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二进制图像分析的变压器油气相色谱故障诊断方法

发布时间:2014-02-19 16:00所属分类:数字图像处理浏览:14次

 摘 要:针对三比值法在变压器油气相色谱分析中的局限性,采用雷达图来直观的表示油中溶解气体的相对含量,建立典型的故障类型雷达图模型。利用MATLAB将待测数据雷达图图像与典型的故障类型雷达图像做二进制图像相似度计算,依此给出某些故障的发生概率,

   摘 要:针对三比值法在变压器油气相色谱分析中的局限性,采用雷达图来直观的表示油中溶解气体的相对含量,建立典型的故障类型雷达图模型。利用MATLAB将待测数据雷达图图像与典型的故障类型雷达图像做二进制图像相似度计算,依此给出某些故障的发生概率,提供潜在故障出现的可能性,避免三比值法的结果单一性。

  关键词:变压器;气相色谱分析;雷达图;二进制图像;故障诊断

  Transformer Fault Diagnosis Method of Gas Hromatographic Analysis Using Computer Image Analysis

  HU Jingtao ,JIONG Qiong, SONG Mingling,CHEN Chun, LI Xiaolong 

  (Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

  Abstract:According to the limitations of Three ratio method in Gas chromatographic analysis of transformer, uses radar chart to show the relative content of gases dissolved in oil intuitively, sets up the typical radar chart modeles of fault type. Calculates the similarity of binary images of the radar chartes prepared to be tested and typical modeles of fault type, to export the probability of some failures,provids the possibility of potential failures,avoids the unicity of results by the three ratio method.

  Key words:transformer; gas chromatographic analysis; radar chart;binary image; fault diagnosis

  1 引 言

  现在我国的变压器诊断过程一般都依据《变压器油中溶解气体分析和判断导则》(国标GB/T 7252-2001和行标DL/T 722-2000)推荐的改良的三比值法。但是此方法仍然存在一定的局限性,无论是从其应用原则和判断过程中仍然不尽人意。首先,在应用原则上,只有根据气体各组分含量的注意值或气体增长率的注意值有理由判断设备可能存在故障时,气体比值才是最有效的。其次,结果的单一性,即便是将三比值法规则体现在计算机语言中,只增加了判断的速度,并没有提供其他潜在故障出现的可能性,导致诊断结果的准确度不高。

  针对变压器故障本身的复杂性和不确定性,以及检测过程中可能出现的偏差,如何避免使用三比值法带来的结果单一性和不高的准确性,而利用计算机分析二进制图像相似性结合概率统计分析给出某些故障出现的概率,提供潜在故障出现的可能性,同时利用雷达图的表示方法将检测数据以图像的方法表现出来,为电力系统操作人员直观的了解变压器中气体的各项指标,进行人工参考提供基础依据。

  2 雷达图模型

  21 特征气体雷达图模型

  研究表明,变压器故障诊断与变压器油中溶解的特征气体的相对含量有关,本研究雷达图的五个坐标轴也是由H2、CH4、C2H6 、C2H4、C2H2 这五种典型的油中溶解特征气体的相对含量来表示。根据对变压器油气相色谱分析测得的大量数据做统计方差分析计算,方差最小即气体增长率最低的气体依次是C2H6

  CH4 (μL/L)—a; H2 (μL/L)—n1a;

  C2H4(μL/L)—b; C2H2(μL/L)—n2b;

  C2H6(μL/L)—n3b

  式中,n1=H2/CH4,n2=C2H2/C2H4,n3=C2H6/C2H4。

  根据雷达图的结构结合变压器油中特征气体测量中独有的倍数关系,采用雷达图表示时需要进行对数变换。五个同心圆表示为:最小的圆圈表示的是0.1倍关系,从内到外倍数关系依次为0.1、1/3、1、3、10,高于10倍的情况统一定义为等于10倍。由于实际中CH4、C2H4分别被赋值为a、b固定长度,实际上要进行的相似比较的雷达图经过裁剪如图1所示。

  22 典型故障模型

  典型故障模型最初由三比值法转换而来,根据行标DL/T 722-2000,故障类型可分为九种,每种故障类型可能出现多个编码组合,如故障类型低能放电对应的编码组合有200、201、202、210、211、212六种,故障类型的典型雷达图模型将会有存在可伸缩的区域。我们根据《导则》,将其中的气体比值进行换算,得出建立故障模型的各项数据关系,再将九种典型故障类型雷达图模型绘制出(如图2所示)。在图中我们将黑色区域定义为故障发生必备区域(表示为An,n=1,2,3…9),灰色部分为伸缩区域(表示为Sn,n=1,2,3•••9),白色部分为故障不发生必备区域(表示为Bn,n=1,2,3…9)。故障类型高温过热(高于700℃)不存在故障发生必备区域,故障类型低能放电不存在故障不发生必备区域。

  3 油色谱数据图像分析

  31 二进制图像

  位图图像,也称为点阵图像或绘制图像,是由称作像素的单个点组成的。二进制图像是只有两个色阶的灰度位图。根据二进制图像的特点,图像上的每个像素点赋值0或1,以简化图像相似度计算。

  32 相似度计算

  根据二进制图像的特点,将二进制图像原图A用矩阵的方法表示出来为:

  A=a11a12…a1na21a22…a2nam1am2…amn,若待测图B=b11b12…b1nb21b22…b2nbm1bm2…bmn,比较两张图像的相似性时将两个矩阵相加得:

  I=A+B=I11I12…I1nI21I22…I2nIm1Im2…Imn。设A、B中白色的相同的像素点为aij和bij,黑色部分相同的像素点为aop和bop,A中为黑色B中为白色的像素点为ars和brs,A中为白色B中为黑色的像素点为axy和bxy。由此可以推出两张二位图相加后的四种情况:aij +bij =Iij =0aop+bop=Iop=2ars +brs =Irs =1axy +bxy =Ixy =1由以上可知两张图片的不同部分为I中值为1的点Irs和Ixy ,相似度比较范围为原图A中像素点为1值的点aop和ars,再设n(Irs=1),n(Ixy=1),n(aop=1),n(ars=1)分别为矩阵I中Irs=1、Ixy=1、A中aop=1、ars=1的元素个数。由此可以推导出图像B与图像A的相似度为:

  相似度=1-n(Irs=1)+n(Ixy=1)n(aop=1)+n(ars=1)

  式中,n(Irs=1)+n(Ixy=1)即为I矩阵中所有元素为1的个数,n(aop=1)+n(ars=1)即为A中所有元素为1的个数。两张图片必须像素大小相同,否则无法进行相似度计算。典型故障模型中存在伸缩区域,所以分两次来分别比较故障发生必备区域和故障不发生必备区域的相似性,最后取相似度最高的值作为结果。

  33 油色谱数据分析

  3.3.1 典型故障模型雷达图二进制图像

  在MATLAB中绘制雷达图需要用到系统函数polar,原polar函数默认的显示格式为每隔30度显示一条径向线并进行角度标注,需要将polar进行修改并建立新函数apolar。极坐标上不能用对数坐标轴,故要将数据进行对数转换。同时由于导出的二进制图像会出现一定程度的拉伸,因此要用到命令axis([-2 2 -2 2]);和daspect([1 1 1]); 最终导出的典型故障类型雷达图模型An(n=1,2,3…9)部分图像如图3所示。

  由图2我们可以看到,故障类型高温过热(高于700℃)不存在故障发生必备区域,因此图4中也不存在此区域,而只需要计算故障不发生必备区域的相似度即可。

  3.3.2 数据计算

  MATLAB中需要使用阈值操作将图像转换为二进制图像。通过使用函数graythresh和im2bw创建一个新的图像bw,即是一个元素值为0和1的矩阵,而在MATLAB中值为0

  的像素点为黑色,而值为1的像素点为白色,需要将修改算法:

  相似度=1-n(Irs=1)+n(Ixy=1)n(aij=0)+n(axy=0)

  4 实例分析

  分别将九组变压器故障的数据输入程序进行实例分析[9-10],取概率最大的两到三种故障类型,列表1所示(《导则》即为行标DL/T 722-2000):

  由上表可以看出程序分析的结果绝大多数和《导则》的判断结果一致,而第六和第七组的结果却不一样。第六组变压器在停电后高压试验班做高压侧直流电阻发现,三相电阻不平衡,同一相电阻出现连续两档一样的情况。经吊芯检查发现,中压侧分接开关4档三相动静触头均严重烧损,高压、中压绕组外侧上部附着很多黑色碳粒[9]。由于变压器很可能同时伴随有多种故障同时发生,因此程序分析的结果也有一定的参考性。第七组变压器经吊罩检查,确定故障原因是高压套管均压球与导管接触不良,造成均压球与导管之间产生悬浮电位放电[10]。将第七组数据输入主程序1(Test1),得到待测雷达图和对比范围图(图4)。图4中,绿色直线框为待测图的范围,蓝色直线框为故障发生必备区域An,蓝色直线框外红色直线框内为伸缩区域Sn,红色直线框外黑色直线框内为故障不发生必备区域Bn。从图中可以看出,待测图明显与低能放电的相似度很高,但是分析结果计算显示电弧放电的相似度要稍微高一些,因为故障模型尚在检测阶段,计算条件的判断的和阈值的确定还需更进一步的研究。相反此结果正显示出了潜在故障电弧放电存在的可能性。

  5 小 结

  现有的故障诊断方法如特征气体法、三比值法、无编码比值法,虽然在一定范围上有良好的性能,但局限性也很明显,太绝对化且不能有效的处理不精确性、不完全性和不确定性信息。本研究利用计算机分析图像相似性的方法来对变压器故障进行诊断,比绝对化的三比值法有一定的优越性,

  但同时也存在精确性不足的现象,原因是典型故障雷达图模型就是以典型三比值法转换而来,要提高判断的准确性必须要建立数据库来不断的修正阈值,对变压器故障诊断的实例诊断还有待进一步的研究。

  参考文献

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