引言

在電力系統(tǒng)中，絕緣子污穢問題一直是影響輸電線路安全運(yùn)行的重要因素。傳統(tǒng)的污穢檢測方法存在效率低、準(zhǔn)確性差等問題。為了提高檢測效率和準(zhǔn)確性，本研究提出了一種基于高光譜相機(jī)的絕緣子污穢檢測裝置，該裝置集成了無人機(jī)技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和防護(hù)技術(shù)，旨在為電力系統(tǒng)的維護(hù)和檢測提供一種全新的解決方案。

裝置組成

1.無人機(jī)

作為檢測裝置的載體，無人機(jī)提供了靈活的空中移動(dòng)能力，使得檢測組件能夠快速接近并定位到需要檢測的絕緣子位置。無人機(jī)的使用大大提高了檢測工作的效率和安全性。

2.檢測組件

檢測組件的核心是高光譜相機(jī)，它能夠捕獲絕緣子表面的光譜信息。通過對這些光譜信息的分析，可以準(zhǔn)確地評(píng)估絕緣子表面的污穢程度，為電力系統(tǒng)的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

3.防護(hù)組件

防護(hù)組件包括清理管、驅(qū)動(dòng)組件、防撞板、彈簧、固定殼、限位板、滑桿和緩沖板等。這些部件共同構(gòu)成了檢測組件的保護(hù)系統(tǒng)，確保在檢測過程中裝置的穩(wěn)定性和安全性。

工作原理

1.快速散熱與清潔

驅(qū)動(dòng)組件中的扇葉產(chǎn)生風(fēng)流，不僅對檢測主體進(jìn)行快速散熱，避免高溫?fù)p壞，還將熱風(fēng)傳遞至檢測鏡片上，清除鏡片上的灰塵，同時(shí)避免因低溫產(chǎn)生的水霧，確保檢測效果。

2.抗沖擊保護(hù)

檢測主體外側(cè)的防撞板、彈簧、固定殼等部件構(gòu)成了一個(gè)有效的抗沖擊保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)檢測主體受到外物撞擊時(shí)，這些部件能夠吸收沖擊力，保護(hù)檢測組件不受損害。

主要特點(diǎn)

1.高效性：無人機(jī)的使用極大地提高了檢測的靈活性和效率。

2.準(zhǔn)確性：高光譜相機(jī)的應(yīng)用使得污穢檢測更加精確和可靠。

3.安全性：防護(hù)組件的設(shè)計(jì)確保了檢測裝置在各種環(huán)境下的穩(wěn)定性和安全性。

4.創(chuàng)新性：該裝置結(jié)合了多種先進(jìn)技術(shù)，是電力系統(tǒng)檢測領(lǐng)域的一次創(chuàng)新嘗試。

污穢成分的高光譜分類識(shí)別原理

高光譜技術(shù)原理

高光譜技術(shù)是集信息采集、信息處理、光譜捕捉及分析等多領(lǐng)域于一體的新型綜合性影像技術(shù)，能夠同時(shí)記錄目標(biāo)圖像及光譜數(shù)據(jù)。其中，成像光譜儀的光譜輻射、校準(zhǔn)和光譜信息處理是光譜成像的關(guān)鍵技術(shù)。高光譜成像的分光原理包括干涉型、濾光片型和色散型。其中，色散型光譜分辨率高、成像穩(wěn)定，可對直線上所有像素點(diǎn)同時(shí)計(jì)算，因此本實(shí)驗(yàn)選用了基于光柵色散原理的高光譜成像儀。圖１為光柵色散成像原理：光經(jīng)過光柵后，因波長差異產(chǎn)生不同的衍射角，進(jìn)而使光發(fā)生色散，將同一點(diǎn)的入射光分解成不同波長處的能量分布，并由傳感器像元進(jìn)行測量，同時(shí)獲得目標(biāo)物體一條線上的光譜信息，通過移動(dòng)待測樣品或鏡頭可實(shí)現(xiàn)整體成像。

圖１光柵色散成像原理

絕緣子表面污穢成分復(fù)雜多樣，其中可溶性成分主要為CaSO4，近海地區(qū)絕緣子污穢中NaCl含量較高，不溶物則主要為Al2O3和SiO2。污穢成分的微觀結(jié)構(gòu)不同，在不同波段下對光的吸收和反射程度也不同，因此不同物質(zhì)的反射光入射到探測器后，波段之間的能量存在差異，進(jìn)而可生成該物質(zhì)獨(dú)有的“指紋”曲線，依據(jù)此特性能夠?qū)ξ镔|(zhì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別。高光譜技術(shù)由于其具有廣泛波段及高分辨率特性，能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離、高精確度、無損地對污穢成分進(jìn)行識(shí)別。

１.２反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過對誤差進(jìn)行逆向傳播從而校正結(jié)果的方法，利用梯度下降法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輸出值與真實(shí)值誤差均方差最小化，對解決非線性工程問題有較好的效果。圖２為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。如圖２所示，通過輸入層將原始數(shù)據(jù)讀取至系統(tǒng)內(nèi)，經(jīng)隱藏層進(jìn)行計(jì)算，最后獲得對應(yīng)的輸出結(jié)果，訓(xùn)練時(shí)輸出層與實(shí)際的誤差經(jīng)過反向傳播用于提高結(jié)果精度。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算主要分為兩個(gè)過程，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)初始化，而后按照規(guī)則前向計(jì)算。在建立絕緣子表面污穢成分。識(shí)別模型時(shí)，可以將不同污穢成分譜線的特征波段作為輸入層信息，經(jīng)過訓(xùn)練函數(shù)得出對應(yīng)的結(jié)果，通過與標(biāo)簽進(jìn)行對比減小誤差，從而提高分類識(shí)別的精確度。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的非線性映射能力，并且能夠快速開展現(xiàn)場檢測，因此本實(shí)驗(yàn)利用該算法建立污穢成分的分類識(shí)別模型。

圖２反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

實(shí)驗(yàn)樣品和數(shù)據(jù)

圖３高光譜線掃描平臺(tái)

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圖４背景基材

?

圖５試驗(yàn)樣品

陶瓷基材底色為較光滑的純白色，當(dāng)涂覆污穢量較少時(shí)，背景基材對光線的反射效果更明顯，從而影響了實(shí)際污穢成分的光譜檢測結(jié)果。此外，部分單一污穢例如NaCl、MgCl２、KCl和Al2O3在污層干燥后會(huì)析出細(xì)小顆粒，不能完全覆蓋基材。當(dāng)基材為硅橡膠片時(shí)，上述４種污穢成分受到基材背景像素的譜線影響，整體趨勢相似。而CaSO4與高嶺土呈現(xiàn)細(xì)密的白色顆粒，基材對其影響較小，此兩種污穢成分的譜線更相近；而當(dāng)基材為陶瓷片時(shí)，由于NaCl、MgCl２、KCl和Al2O3的覆蓋面小，陶瓷片的反射率高，影響著整體的譜線趨勢，整體均與CaSO4和高嶺土譜線接近，因此造成了識(shí)別準(zhǔn)確率的下降。為此，在對陶瓷絕緣子進(jìn)行高光譜成分檢測時(shí)，需要注意污層較薄的位置數(shù)據(jù)可能與真實(shí)值存在明顯差距，檢測時(shí)應(yīng)盡量避免檢測污層較稀薄的位置。

?圖７單一污穢成分標(biāo)準(zhǔn)譜線

如圖７所示，不同物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)譜線差別較大，因此可作為污穢物質(zhì)分類識(shí)別的基礎(chǔ)。此外，由于不同波段上的反射強(qiáng)度和峰谷特征不同，則需通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式更好地捕捉細(xì)微特征，從而進(jìn)行物質(zhì)區(qū)分。

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結(jié)論

基于高光譜相機(jī)的絕緣子污穢檢測裝置，通過技術(shù)融合和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為電力系統(tǒng)的維護(hù)和檢測提供了一種高效、準(zhǔn)確、安全的解決方案。該裝置的成功研發(fā)和應(yīng)用，將有力地推動(dòng)電力系統(tǒng)檢測技術(shù)的進(jìn)步，提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和可靠性。