明涉及油浸式變壓器狀態(tài)監(jiān)測，具體涉及一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產(chǎn)氣速率檢測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、在電力系統(tǒng)中，油浸式變壓器的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性。變壓器在長期運(yùn)行過程中會出現(xiàn)過熱、局部放電、絕緣老化等問題，內(nèi)部的絕緣油和絕緣材料會發(fā)生分解，生成一定量的氣體。這些氣體的產(chǎn)生和累積反映了變壓器的健康狀態(tài)。因此，監(jiān)測變壓器內(nèi)部氣體的生成速率是評估變壓器狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的氣體繼電器監(jiān)測主要基于氣體積聚量的變化，雖然可以及時發(fā)現(xiàn)故障，但卻難以準(zhǔn)確監(jiān)測氣體的生成速率，這使得在故障初期的預(yù)警與診斷變得困難。
2、近年來，光學(xué)檢測技術(shù)在變壓器狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，基于光學(xué)傳感的檢測技術(shù)能夠在故障初期檢測到氣體生成速率的微小變化，從而提供更早期的預(yù)警。
3、公開號為cn119514141a的發(fā)明專利公開一種考慮多物理場耦合的變壓器油中氣泡運(yùn)動模擬方法及系統(tǒng)，該方法是通過建立電場、熱場和流場耦合的多物理場模型，通過多個物理場模型進(jìn)行參數(shù)求解，從而得到變壓器油中氣泡運(yùn)動過程，該種檢測方法需要構(gòu)建多種模型，較為復(fù)雜，且無法直接得到氣體的產(chǎn)氣速率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、發(fā)明目的：本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供了一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產(chǎn)氣速率檢測方法，解決了無法準(zhǔn)確監(jiān)測氣體生成速率，對氣體繼電器的監(jiān)測精度低的問題。本發(fā)明還提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產(chǎn)氣速率檢測系統(tǒng)。
2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產(chǎn)氣速率檢測方法，該方法包括：
4、將已知粒徑分布的聚苯乙烯顆粒摻雜于變壓器油中，并引入氣體繼電器內(nèi)；
5、確定光源單元的入射位置；所述光源單元發(fā)出的激光信號入射至氣體繼電器中一側(cè)的觀察窗上，傳感器單元在氣體繼電器中另一側(cè)的觀察窗對散射光進(jìn)行處理，從而捕獲不同角度的散射光強(qiáng)信號，處理單元對所述散射光強(qiáng)信號依據(jù)米氏散射原理計(jì)算出氣泡粒徑分布；
6、機(jī)器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進(jìn)行拍攝，并通過處理單元中的匹配窗口相關(guān)性方法監(jiān)測氣泡上升速率，從而結(jié)合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應(yīng)的產(chǎn)氣速率，所述匹配窗口相關(guān)性方法首先選取所述機(jī)器視覺單元拍攝到的氣泡群圖像進(jìn)行由粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格的速度場計(jì)算，然后在滿足分辨率的要求后再對單個氣泡的速度進(jìn)行追蹤測量。
7、進(jìn)一步的，包括：
8、每側(cè)的觀察窗上設(shè)置有至少兩個壓電超聲傳感器，所述壓電超聲傳感器接收氣泡產(chǎn)生的聲波，并發(fā)送給所述處理單元，所述處理單元利用tdoa原理通過氣泡產(chǎn)生聲波到達(dá)的時間計(jì)算各個氣泡的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣泡群的三維目標(biāo)定位，所述傳感器單元根據(jù)所述三維目標(biāo)定位的結(jié)果進(jìn)行位置調(diào)整。
9、進(jìn)一步的，包括：
10、所述傳感器單元包括ccd探測器，所述ccd探測器根據(jù)所述三維定位的結(jié)果進(jìn)行位置調(diào)整，包括：所述ccd探測器的中心對準(zhǔn)所述三維目標(biāo)定位的結(jié)果。
11、進(jìn)一步的，包括：
12、所述處理單元對所述散射光強(qiáng)信號采用米氏散射原理計(jì)算出氣泡粒徑分布包括：
13、所述處理單元對ccd探測器捕獲到的不同角度的散射光強(qiáng)信號對應(yīng)的光強(qiáng)分布區(qū)域進(jìn)行環(huán)狀分割；
14、根據(jù)環(huán)狀分割的份數(shù)n得到每一份代表的特定角度范圍，并根據(jù)每一份的散射光強(qiáng)信號得到該份下的光強(qiáng)分布信號，所述光強(qiáng)分布信號為從捕獲的當(dāng)前份的散射光強(qiáng)信號減去背景信號，所述背景信號為無氣泡時對應(yīng)的光強(qiáng)信號；
15、將多份光強(qiáng)分布信號合并構(gòu)成光強(qiáng)分布列向量e，其維度表示為。
16、進(jìn)一步的，包括：
17、所述處理單元對所述散射光強(qiáng)信號依據(jù)米氏散射原理計(jì)算出氣泡粒徑分布，還包括：
18、根據(jù)米氏散射理論計(jì)算出氣泡散射光引起的光強(qiáng)系數(shù)矩陣t，所述光強(qiáng)系數(shù)矩陣包括不同的粒徑氣泡散射光在不同角度下的光強(qiáng)分布信息，其為非可逆的，對應(yīng)維度表示為；
19、根據(jù)關(guān)系式求解粒徑分布矩陣，求解采用的方法是：采用tikhonov迭代算法對初始粒徑分布矩陣進(jìn)行迭代求解，直至滿足收斂條件，從而得到最終的粒徑分布矩陣，所述粒徑分布矩陣中的元素為不同粒徑對應(yīng)氣泡的占比。
20、進(jìn)一步的，包括：
21、所述機(jī)器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進(jìn)行拍攝，并通過匹配窗口相關(guān)性方法監(jiān)測氣泡上升速率中，所述匹配窗口相關(guān)性方法包括：
22、對連續(xù)拍攝的多張圖片轉(zhuǎn)換為灰度圖像，采用所述灰度圖像減去無氣體流動的背景圖像，得到只有氣泡信息的灰度圖像，并對其進(jìn)行降噪；
23、以圖像中的目標(biāo)氣泡群為中心，選取一個矩形窗口,以當(dāng)前窗口的四個角為中心選取四個同樣尺寸的窗口b、c、d、e，并分別計(jì)算窗口b、c、d、e對應(yīng)的灰度分布矩陣，所述灰度分布矩陣為將對應(yīng)窗口的每一個像素塊的灰度值提取后形成的矩陣；
24、分別對這四個窗口b、c、d、e在當(dāng)前幀的灰度分布矩陣與下一幀中該窗口附近相同大小區(qū)域的矩陣進(jìn)行滑動匹配，從而在下一幀圖片中找到與當(dāng)前幀局部窗口互相關(guān)程度最高的窗口，此時互相關(guān)峰值的位置即為當(dāng)前窗口的坐標(biāo)偏移量，所述窗口附近相同大小區(qū)域?yàn)橐岳碚撟畲笪灰茷槌醮嗡阉靼霃?，以一個像素點(diǎn)為步長進(jìn)行上下左右四個方向的滑動；
25、根據(jù)b、c、d、e窗口的坐標(biāo)偏移量得到對應(yīng)窗口的速度，并以b、c、d、e四個窗口的速度作為a窗口四個角的速度；
26、以氣泡在油中的最大速度作為速度閾值，若得到的a窗口的四個角的速度中的任何一個或多個大于所述速度閾值，則對其進(jìn)行丟棄，并擴(kuò)大窗口的尺寸后重新計(jì)算對應(yīng)速度，否則，進(jìn)行下一步的細(xì)網(wǎng)格速度測量。
27、進(jìn)一步的，包括：
28、所述細(xì)網(wǎng)格速度測量對應(yīng)的方法步驟包括：
29、在矩形窗口a中，以目標(biāo)氣泡為中心選取一個比a窗口小的矩形窗口，所述矩形窗口包括至多一個氣泡；
30、記細(xì)網(wǎng)格對應(yīng)的尺寸為，對應(yīng)的中心坐標(biāo)為，則細(xì)網(wǎng)格在矩形窗口a中的歸一化坐標(biāo)表示為：；
31、根據(jù)歸一化坐標(biāo)計(jì)算a窗口四個角對應(yīng)的權(quán)重，從而根據(jù)a窗口四個角對應(yīng)的速度得到當(dāng)前細(xì)網(wǎng)格的速度；
32、采用得到的細(xì)網(wǎng)格速度預(yù)測對應(yīng)的細(xì)網(wǎng)格位移，以得到的位移為搜索半徑，以一個像素點(diǎn)為步長，使得矩形窗口作出上下左右的位置偏移，根據(jù)二次擬合后的互相關(guān)函數(shù)峰值找到與矩形窗口匹配程度最高的偏移窗口，并得到矩形窗口和與其匹配程度最高的窗口中的對應(yīng)氣泡的輪廓長度，若輪廓長度變化率大于10%或細(xì)網(wǎng)格速度大于對應(yīng)閾值，則重新選取目標(biāo)氣泡進(jìn)行測速；
33、若細(xì)網(wǎng)格中包括多于一個氣泡，則進(jìn)一步減小細(xì)網(wǎng)格的尺寸進(jìn)行速度測量，直至定位至單個氣泡進(jìn)行速度的測量。
34、進(jìn)一步的，包括：
35、所述匹配窗口相關(guān)性方法還包括：
36、對視野中的一定數(shù)量的氣泡進(jìn)行追蹤測量，獲得對應(yīng)的速度分布，并計(jì)算對應(yīng)氣泡的平均速度作為該氣泡群體的速度，表示為：；
37、其中，為被追蹤的氣泡個數(shù)。
38、進(jìn)一步的，包括：
39、所述結(jié)合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應(yīng)的產(chǎn)氣速率，包括：
40、采用加權(quán)平均的方法計(jì)算氣泡平均粒徑，表示為：；
41、其中， m為粒徑分檔數(shù)，為第 j檔氣泡的粒徑，為粒徑為的氣泡的占比，其從粒徑分布矩陣得到；
42、計(jì)算產(chǎn)氣速率：；
43、其中，n為視野中氣泡的總數(shù)。
44、另一方面，本發(fā)明還提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產(chǎn)氣速率檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：氣體繼電器、光源單元、傳感器單元、機(jī)器視覺單元和處理單元；
45、將已知粒徑分布的聚苯乙烯顆粒摻雜于變壓器油中，并引入所述氣體繼電器內(nèi)；
46、確定所述光源單元的入射位置，將所述光源單元發(fā)出的激光信號入射至氣體繼電器中一側(cè)的觀察窗上；
47、所述傳感器單元在所述氣體繼電器中另一側(cè)的觀察窗對散射光進(jìn)行處理，從而捕獲不同角度的散射光強(qiáng)信號，處理單元對所述散射光強(qiáng)信號依據(jù)米氏散射原理計(jì)算出氣泡粒徑分布；
48、所述機(jī)器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進(jìn)行拍攝，并通過所述處理單元中的匹配窗口相關(guān)性方法監(jiān)測氣泡上升速率，從而結(jié)合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應(yīng)的產(chǎn)氣速率，所述匹配窗口相關(guān)性方法首先選取所述機(jī)器視覺單元拍攝到的氣泡群圖像進(jìn)行由粗網(wǎng)格到細(xì)網(wǎng)格的速度場計(jì)算，然后在滿足分辨率的要求后再對單個氣泡的速度進(jìn)行追蹤測量。
49、最后，本發(fā)明還提供一種包含計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲介質(zhì)，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令被處理器執(zhí)行時，所述處理器執(zhí)行上述所述的方法。
50、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)具備以下有益效果：
51、本發(fā)明采用機(jī)器視覺單元、傳感器單元和光源單元與氣體繼電器相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即利用光學(xué)傳感技術(shù)的非接觸性和高靈敏度，使得該方法在高負(fù)荷和惡劣環(huán)境下依然能夠穩(wěn)定工作；
52、本發(fā)明的光源單元主要為激光器，當(dāng)激光穿過氣泡群時，不同粒徑的氣泡對激光的散射能力不同，利用米氏散射原理分析不同角度的散射信號，可以精確計(jì)算氣泡的粒徑分布，提高了氣泡粒徑分布的測量精度，同時，通過機(jī)器視覺單元記錄氣泡的運(yùn)動軌跡和上升速度，并結(jié)合粒徑分布的計(jì)算，能夠準(zhǔn)確推算氣體的生成速率，從而提高了氣泡上升速率的檢測精度；因此，本發(fā)明采用基于光散射法和高速攝像技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣泡動態(tài)變化的精確監(jiān)測。
53、本發(fā)明采用的匹配窗口相關(guān)性方法通過由粗到精的漸進(jìn)式搜索策略，逐步對細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行滑動匹配和互相關(guān)系數(shù)的計(jì)算后，可以獲得分辨率更低的速度場分布，最后，定位至單個氣泡進(jìn)行速度的測量，該方法在降低計(jì)算復(fù)雜度的同時提升空間分辨率。
54、本發(fā)明氣體繼電器的每側(cè)觀察窗上設(shè)置有至少兩個壓電超聲傳感器，所述壓電超聲傳感器接收氣泡產(chǎn)生的聲波，并發(fā)送給所述處理單元，所述處理單元利用tdoa原理通過氣泡產(chǎn)生聲波到達(dá)的時間計(jì)算各個氣泡的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣泡群的三維目標(biāo)定位，傳感器單元根據(jù)所述三維目標(biāo)定位的結(jié)果進(jìn)行位置調(diào)整，該方法不僅使得傳感器的位置更加精準(zhǔn)，而且聲信號作為觸發(fā)源，使得光學(xué)系統(tǒng)僅在氣泡發(fā)生時啟動，避免采樣窗口與氣泡動態(tài)時序錯位，提高了后續(xù)檢測的精準(zhǔn)度。