基于数学形态学的绝缘子在线监测

1、基于数学形态学的绝缘子在线监测杨文宇12 杨俊杰1 杨旭英1（1.西安理工大学，陕西 西安 ； 2. 西北电网有限公司，陕西 西安 ）New Method for Online Monitoring of InsulatorsBased on Mathematical MorphologyYang Wenyu12 Yang Jun Jie1 Yang Xuying11 Xian University of Technology, Xian Shaanxi, China2 Northwest China Grid Company Limited, Xian Shaanxi, China摘要：（）

2、为了提高染污绝缘子污秽程度预测的准确性。引入了数学形态学对绝缘子泄漏电流信号进行降噪处理.通过选用不同形状的形态学结构元素进行仿真实验，确定了半圆形和线形结构元素更适宜于对绝缘子泄漏电流信号进行噪声抑制. 构建了广义多结构元素串行复合形态滤波器.应用该滤波器对模拟泄漏电流信号和人工污秽实验室中的泄漏电流信号进行滤波处理.结果表明: 该滤波器可以滤除多种噪声的干扰，易于在实际工程中实现.应用该理论设计了基于MSP430单片机的绝缘子泄漏电流在线监测系统.可进一步提高对绝缘子污秽程度的预测效果。关键词：绝缘子 泄漏电流 数学形态学 广义形态滤波 复合形态滤波器 噪声 （）中图分类号:TM855Ab

3、stract：（）For advanced the veracity of insulators pollution degree forecast. A mathematical morphology algorithm is introduced to the insulator leakage current de-noising. By selecting morphology structuring elements with different shape in simulation experiment, we found that semicircle and linear s

4、tructuring elements is suit for de-noising the insulator leakage current signal, and a class of generalized multi-structuring-elements serial complex morphological filter with multiple structuring elements is constructed. We used this filter to de-noise the simulated leakage current signal and leaka

5、ge current signal in artificial contaminated lab. Experiment result indicates that this filter can de-noise variety of noise, and can be easily applied in actual project. An insulators leakage current on-line monitoring system is presented based on Mathematical Morphology and MSP430, which could adv

6、ance the veracity of insulators pollution degree forecast.Key words：Insulator；leakage Current；Mathematical morphology；generalized morphological filter；complex morphological filter；noise; 0 引言随着我国工农业生产的高速发展，输电线路绝缘子污闪问题日益严重1因此，急需开发适应电力系统需求的绝缘子在线监测产品。目前国内现有的一些绝缘子在线监测系统都将泄漏电流峰值、有效值及脉冲个数作为反映污秽程度的特征量2 。但是

7、泄漏电流值通常为A级，而且在线监测系统通常工作于野外恶劣的环境中，因此现场所采集到的泄漏电流信号易受多种噪声干扰的影响，这些干扰也使得泄漏电流正弦波信号峰、谷处易出现震荡起伏现象，一旦绝缘子表面发生干带局部放电或电晕放电现象，泄漏电流就会产生畸变。例如：ESDD= 0.05(1士0. 15) mg/ cm2、50 kV工作电压、3片绝缘子在人工污秽实验室所得到的泄漏电流波形3见图1。可见必须对泄漏电流信号进行降噪处理、以识别其基本形状，提高其检测精度。这对电力运行和管理部门提供准确的判断依据至关重要。1 绝缘子泄漏电流处理方法目前国内外大多数基于单片机或DSP构建的绝缘子在线监测系统都通过模拟

8、电路来消除泄漏电流的噪声干扰4，可靠性比较低，使用不灵活，滤波效果不是很理想，因此单靠仅有的硬件滤波难以做到干净有效的滤除噪声。文5提出采用小波变换对泄漏电流信号进行降噪处理的方案，但是小波变换存在计算复杂、幅度衰减等问题，并且不能滤除脉冲噪声和直流偏移量，影响了滤波效果。数学形态学(Mathematical Morphology)是一种非线性分析方法（本文简称MM），其对信号图1 人工污秽实验所得到的泄露电流典型波形Fig1 Typical leakage current waveforms in the fog chamber（）的处理只有加减法和取极值运算，不涉及乘除法，计算简单6。因而

9、处理速度快、时延小、易于硬件实现。数学形态学已经应用在超高压线路方向保护7-8，介质在线监测处理9，变压器保护10、谐波检测11等领域。本文将数学形态学应用到绝缘子泄漏电流信号噪声的滤除中，较好的改善了泄漏电流信号的波形，提高了检测的精度。实践表明该方法具有一定的有效性和实用性。2数学形态学基本原理数学形态学的运算以腐蚀和膨胀这两种基本运算为基础的12。可以设x是一维多值信号，B为结构元素(某个自定义集合)。而H、 K分别为x和B的定义域，H=1，,N ,K=1，,M，且有MN。则信号x关于B的形态膨胀(也称为“明可夫斯基和”)定义为 (1) 式中p为满足条件的正整数：n=M-1，M，N-1；

10、“”表示膨胀运算。信号x关于B的形态膨胀(也称为“明可夫斯基差”)定义为13 (2)式中v为满足条件的正整数。“”表示腐蚀运算。3 形态滤波器设计 3.1 基本的数学形态学滤波器 形态学中的腐蚀和膨胀是对偶运算，但并不是互逆运算，所以可通过对膨胀和腐蚀运算的不同级联形式构造出多种新的形态学运算。例如可先对信号进行腐蚀然后对其结果进行膨胀运算，或先对信号进行膨胀运算再腐蚀其结果(这里用同一结构元素)。这就形成了两种新的形态学变换，前一种称为开运算，后一种称为闭运算。它们分别定义如下8: (3) (4) 开运算主要是平滑并抑制信号峰值噪声，而闭运算则抑制信号波谷噪声。实际中常采用开一闭运算和闭一开

11、运算对采集到的信号进行滤波，然后取两者的平均值的混合滤波器作为最终的滤波输出。即： (5) 表示滤波器输出信号，f表示滤波器输人信号，g表示结构元素;对于形态开一闭滤波器，先进行的开运算在滤除正脉冲噪声的同时，增强了负脉冲噪声，如果再用相同长度的结构元素进行闭运算，就不能有效地滤除负脉冲噪声，而采样较长的结构元素有利于消除增强了的负脉冲噪声，对于闭一开滤波器也是同样的道理。因此基于形态开、闭运算的定义，选用不同尺寸的结构元素，令后级结构函数宽度大于前级结构函数，构造了一类广义开一闭和闭一开滤波器。定义如下14： (6)式中,表示滤波器输出信号，f表示滤波器输人, ,表示两种不同长度的结构元素。

12、3.2 广义多结构元素串行复合形态滤波器形态学滤波效果不仅取决于形态滤波器和结构元素的大小，而且与结构元素的形状密切相关。不同形状的结构元素适应于不同噪声的滤除。因此尽管广义形态滤波器滤波效果优于一般的滤波器，但由于它只采用了一种结构元素，所以只能适应于一种噪声的滤除。实际中绝缘子泄漏电流信号受多种噪声信号的干扰，其中对泄漏电流值检测精度影响最大的是白噪声、脉冲噪声和直流偏移量，脉冲干扰同时会影响到泄漏电流脉冲个数的测量。因此必须选用不同形状的结构元素对这三种干扰进行滤除。本文在文献14的基础上提出了广义多结构元素串行复合形态滤波器，即：(7)(8)其中为原始信号，和分别为经过两种不同结构元素

13、滤波之后的信号。 、为两种不同大小的结构元素，且，、为另外一种不同形状的结构元素，且。实验表明，该滤波器不仅可以有效的抑制多种噪声，而且保持了更多的有用信息。3.3 滤波效果评价方法为了定量评估形态学的滤波效果，引入一个一致性系数15coef，定义如下: (9)是输入信号，是是经过形态学滤波后的输出信号，由此可知，原始信号的一致性系数为0，该系数越大，说明含噪信号或滤波信号和原始信号相差越大。4算例及分析4.1 仿真算例及分析绝缘子泄漏电流信号主要为基波和3次谐波，因此论文仿真时采用以下模拟电流信号13: (10) (11)其中=314rad/s, 为待检测信号，为脉冲噪声；为幅值为0.1的白

14、噪声；为直流偏移量。由于绝缘子泄漏电流信号中含有闪络脉冲电流信号，而闪络脉冲信号的频率是未知的。实验室中进行的实验表明：采样频率在4-5 kHz时，可以测量到电流中的闪络脉冲16。本文以10kHz的采样率对信号进行采样完全可以满足对信号采样精度的要求。经验表明17：对于白噪声使用半圆结构元素可取得较好的滤波效果。对于脉冲噪声而言一般采用三角结构元素。对于直流偏移量可以选用线型结构元素，并且当线型结构元素长度达到一定值时，就可以滤除基波信号和噪声等高频分量，提取出直流偏移量。因此文中分别选择半径为3和6的半圆结构元素、长度为10和15的三角结构元素对泄漏电流信号白噪声和脉冲噪声进行滤波处理，结果

15、如图2所示。(a) 原始信号(b) 半圆结构元素滤波 (c) 三角结构元素滤波 图2 不同结构元素滤波效果对比Fig2 The Comparison of filter effect from diffrents structuring elements（）由图2可见，对于信号脉冲发生的地方，用半圆结构元素也可以滤除，且滤除效果跟三角结构元素无明显差别。而半圆结构元素使得滤波后信号整体的平滑性优于三角结构元素。尤其在波峰和波谷处，半圆结构元素较好的恢复了原始信号的一些特征，而且基本消除了峰、谷的震荡现象。因此本文选用半圆结构元素滤除信号的白噪声和脉冲噪声。对于泄漏电流信号，在使用半圆结构元素进

16、行白噪声和脉冲噪声滤除的基础上，选择长度为100，与水平方向夹角为0度的线形结构元素对泄漏电流直流偏移量进行提取，如图3所示。(b)为使用半圆结构元素滤除脉冲噪声和白噪声后的信号，(c)为提取出来的直流偏移量，(d)为经过半圆结构元素和线型结构元素串行滤波后的泄漏电流信号。经计算，原始信号和经两种结构元素串行滤波后信号的线性一致性系数Coef为0.1603，可见广义多结构元素串行复合形态滤波器对绝缘子泄漏电流有较好的滤波效果。(a)泄露电流模拟信号 (b) 半圆结构元素滤波 (c)线形结构元素提取直流偏移量 (d)滤波处理后的模拟泄露电流信号图3 模拟泄漏电流信号和滤波信号Fig.3 Anal

17、og leakage current signal and filtering signal（）4.2 实际算例及分析 在人工污秽实验室中，采集4片XP-160绝缘子泄露电流波形如图4(a)示。所加电压为20.450Kv；环境温度为11.8；相对湿度为70o；ESDD=0.05(10.2)mg/cm2. 应用广义多结构元素串行复合形态滤波器，选用不同长度的半圆结构元素和线形结构元素对人工污秽实验所得的泄露电流信号进行滤波处理，结果如图3(b)所示.可见形态学滤波可以明显的改善采样得到的泄漏电流信号，有利于绝缘子污秽程度的判断。(a)人工污秽实验所得泄露电流波形(b) 滤波处理后的泄露电流波形图

18、4实际泄漏电流信号和滤波信号Fig4 Actual leakage current signal and filtering signal（）5 绝缘子泄露电流在线监测系统 在线监测单元以MSP430F149单片机为核心，主要由电源模块、信号预处理单元、通信模块、时钟模块等主要部件组成。原理框图如图5所示。工作原理如下：绝缘子表面泄漏电流经集流环提取后进入电流传感器，电流传感器将采集到的泄漏电流信号放大后送入信号调理电路进行滤波，放大处理等预处理，最后通过限幅网络送入MSP430F149单片机的A/D转换模块。单片机利用片内12位A/D转换模块对泄漏电流信号进行高速采样，并应用形态学滤波算法对

19、采样得到的数据进行滤波处理，求得泄漏电流的平均值、峰值。然后对10mA30mA，30mA50mA，50mA100mA，100mA300mA以及300mA以上5个档位内出现的脉冲次数进行统计。由于泄漏电流是输电电压、环境因素、绝缘子污秽状况综合影响的结果，因此，系统还要对通过温、湿度传感器对环境温度、湿度进行实时测量。所有这些数据被打包后，统一存到MCU的存储区中。通讯模块采用基于GSM网络的短消息(SMS)业务来完成监测单元与后台控制中心的数据通信;GSM模块将MCU存储区采集和处理后的数据定时发送到后台控制中心。控制中心也可以将指令发送到监测单元来完成参数的修改及调整。监测系统采用太阳能供电

20、技术，可保证长时间稳定运行。 图5 绝缘子泄漏电流在线监测系统原理框图Fig.5 Block diagram of insulator leakage current on_line monitoring system （）6 结束语 本文针对绝缘子泄漏电流信号噪声的特点，提出了广义多结构元素串行复合形态滤波器，可以同时滤除多种噪声的干扰。实验表明，该方法可以明显的改善泄漏电流信号的波形，提高其检测精度。基于该理论设计了绝缘子泄漏电流在线监测系统，为电力部门从目前的计划检修向状态检修转化提供了条件。可以预见数学形态学在电力系统其它设备的实时监测中也有着广阔的应用前景。参考文献：1 李波，李先念

21、，等变电站绝缘子污秽在线监测技术J高电压技术，2008，34(6)：1288-1291LI Bo，LI Xian-Nian，et alContamination of Substation Insulators on-line monitoring technology J High Voltage Enginrreing，2008，34(6)：1288-12912 杨文宇，王建渊，等.GSM与模糊诊断的绝缘子在线监测J.高电压技术，2004, 30(7):31-33.YANG Wen-yu，W Jian-yuan，et alOn-line monitoring system for insu

22、lators on HV lines baesd on GSM and fuzzy logic diagnostic technologiesJHigh Voltage Enginrreing，2004，30(7)：31-333 Felix AmarhElectric transmission line flashover prediction systemDArizona State in USA:Arizona State University，20014 黄新波绝缘子泄漏电流在线监测系统的设计与应用电测与仪表，2007，44(497)：9-14HUANG Xin-BoDesignatio

23、n and application of an on-line monitoring insulator leakage current systemJElectrical measurement&-Instrum entation, 2007，44(497)：9-145 赵汉表，林辉，等小波变换在绝缘子泄漏电流检测中的应用J高电压技术，2005，4(31)：34-36ZHAO Han-Biao，LIN Hui，et alNew method for leakage current detection of Insulators based on wavelettransformJHigh V

24、oltage Enginrreing,2005，4(31):34-36.6 吴青华，张东江形态滤波技术及其在继电保护中的应用J电力系统自动化，2003，27(7)：45-49WUQing-Hua，ZHANG Dong-Jiang. Morphologcal filtering techniques and applicationsinprotection relayingJAutomation of Electric Power Systems，2003，27(7)：45-497 林湘宁，刘沛，等.基于故障暂态和数学形态学的超高速线路方向保护J.中国电机工程学报，2005, 25 (4) ；1

25、3-18.LINXiang-Ning，LIUPei，etalULTRA- HIGH-SPEED line directional protection based on transientandmathematicalmorphologyJProceedings of The CSEE，2005， 25 (4)：13-188 林湘宁，刘沛，刘世明,杨春明电力系统超高速保护的形态学一小波综合滤波算法J中国电机工程学报，2002，22(9)：19-24LIN Xiang-ning，LIU Pei，LIU Shi-ming，Yang Chun-mingA novel integrated morph

26、ology wavelet filter algorithm used for Ultra-High speed protection of power systemsJProceedings of the CSEE，2002，22(9)：19-249 王楠，律方成数学形态学滤波预处理tans在线监测数据J高电压技术，2003.29(7):32-33.WANG Nang，LV Fang-ChengData Preprocessing of on-line monitoring tan based on mathematical morphology filterJHigh Voltage En

27、ginrreing， 2003，29(7)：32-3310 郑涛，刘万顺，等一种基于数学形态学提取电流波形特征的变压器保护新原理J中国电机工程学报，2004，24(7)：18-24ZHENG TaoLIU Wan-Shun，et alA new algorithm based on the mathematical morphology for power transformer protectionJProceedings of the CSEE, 2004，24(7)：18-2411 曾纪勇，丁洪发，等一种基于数学形态学的谐波检测方法J电力系统自动化，2005，29 (6) ：55-59Z

28、ENG Ji-yong，Ding Hong-fa,et alA harmonics detection method based on mathematical morphologyJAutomation of Electric Power Systems， 2005，29 (6) ：55-5912 全玉生，李学鹏，等基于形态学的高压直流输电线路的行波去噪J高电压技术，2006，32(9)：153-159QUAN Yu-Sheng，LI Xue-Peng，et alStudy of traveling wave filter of HVDC transmission line based on

29、 mathematical morphologyJHigh Voltage Engineering，2006，32(9)：153-15913 曾纪勇，丁洪发，等基于数学形态学的谐波检测与电能质量扰动定位方法J中国电机工程学报，2005，21(25)：57-62ZENG Ji-yong，DING Hong-fa，et alHarmonics detection and disturbance location methods based on mathematical morphologyProceedings of the CSEEJ，2005，21(25)：57-6214 王楠，律方成，等自适应广义形态滤波方法在介损在线监测数据处理中的应用研究J中国电机工程学报，2004，24(2)：161-165WANG Nang，Lv Fang-Cheng，et alStudy on application of adaptive