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基于机器视觉的绝缘子污秽监测与自动清洗 Detection of insulators contamination and automatic cleaning based on machine vision 摘要:高压绝缘子是输电线路上的重要设备，是电力系统安全运行的重要保障，因此，对绝缘子受污程度的监测和清洗是十分必要的。文章提出一种基于机器视觉的绝缘子污秽程度监测方法以及自动清洗方法，通过建立模糊报警模型，确定绝缘子的污秽状态和清洗状态，根据其判断的状态来实现污秽的自动清洗。关键词：机器视觉，绝缘子，污秽程度，模糊报警模型，自动清洗 Abstract: High voltage insulator is an important equipment on transmission line, and is an important guarantee for the safe operation of power system. Therefore, monitoring and cleaning the contamination level of insulators is very necessary. In this paper, a machine vision based monitoring method and automatic cleaning method for insulator contamination level are presented. By establishing a fuzzy alarm model, the contamination status and cleaning state of insulators are determined, and the automatic cleaning of contamination is realized according to the state of judgement. Key words: machine vision, insulators, degree of contamination, fuzzy reasoning alarming model, automatic cleaning 0 引言架空输电线路中的绝缘子长期暴露在空气中运行，其表面难免会粘附污秽，由于这些污秽一般具有导电性和吸湿性，在潮湿气候条件下，会大大降低绝缘子的绝缘水平，增加绝缘子表面的泄漏电流，从而造成绝缘子污秽闪络，最终造成严重的停电事故，对电力系统机构的正常运行产生严重影响。闪络事故给我国电力系统造成了严重的经济损失。为了解决这一问题，文献[1]设计了变电站绝缘子污秽闪络在线监测技术，但是这种装置不能实现绝缘子的自动清洗功能。人工清洗效率低，耗时耗力，难以清洗洁净，可靠性不高，绝缘子在输电网络上的位置相对较高，存在安全隐患，对人身安全不利。文献[2]提出了一种基于计算机视觉研究的绝缘子污秽监测方法，能够确定绝缘子的污秽状态，但这只是为将来对航拍图片进行分析做准备，不能做到对绝缘子状态进行实时监测。文献[3]提出了一种人工污秽试验用绝缘子自动清洗装置，但是这些装置没有对绝缘子污秽状态的分析数据作为依据，仍然需要工作人员耗费大量的时间和精力定时巡检，分析和处理能力也受到限制，可靠性较差。本文设计了一种基于机器视觉的绝缘子在线污秽监测与自动清洗系统。本系统的特点是监测和清洗都是通过机器来完成。为了提高监测的可靠性，本文还提出了

一种模糊报警模型。该系统可以对绝缘子的污秽进行长期的监测和分析。在污秽过限时，提示需要清扫，然后机器自动清扫，这种绝缘子自动清洗装置，可以实现安全高效地绝缘子清洗功能，不仅提高了供电系统的可靠性，同时也保证了工作人员的人身安全。通过对绝缘子的带电清洗能有效去除绝缘子表面深层污秽，消除高压绝缘子事故的发生。 1 绝缘子污秽监测装置设计绝缘子污秽监测装置实现对现场监测数据的采集，是绝缘子污秽状态评估系统的基础。绝缘子污秽在线监测装置的主体结构如图 1 所示。图 1 绝缘子污秽在线监测装置结构图 Fig.1 Insulator contamination online monitoring device structure 监测装置安装于高压输电线路杆塔上，通过温湿度传感器、风速风向传感器等获取当前的环境信息，图像传感器用于采集绝缘子污秽情况视频信息，并且与安装于杆塔上靠近绝缘子串的泄漏电流监测装置通过 RS485 进行通信，绝缘子污秽监测装置通过 3G 无线通信将所有的数据送到监控中心的专家系统中，通过对数据的分数据监测控制模块泄漏电流监测装置温湿度传感器风速传感器图像传感器风向传感器绝缘子串绝缘子串绝缘子串环境温度环境湿度环境风速环境风向图像系统电源太阳能蓄电池控制器

析给出绝缘子污秽的预警信号。各部分组成及功能如下。 1）泄漏电流监测装置。该装置负责从绝缘子表面截取泄漏电流信号，对其进行转换和处理，通过 A-D 转换后，将数据通过双层屏蔽通信线传送给监测控制模块。 2）气象传感器。包括温湿度传感器、风速传感器等，获取环境气象参数。气象参数与绝缘子污秽变化有着直接的联系，作为污秽状况判定的重要参数，是绝缘子污秽监测系统中与泄漏电流综合分析污闪的一项重要指标。 3）图像传感器。主要获取当前绝缘子串的积污状况图像信息，直观了解绝缘子的积污状况，也是绝缘子污秽状况判定的一项重要参数。 4）电源模块。采用带太阳能电池板及蓄电池的浮充电系统，保证在野外能为监测装置的正常运行提供可靠电源。监测装置运行时可以对蓄电池实现充放电管理，当电压发生异常时，及时给出报警信息，以使状态检测主站系统及时了解系统的运行情况。 5）数据监测控制模块。数据监测控制模块是绝缘子污秽在线监测装置的核心部分，其定时与泄漏电流监测装置、温湿度传感器、风速风向传感器和图像传感器进行数据通信，将各种监测数据进行分时采集并保存。 6）通信模块。通过 3G 无线通信方式将包括泄漏电流参数、环境气象参数及污秽视频在内的数据发送到绝缘子状态检测主站系统。 2 污秽报警模型系统能够根据特定的规则对泄漏电流、风速风向、温湿度和污秽视频等监测数据进行分析处理，在绝缘状态监测专家系统的支持下，综合考虑绝缘子所采用的类型（瓷绝缘子、硅橡胶合成绝缘子等）、所处的地理位置（靠近海边、发电厂附近等）、季节（雨季、冬季等）、最近检修清扫状况以及现场数据采集装置分析计算结果，综合评估绝缘子目前的污秽状况。当绝缘子的状态发生异常时，就会通过计算机和继电器给出报警信号，报警信号显示在计算机上，报警信号接入变电站微机报警系统中，通过微机报警系统给操作人员报警显示和报警声音。绝缘子污秽检测过程如图 2 所示：图 2 绝缘子污秽检测过程 Fig.2 Insulator contamination detection process 数据监测控制模块专家系统计算机/继电器报警信号通信异常

我们将可以反映污闪事故发生概率大小的主要因素—泄漏电流值、环境温度和环境湿度变化三个变量模糊化后作为判警模型的输入。所谓模糊化实质上就是将数值集合用人们平时使用的模糊概念代替。我们将泄漏电流、环境湿度、环境温度的大小各自分别定义为大(PB)、中(PM)、小(PS)三个模糊集合,利用三个输入量的各种状态的组合通过模糊蕴含关系进行推理判警。在判警时,虽然泄漏电流的输入值相同,但是由于其它两个输入量的状态不同,模糊推理的结果可能会截然不同。例如:当泄漏电流同样是 PS 时,如果湿度为 PS,则系统认为绝缘子处于中度污秽状态,而当湿度为 PB 时,系统认为绝缘子处于轻度污秽状态。由此可见,系统报警时,模糊报警模型的报警限值并不是唯一的,可能在不同的输入状态的组合中,报警电流值的大小不尽相同。这也是模糊报警模型和普通的线性报警模型(也叫单值报警模型)的区别所在。模糊报警模型的结构如图 3 所示：图 3 模糊报警模型 Fig.3 Fuzzy alarm model 3 污秽自动清洗装置绝缘子自动清洗装置的三视图如下图所示：图 4 绝缘子自动清洗装置主视图 Fig.4 Insulator automatic cleaning device front view 泄漏电流环境温度环境湿度输入模块化模糊推理报警输出1234811957

图 5 绝缘子自动清洗装置左视图 Fig.5 Insulator automatic cleaning device left view 图 6 绝缘子自动清洗装置俯视图 Fig.6 Insulator automatic cleaning device top view 该清洗装置包括两侧设有清洗机构的输送机构、位于清洗机构下方的排水机构和移动机构；输送机构包括传送带、电动机和减速电机。传送带的转速为 3-5km/h；电动机输出的转速经减速电机减至传送带转动速度，进而带动传送带转动，传送带为链式送带。清洗机构包括清洗箱、喷嘴、水管 A、水管 B、清洗毛刷和离心泵；水管 A 和水管 B 分别通过焊接方式安装在所述清洗箱的上顶面和下底面；喷嘴和清洗毛刷均安装在上顶面 164211103911 07

和下底面；离心泵以及水管 A 和水管 B 均连接。喷嘴 3-5 个为一组安装在水管 A 和水管 B 上，水管 A 和水管 B 分别安装 8-12 组喷嘴。清洗毛刷个数与喷嘴组数相等，且与喷嘴安装在同一位置。排水机构包括污水箱、排水管和过滤网；排水管设于污水箱的装有阀门的一端，过滤网通过卡槽设置于污水箱中。移动机构包括滚轮组，装置底部的两侧分别安装 5-8 组滚轮组，滚轮组包括 1-2 个滚轮。 4 结束语对比其他的绝缘子污秽监测系统，该系统不仅能够做到实时监测，提高供电系统的可靠性，还能够完成设备的自动清洗，为供电系统从目前的计划检修向状态检修提供了依据。该系统的良好应用，将会对绝缘子污秽状况进行有效监测，为及时监测并发现绝缘子污秽状况提供了较好的解决途径，极大地减少并避免了污闪现象的发生，并且自动清洗装置节省了大量时间和人力，也保证了工作人员的人身安全，大大提高了工作效率。参考文献 [1] 任海鹏, 刘丁, 李琦,等. 变电站绝缘子污秽闪络在线监测技术[J]. 电工技术学报, 2002, 17(3):77-81. [2] 葛玉敏, 李宝树, 赵书涛,等. 基于计算机视觉研究的绝缘子污秽检测[C]// 2006 中国国际供电会议. 2006. [3] 徐涛, 刘琴, 万小东, 许佐明, 南敬,等.一种人工污秽试验用绝缘子自动清洗装置:,CN203124354U[P].2013 [4] 倪平浩, 王玮. 高压输电线路绝缘子污秽状态综合监测系统设计[J]. 电气应用, 2013(s2). [5] 田小强. 模糊报警方法及其在变电污秽在线监测系统中的应用[D]. 西安理工大学, 2003. [6] 刘凯, 朱天容, 刘庭,等. 绝缘子污秽成分分析与清洗剂去污机理研究[J]. 高电压技术, 2012, 38(4):892-898.

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