运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术_马御棠.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术马御棠，李谦慧，马 仪，潘 浩，杨 坤，周志鹏（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明；西南交通大学电气工程学院，成都；云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明）摘 要：目前传统的高光谱污秽检测主要针对人工涂污样本。而运行复合绝缘子由于结构和自然积污复杂、基材浸污严重，难以运用其方法进行污秽检测。因此搭建了适用于绝缘子污秽检测的高光谱拍摄平台，并提出了一种基于高光谱的运行复合绝缘子污秽检测技术。首先，针对绝缘子光谱特性，提出了一种基于噪声学习的一维卷积降噪自动编码器（）高光谱数据转换方法，消除不同拍摄情况导致的谱线偏移现象。其次通过核主成分（）提取不同污秽程度的光谱特征；分别建立基于线性判别算法（）、神经网络（）以及极限学习机（）的运行复合绝缘子污秽检测模型。最终，检测结果表明，较之传统的高光谱污秽检测方法，笔者提出的污秽检测技术对不同拍摄情况下的污秽程度检测准确度有了大幅提高，由 左右提高到了 以上，为后续运行复合绝缘子光谱检测奠定了基础。关键词：高光谱检测；污秽检测；深度残差；卷积自编码 ，（，；，；，）：，：；引言输电线路绝缘子污秽检测在污闪防治中至关重要。尽管目前已有多种绝缘子污秽检测技术运用于实验室阶段和现场工程。但随着电网规模扩大及智能化要求的提高，目前亟需一种快速 年第 期运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术（总第 期）准确的检测方法。近年来，具有非接触式检测优势的高光谱技术由于其分辨率高，包含波段广，且具备图谱双重信息，在突破现阶段绝缘子污秽检测方面展现出了巨大潜力。文献 利用高光谱仪获取不同形态和密度的污秽颗粒光谱差异，实现了不同污秽等级人工污秽检测以及单一污秽成分识别；文献通过建立不同灰密回归模型，将高光谱应用于人工积污绝缘子的灰密检测；文献分析光谱数据中的含水量信息，对污层电导高光谱检测方法进行了研究；文献利用高光谱空间信息使污秽程度可视化。但目前少有针对运行复合绝缘子进行高光谱污秽检测的研究。较于人工污秽样本，运行复合绝缘子结构复杂，基材受油污等影响，多呈现灰黑色，反射率低，光谱复杂性更高。目前，复合绝缘子实验室内污秽检测主要采用等值盐密法，其操作繁琐，容易产生人工误差，效率较低。因此，本研究针对运行复合绝缘子不同污秽情况，提出一种实验室内快速检测运行复合绝缘子污秽程度的高光谱检测技术。为高光谱自然积污绝缘子污秽检测提供了技术参考。复合绝缘子高光谱图像采集试验 高光谱检测系统为探究自然污秽绝缘子的光谱特性，削弱无关信息干扰，需要搭建变量可控、固定绝缘串的高光谱检测平台（见图）。其主要部件及功能分别为：补光灯：左右斜前方向各一个，提供均匀稳定的光源；便携式高光谱仪：用于采集高光谱图像；固定架：放置绝缘子串；三角架：固定，调节拍摄距离、角度；计算机：存储及处理光谱数据；位置标尺：用于记录拍摄距离。试验温湿条件为 ，光源照度为 。图 自然污秽绝缘子检测平台 污秽检测区域选择本次研究的试品为自然积污 小型绝缘串，见图。按照 电力设备预防性试验规程（）要求进行盐密检测，污秽等级结果为。基于补光效果及污秽情况，笔者选取绝缘串中段、位置绝缘片进行研究，对应污秽情况：级污秽区、级浸污区以及 级污秽区。为避免取样位置引起的谱线差异，取同一竖直位置标记为谱线取样区，图 中方框选定范围。图 中，位置取样清洗后的绝缘片浸污和磨损严重程度高于 位置。图 种不同污秽等级光谱取样区 高光谱污秽图像工况选择笔者研究的运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术，旨在实现不同拍摄条件下绝缘子污秽等级的准确识别。因此，通过设置不同拍摄距离及角度，模拟不同绝缘子拍摄情况差异。拍摄参数见图。在拍摄距离 ，拍摄俯角、以及；拍摄俯角，拍摄距离 、和 的情况下进行高光谱信息采集。图 拍摄参数示意图 高光谱图像拍摄校正 光谱数据校正原理试验获取的原始光谱数据（见图），包含了大量由于环境、设备等的高频噪声；同一位置谱线在不同拍摄条件下分散性大（见图），不同污秽情况原始谱线存在重叠（图见），不利于不同污秽情况检测。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 单个位置原始含噪光谱 图 种污秽情况光谱曲线 图 级浸污区不同拍摄情况下的谱线对比 因此，本研究采取数据处理方式见图。通过预处理滤除高频噪声和光散射引起的谱线偏移；提出一种适用于光谱数据的转换方法，将不同拍摄情况下的数据转换到同一拍摄参数下进行比对；利用特征提取算法提高信噪比，增强不同污秽程度的类间差异；最后，应用提取特征后的数据与对应的污秽程度标签建立高光谱污秽程度检测模型。图 污秽检测光谱数据处理流程图 拍摄因素差异校正方法及结果将经过光谱常规预处理方法 指数平滑和多元散射校正（）处理后的光谱数据进行拍摄因素差异校正，旨在将不同拍摄情况下获取的谱图信息，转换到同一标准下进行检测。深度残差卷积自编码（）是本研究在残差学习与 的基础上提出的一种针对高光谱谱线，基于噪声学习的一维卷积降噪自动编码器；将各种条件下的数据映射为标准数据。本研究选取拍摄距离 ，拍摄俯角 的谱线（见图）作为校正标准。图 校正选取的 种污秽情况标准谱线 年第 期运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术（总第 期）其算法原理（见图），对输入光谱谱线与标准谱线的偏差，采用卷积神经网络通过多层多个卷积核对其进行深层特征提取，和编码器连接权重计算；利用反卷积对降采样后的压缩数据进行解码重构；学习模拟出偏差在不同拍摄情况下的分布情况。图 拍摄参数校正方法原理 将预处理后的数据输入该网络进行学习，交叉验证后得到的校正模型网络参数结果见图。图 光谱变换网络参数计算结果 经深度残差卷积自编码校正之后不同污秽程度光谱谱线（见图），较处理前的数据在类别区分度上有了明显的提高。运行复合绝缘子污秽检测 运行复合绝缘子数据采集及处理通过前述自然污秽绝缘子检测平台，采集与试验样品相同地区的复合绝缘子的高光谱数据。运用（）处理软件选取感兴趣区域作为检测数据样本。共选取了 个感兴趣区域，即 个检测样本，见图。图 校正后的光谱谱线 图 复合绝缘子高光谱数据提取 对拍摄校正后的光谱数据采用核主成分分析（）进行特征提取，通过空间映射，增强光谱谱线与所对应的污秽情况标签的关联性。特征可视化结果（图（）表明，经 处理数据，不同污秽程度聚类效果更好，类间差异更清晰。图 高光谱污秽等级分类测试数据 特征可视化 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）污秽检测原理线性判别分析（）检测原理，是从经 处理后的谱线信息进一步提取出与污秽程度标签对应性更强的低维特征，寻找最佳投影方向使得不同污秽类别之间区分度最高，聚合度最好。需要检测的光谱数据通过投影到该方向上的位置，与设定的不同污秽程度标准间的距离大小，即可对其污秽程度进行判定。而 和 均是通过对样本和标签对应关系的学习，求解其对应输入输出关系的隐含层参数，建立污秽检测模型。污秽检测结果分析将经过 数据转换处理的数据和传统处理的谱线数据集分别输入建立好的运行复合绝缘子污秽检测模型进行检测。折交叉验证污秽检测准确度结果（见表）显示，本研究所提出的检测技术较传统的污秽检测方法，对运行复合绝缘子检测平均准确率有了显著提高。种分类器中 表现最佳，平均准确率达 （图），其中标签 表示 级污秽区，标签 表示 级浸污区，标签 表示级污秽区。可较好实现对不同拍摄条件下的运行复合绝缘子污秽程度的准确检测，为高光谱运用于工程现场提供方法参考。表 标准化数据空间转换前后的诊断结果方法转换前数据 转换后数据 图 高光谱污秽等级分类测试数据 分类结果 结论本研究基于运行复合绝缘子高光谱污秽程度检测的实际问题，提出了一种实验室内运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术。通过试验及结果分析，得出：）传统的污秽检测方法，不同污秽情况谱线群几乎重合，检测准确度仅有 左右。）基于 建立的检测模型均达 准确率，其中 方法最佳，基本实现了不同拍摄情况下运行复合绝缘子污秽程度的准确检测。本研究侧重于研究高光谱运用绝缘子污秽检测的技术方法，提出了实验室内复合绝缘子污秽度快速检测方法，为日后不同自然污秽等级识别，为现场绝缘子污秽高光谱遥感检测等进一步研究，奠定了一定基础。参考文献：徐森，仵超，李少华，等 雾霾期间绝缘子的积污特性研究 中国电机工程学报，（）：，（）：杨振宇，冯志伟，徐俊鑫 特高压支柱绝缘子阻尼支架设计及减震效果分析 高压电器，（）：，（）：张国宝，杨为，赵恒阳，等 基于 射线三维成像技术的在役 盆式绝缘子缺陷检测 高压电器，（）：，（）：李静，许鹏娟，杨光，等 盐密对污秽复合绝缘子电场与温度场的影响研究 电气工程学报，（）：，（）：陈思富，何佳龙，江孝国，等 绝缘子真空沿面闪络统计学模型常数的初步测量 高压电器，（）：，（）：丁兆帅，吴文海，戴通令，等 盆式绝缘子密封性能有限元分析 高压电器，（）：，年第 期运行复合绝缘子高光谱污秽检测技术（总第 期），（）：，：，：，（）：范超，张血琴，郭裕钧，等 绝缘材料表面污秽颗粒积聚规律研究 高压电器，（）：，（）：金立军，田治仁，高凯，等 基于红外与可见光图像信息融合的绝缘子污秽等级识别 中国电机工程学报，（）：，（）：刘彪，袁文海，董小顺，等 基于改进边缘连接 算法的绝缘子憎水性图像分割研究 高压电器，（）：，（）：孙磊，吴文海，柯坚，等 基于可见光图像的铁路接触网绝缘子污秽状况检测 电瓷避雷器，（）：，（）：李非燕，霍宏涛，白杰，等 基于稀疏表示和自适应模型的高光谱目标检测 光学学报，（）：，（）：刘欢，王雅倩，王晓明，等 基于近红外高光谱成像技术的小麦不完善粒检测方法研究 光谱学与光谱分析，（）：，（）：任晓辉 电网调控自动化系统运行状态在线监视与智能诊断研究及应用 电力系统保护与控制，（）：，（）：文志科，孔晨华，闵绚，等 高光谱遥感检测复合绝缘子运行状态技术研究 高压电器，（）：，（）：邱彦，郭裕钧，张血琴，等 基于高光谱技术的绝缘子污秽成分识别方法 高电压技术，（）：，（）：邱彦，张血琴，郭裕钧，等 基于高光谱技术的绝缘子污秽等级检测方法 高电压技术，（）：，（）：张晓青 基于高光谱技术的绝缘子表面附灰密度检测方法研究 成都：西南交通大学，马欢 绝缘表面污层电导的高光谱检测方法研究 成都：西南交通大学，李光耀 基于高光谱技术的绝缘子污秽状态图谱分析及其识别 成都：西南交通大学，赵全香，李红艳，韩振，等 绝缘子污秽检测方法综述 电气开关，（）：，（）：谢亚平，陈丰农，张竞成，等 基于高光谱技术的农作物常见病害监测研究 光谱学与光谱分析，（）：，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：刘晓旭 基于不同预处理方法的小麦叶片氮素含量的高光谱估测 泰安：山东农业大学，芦永军，曲艳玲，宋敏 近红外相关光谱的多元散射校正处理研究 光谱学与光谱分析，（）：，（）：李鸿强，孙红，李民赞 基于高光谱的马铃薯微型种薯分类检测 分析测试学报，（）：，（）：杜剑，胡炳樑，刘永征，等 基于卷积神经网络与光谱特征的夏威夷果品质鉴定研究 光谱学与光谱分析，（）：，（）：王海珍 基于 的人脸识别技术研究 西安：西安电子科技大学，罗威，吴志攀 一种基于 神经网络的指纹识别技术 现代计算机：专业版，（）：，（）：孙伟，杜宏吉，张小瑞，等 基于 多层特征和 的交通标志识别 电子科技大学学报，（）：，（）：徐睿，梁循，齐金山，等 极限学习机前沿进展与趋势 计算机学报，（）：，（）：作者简介：马御棠（），男，硕士，高级工程师，研究方向为输电线路防灾减灾。：。（上接第 页）邵帅，何俊凌，余永松，等 环氧树脂 酸酐体系热力学特性的分子动力学模拟 绝缘材料，（）：，（）：作者简介：毕茂强（），男，博士，副教授，硕导，主要从事输电线路覆冰及防护，复杂环境中输电线路外绝缘和电工材料老化研究工作。：。彭 豪（），男，硕士，主要从事绝缘材料的老化研究（通信作者）。：。