基于多数据融合技术的超高压直流输电线路接地极状态分析和异常预

2023年12月14日发(作者：神秘访客)

基于多数据融合技术的超高压直流输电线路接地极状态分析和异常预警大数据系统设计发表时间：2018-06-25T17:06:52.493Z 来源：《电力设备》2018年第3期 作者： 白鑫1 冯跃1 夏治侃1 苏云东1 胡天宇1 周杨[导读] 摘要：针对目前超高压直流输电系统接地极的检测多采用人工现场检测特点，这种方式无法获得接地极的实时运行数据。 （1.云南电网有限责任公司文山供电局 文山 663000；2.云南大学信息学院 云南省昆明市 650504） 摘要：针对目前超高压直流输电系统接地极的检测多采用人工现场检测特点，这种方式无法获得接地极的实时运行数据。为了满足安全需求和降低运维成本，设计了一种接地极在线监测系统，该系统采用智能传感器、图像处理和3G无线通信技术，可远程在线监测接地极电流、观测井水位等重要运行数据及接地极现场视频数据，实现对接地极的故障诊断及预警。系统数据精度高和远程传输快，具有很好的野外运行稳定性。 关键词：接地极；智能传感器；图像处理；在线监控 0 引言 电力系统中的电气装置、设施的某些导电部分，经过接地线连接至接地极，接地极地处高原山区，雷雨大风等特殊天气较多。 由于接地极设备长期不带电压，受外力破坏概率高，致使接地极故障率偏高，检修人员查找故障费时费力，严重影响了供电的可靠性。同时，检查环境恶劣，尤其是对检测井和渗水井的定期检查工作量大，若不能及时发现接地极地表干燥，泥土枯焦等情况，及时注水，让干旱的土壤恢复湿度将严重影响接地极可靠性。因此本项目研究一套远程接地极运行工况在线检查系统，通过温湿度探头和图像处理信息综合判断接地极周边大地土壤导电特性，帮助运维人员迅速查找干旱点、水涝点，缩短故障查找时间，提高工作效率。 系统监测的研究内容一般包括对接地极故障检测、故障定位、故障预测以及故障修复等。直流输电系统监测的研究还在起步阶段，近年来国内外针对不同种类的接地极提出了各种的监测技术，产生了大量行之有效的故障检测方法。现有的针对接地极的监测技术主要从以下的三个角度进行考虑，分别是：接地电缆分流情况、接地极土壤的环境（温度、湿度等）、图像监测等方面进行监测。 基于直流输电线路接地极系统监测的特点，本文在总结传统方法的基础上，对接地极故障监测方法进行总结，分别从故障检测、故障定位两个方面对接地极的故障监测方法进行分类研究并对研究现状进行详细的论述，并详细探讨了现阶段存在的问题以及其未来的发展趋势。 1接地极在线监测系统的总体结构 本文设计的接地极在线监测系统由现场多功能监测终端、通信系统、数据预警分析系统三部分组成。现场多功能监测终端对现场监测数据进行采集：温湿度检测系统，用于通过温湿度传感器，对接地极附近下层土壤的温湿度进行数据搜集和状态监控；现场图像采集系统，通过摄像头对接地极附近地表环境进行图像采集和初步图像处理。通信系统采用电力内网或者移动数据通信网进行通信，连接现场检测设备和后台监控中心的业务处理系统。数据预警分析系统用于数据融合、存储、预警、统计分析，结合前面接地极地表和下层土壤的环境数据进行分析，对于可能出现危险的情况进行预警提醒并对异常提供维护建议。 2监测系统功能说明 前台多功能监测系统通过采集接地极入地电缆的馈电电流、监测井水位、极址附近土壤温度湿度、气象环境、图像视频等，并将采集到的数据上传至监控中心。多功能监测基站安装于监测井附近，通过温度湿度传感器、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接地极附近的图像信息。 2.1 前台监测系统的构成 本监控子系统主要包括数据采集器系统、处理系统、存储系统、电源系统、多种传感器及通信系统。其中传感器包括温度传感器、湿度传感器、视频采集摄像头、激光周界安防探头。另外，数据采集器系统提供行业通用的传感器接口，可以插入其他类型的传感器，方便系统业务的扩展。在接地极分支塔上安装检测装置，整个检测装置均置于屏蔽箱中。将从观测井内引出的水位、水温传感器和分支塔上的摄像头接入检测终端。 2.2 前台监测系统数据处理 数据处理前台监测系统的数据处理核心单元由单片机和看门狗定时器以及存储器和开关电源模块构成。CPU支持电路主要有红外接口电路、时钟电路、非易失性存储器、看门狗电路组成。另外还具有电源管理控制功能，在保证系统正常工作情况下降低功耗。 3内部算法软件研发 3.1内部算法系统的组成 后台系统功能为数据的接收、存储、处理、诊断和预警等。该系统根据前台发送的接地极入地电流、观测井内水位、水温、接地极土壤图像等数据，利用系统设置的安全运行标准诊断，进行故障定位和报警等功能。后台设计了图形化的友好界面，可以实时查看当前状态数据、翻看历史状态数据。 3.2后台系统业务处理 1）对传感器数据的滤波处理过程 对采集的温湿度原始数据依次进行中值滤波和均值滤波，用于去掉噪声点和异常点，生成平稳状态的数据，其中中值滤波（1）和均值滤波（2）公式如下所示： （1） （2） 其中、和分别为原始数据、中值滤波结果和均值滤波结果，、分别为中值滤波和均值滤波的窗口大小，为数据序号。 2）对接地极附近地面采集图像数据的处理过程 通过摄像头从高位采集接地极附近地表的rgb彩色图像，将rgb空间转换为hsv空间数据，并使用hsv空间图像进行不同颜色识别，通过地表颜色不同状态用于初步判断地表的湿地、水池及旱地所在位置。 对图像使用Canny算法进行边缘检测，求解出上一步通过颜色检测到的各区域的边界，其中Canny边缘检测算法的步骤为：

A用高斯滤波器平滑图像；

B用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向；

C对梯度幅值进行非极大值抑制；

D用双阈值算法检测和连接边缘。

3）分析预警系统的处理过程 分别将图像采集的接地极的环境数据和通过温湿度传感器采集的接地极所在土壤的温湿度数据进行建模，记录正常状态下的数据模型。 为了能够实现异常预警，对采集到的实时数据经过计算机的模型计算，当检测数据的统计量超过控制限，则该时刻的数据样本是故障的，当故障数据累计达到一定数值时，即表明系统出现故障，需要工作人员及时查明情况，排除险情。 4大数据系统的实现 大数据系统的主要包含三个处理阶段：数据采集、数据存储、数据加工。 数据采集子系统：主要前端监控系统把接地极现场数据采集并传输到数据存储中心。数据存储子系统：现场数据获取后，经过通信系统把数据存储到平台的存储子系统，该系统采用Hadoop平台实现。数据应用子系统：主要是对前期采集到的现场数据进行分析统计，利用接地极预警分析商业智能进行数据分析和数据挖掘。 结语 本文设计的接地极在线监测系统，通过无线通信网络可同时传送多路监测数据和视频，数据传输速度快、图像质量高。分析和预警系统能及时提供状态信息并在异常时产生报警信息，人工通过实时数据和视频复核接地极整体运行状态，并根据情况给出应对策略。该系统可显著降低接地极检测的工作量，节约人工日常巡检的成功。 参考文献： [1]郭明.基于数据驱动的流程工业性能监控与故障诊断研究[D].博士学位论文.杭州：浙江大学.2004.1.

[2]赵笑琦.特高压直流输电接地极在线监测系统设计[D].硕士学位论文.北京：北京交通大学.2015.3.

基金项目：基金名称 云南省教育厅科学研究基金（编号：2015Y019）；

基金名称 云南省科技计划应用基础研究（编号：2014FB112）