CN115272560B - 一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法及系统，属于电力三维声成像隐患定位技术领域。本发明方法，包括：确定所述三维点云模型中变电设备、部件以及非设备的点云；在所述三维点云模型中位置和姿态的定位；生成三维声场云图；获取声像图；对声场强度不同距离下的距离权重进行加权平均以更新三维声场云图；获取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块；对变电设备的隐患进行定位。本发明有效的提升声成像在现场运维的效果。本发明有效的利用运维阶段采集的三维点云模型数据。
Description
技术领域
本发明涉及电力三维声成像隐患定位技术领域，并且更具体地，涉及一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法及系统。
背景技术
随着中国经济不断发展，各行各业对电力的需求不断增加，在碳达峰和碳中和的目标指导下，电能成为能源行业中发展最快的行业之一，相比于2011年，2021年国家电网27家省公司运行的变电站/换流站数量翻番，达到了3万多座；电网主设备作为电网安全稳定运行的核心环节，伴随着越来越多新能源的接入，电网主设备的稳定性问题尤为突出，越来越多电力设备状态需要被及时监测；其中，日常巡检是确保电网主设备安全稳定运行的重要环节，但电网运维人员数量近几年并未增加。在电力设备增加和运维人员短缺的情况下，给电网主设备运维带来巨大挑战和变革契机。人工智能技术、新型传感技术可提升电网设备巡检智能化水平。目前，随着巡视机器人、高清视频摄像头、图像识别算法的快速发展，可见光缺陷识别和远程在线巡视技术已用于变电巡视。
但基于图像识别的方式，仅能发现外观类缺陷，无法对设备内部的缺陷进行检测和诊断。声成像技术是基于传声器阵列测量的技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置和强度。声成像技术可以对变压器直流偏磁、过励磁、绕组变形、过负载、铁芯夹件松动、放电和分接开关机械故障等缺陷故障，以及断路器弹簧卡涩、传动机构故障等缺陷故障进行检测和诊断。
但目前声成像在应用过程中存在以下问题：
1)预置位无法区分折反射的声源信号；
由于声成像在线监测装置在部署阶段过程中无法有效预计声源位置，尤其是绕组变形、偏磁、铁芯夹件松动等缺陷出现位置较为随机，其中变电/换流场站环境结构对声源的折反射，因此，很难在布设声成像装置阶段避免折反射的影响，在同一检测位置很难有效区分缺陷声源和折反射的声源信号，导致声源定位错误诊断。
2)缺少三维空间准确定位；
由于声成像图像分析是对完全独立的单张声成像图像进行分析，并且每张声成像图像中各像素的对应的空间坐标信息是缺失的，因此现在的声成像诊断还停留在监测或频谱分析，无法对三维的声场域进行分析和精确的三维空间定位。
3)缺少横向时序比较；
由于声成像图像分析是对完全独立的声成像图像进行分析，声场的最大值、平均值等统计学指标很难进行直接的横向时序比较，因为存在空间位置不匹配的问题，只能给出大致某个区域的统计学趋势，无法直接给出空间某些点时序上的声场变化趋势，对于长期的监测来说，很难对潜在隐患进行提前预警。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法，包括：
确定目标变电设备的拓扑结构，根据所述拓扑结构，构建变电设备的三维点云模型，并根据所述拓扑结构中设备的实际比例对所述三维点云模型进行分割，以确定所述三维点云模型中变电设备、部件以及非设备的点云；
在运动模块上搭载三维声场云图采集装置，通过所述三维声场云图采集装置中的激光雷达确定所述三维声场云图采集装置，在所述三维点云模型中位置和姿态的定位；
在确定三维声场云图采集装置在所述三维点云模型中位置和姿态的定位后，通过所述三维声场云图采集装置采集三维点云模型的二维声像图，并将所述二维声像图映射至三维点云模型上，以生成三维声场云图；
若所述三维声场云图采集装置采集到缺陷频段的声像信号，调整运动模块以再次确定所述三维声场云图采集装置在所述三维点云模型中的位置和姿态的定位，并针对所述缺陷频段的声像信号的来源进行不同角度的采集，以获取声像图；
将所述的声像图映射至三维点云模型上，并确定点云上的点对应的声场强度，对声场强度不同距离下的距离权重进行加权平均以更新三维声场云图；
确定更新后的三维声场云图中移动或消失的声信号来源，并对所述移动或消失的声信号来源进行提取，以获取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块；
提取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块中的声场信息，鼻尖不同时刻的声场信息，确定三维声场云图的时序以确定异响振动缺陷，根据所述异响振动缺陷，对变电设备的隐患进行定位。
可选的，声场信息包括：声场密度、声场范围和点云声场区块中心点。
可选的，变电设备包括，变电站设备以及换流站设备。
本发明还提供了一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位系统，包括：
多线激光雷达模块、声成像模块、三维声场云图采集装置一体化外壳、云台、运动模块、巡检控制模块、边缘计算模块、机载通讯模块、站端通讯模块和分析计算模块；
所述多线激光雷达模块、声成像模块封装在三维声场云图采集装置一体化外壳中，用于同步采集变电设备的三维点云和声像图；
所述云台的底座部分固定在运动模块上，所述云台的运动部分与三维声场云图采集装置固定连接；
所述运动模块，用于控制三维声场云图采集装置的移动；
所述巡检控制模块用于云台和运动模块的位置和姿态的电机控制；
所述边缘计算模块用于采集变电设备三维点云和声像图的配准以及映射，生成三维声场云图，对缺陷频段的声像图进行位置判断，并发送指令控制运动模块调整机器人位置和云台姿态；
所述机载通讯模块用于将三维声场云图数据传输至站端通讯模块；
所述站端通讯模块用于接收三维声场云图数据；
所述分析计算模块用于三维声场云图的异响振动缺陷的三维空间定位，和基于三维点云声场区块的声场密度、声场范围和点云声场区块中心确定三维声场云图的时序分析。
可选的，运动模块，为巡视机器人的移动底座或可移动装置。
可选的，分析模块还用于给出异响振动缺陷的发展趋势和主动预警。
本发明有效的提升声成像在现场运维的效果。
本发明有效的利用运维阶段采集的三维点云模型数据。
附图说明
图1为本发明优选实施方式的高精度三维声场云图变电/换流设备隐患定位方法的流程示意图；
图2(a)为本发明优选实施方式的存在折反射情况的三维声场云图采集图；
图2(b)为本发明优选实施方式的不存在折反射情况的三维声场云图采集图；
图3(a)为本发明优选实施方式的缺陷频率声像图提取示意图；
图3(b)为本发明优选实施方式的缺陷频率声像图与三维点云映射融合示意图；
图4为本发明优选实施方式的三维声场云图变电/换流设备点云声场区块时序分析的流程示意图；
图5为本发明优选实施方式的高精度三维声场云图变电/换流设备隐患定位系统的组成示意图.
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
下面结合本发明的实施例及附图对本发明进行进一步的说明：
本发明的方法如图1所示，包括：
步骤101，构建变电站/换流站三维点云模型，并实例分割出变电站/换流站设备、部件和非设备的点云；
具体地，实例分割出变电站/换流站设备、部件和分设备的点云的目的在于简化三维声场云图分析数据量，首先划分为设备和非设备，对于分设备上的异常频段的声源，可以基本判定为折反射声源或非异常声源；实例分割出设备和部件用于三维声场云图缺陷诊断精确空间定位和分析。
步骤102，三维声场云图采集装置(下面简称装置)可在巡视机器人上搭载，通过装置中的激光雷达实现装置在变电站/换流站三维点云模型中的位置和姿态定位；
其中，运动模块可采用巡视机器人、挂轨式机器人等或其他可移动装置；
其中，三维声场云图采集装置一体化外壳是用于保护多线激光雷达模块和声成像模块，并完成多线激光雷达和声成像模块的外参标定，实现声成像二维坐标系和多线激光雷达三维坐标系的等效转换；
其中，步骤102所述的装置在三维模型中的位置和姿态的定位，是通过三维声场云图采集装置中的激光雷达模块采集的三维点云数据，与已构建的变电站/换流站设备、部件点云数据进行特征点匹配，通过视场的逆变换，实现装置在变电站/换流站三维点云模型中的位置和姿态的定位，实现三维激光雷达坐标系和变电站/换流站三维点云模型的等效转换。
步骤103，通过装置在变电站/换流站三维点云模型中的位置和姿态，将装置采集的二维声像图映射到变电站/换流站三维点云模型上，生成三维声场云图；
具体地，通过声成像二维坐标系与激光雷达坐标系的等效转换，与激光雷达坐标系与变电站/换流站三维点云模型的等效转换，实现二维声成像映射到变电站/换流站三维点云模型上。
步骤104，当装置采集到缺陷频段的声像信号，将调整巡视机器人的位置和姿态，对缺陷频段的声像信号来源进行不同角度的采集；
具体地，通过频率分析，过滤非缺陷频段的声源，将缺陷频段的声像信号映射到三维点云模型上，构建三维声场云图，存在缺陷频段部分的三维点云构成三维点云声场区块；围绕三维声场云图中存在缺陷的三维点云声场区块，通过巡检控制模块，调整运动模块和云台，根据现场可移动范围，实现三维声场云图采集装置从不同位置和角度对该三维点云声场区块的采集。
步骤105，在新的位置和角度采集的声像图映射到变电站/换流站三维点云模型上，点云上的点对应的声场强度通过不同距离下的距离权重进行加权平均，更新三维声场云图；
具体地，步骤105所述的声场强度距离权重加权平均是指：
其中，Ppm是指三维点云模型中的点pm的加权平均后的声场强度，单位为dB；
ppm-k是指在第k个观测点声像图映射到三维点云模型中的点pm的声场强度，单位为dB；
dpm-k是指第k个观测点与三维点云模型中的点pm之间的距离，单位为m；
其中，更新是指一次巡视任务内，不同位置和角度采集的三维声场云图更新，不同巡视任务采集的三维声场云图为不同时序的三维声场云图，分别存放在不同巡视采集任务下三维声场云图数据结构里。
三维声场云图数据结构为las等点云存储结构，示例如表1所示：
表1
步骤106，通过巡视机器人位置和姿态的改变，更新后的三维声场云图中移动和消失的声信号来源可以被判断为折反射声信号；
具体地，如图2(a)所示，由于变电站/换流站结构复杂，在用声成像装置进行异响振动观测时，存在大量反射源和障碍物，因此很难定位到实际声源。当三维声场云图采集装置在位置1采集到S1处有缺陷频段的声源时，三维声场云图采集装置会通过运动模块和云台改变位置和姿态，移动到位置2处采集S1处的声像图，但由于是S1并不是真实的声源。根据反射定律，在位置2处采集的三维声场云图的声源为S2；在位置3处采集的三维声场云图的声源消失。但并没有障碍物遮挡S1，因此可以判断S1的声源实际为反射源。
如图2(b)所示，当改变观测位置和角度时，S1声源在三维声场云图中的位置并不会改变，仅声场强度会因为距离和方向的改变而发生改变，但并不影响对声源和非声源的判断。
此外，点云上的点对应的声场强度通过不同距离下的距离权重进行加权平均，更新三维声场云图，非声源的三维声场云图的点会在多次改变位置和角度后，在三维生场点云的权重不断被削弱，仅保留声源信息。因此基于三维声场云图的方式可以辨别声源和折反射源。
步骤107，提取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块，实现对异响振动缺陷的三维空间准确定位；
具体地，如图3(a)所示，三维声场云图采集装置采集的声像图是一个包含一定频率范围的声像图(如图3(a)左图所示)，但仅有缺陷频段可以表征缺陷声源，因此通过缺陷频谱提取，获取仅包含特征频段的声像图。
如图3(b)所示，通过声成像模块与三维激光雷达模块的外部校准，实现声成像二维坐标系和多线激光雷达三维坐标系的等效转换；通过三维点云视角逆变换，实现三维激光雷达坐标系和变电站/换流站三维点云模型的等效转换；从而实现二维声成像映射到变电站/换流站三维点云模型上，实现异响振动缺陷的三维空间定位。
步骤108，对缺陷频段的点云声场区块的声场密度、声场范围和声场区块中心点提取，根据不同时刻采集的三维声场云图，通过比较同一三维空间位置的点云声场区块的声场密度、声场范围和声场区块中心的趋势，实现三维声场云图的时序分析，给出异响振动缺陷的发展趋势。
具体地，如图4所示，通过缺陷频段划分出点云声场区块，对点云声场区块的点分析平均声场强度、声场范围和声场区块中心。平均声场强度计算公式如下：
其中，是平均声场强度，单位为Pa；
Ppm是pm点的声场强度，单位为Pa；
k是缺陷频段点云声场区块的点的数量；
声场范围S是点云声场区块的面积，单位为m2；
声场区块中心位置O是(xk,yk,zk)；
通过声场区块平均声场强度和声场范围的时序比较，判断异响振动缺陷的发展趋势，随着平均声场强度增加和声场范围的扩大，缺陷严重等级逐渐增加；随着声场区块中心迁移，缺陷严重等级逐渐增加。
本发明的系统如图5所示，包括：
多线激光雷达模块、声成像模块、三维声场云图采集装置一体化外壳、云台、运动模块、巡检控制模块、边缘计算模块、机载通讯模块、站端通讯模块和分析计算模块；
所述多线激光雷达模块、声成像模块封装在三维声场云图采集装置一体化外壳中，用于同步采集变电站/换流站三维点云和声像图；
所述云台的底座部分可固定在巡视机器人的移动底座上，所述云台的运动部分可与三维声场云图采集装置连接固定，实现三维声场云图不同角度的三维点云和声像图的采集；
所述运动模块即巡视机器人的移动底座或其他可移动装置；
所述巡检控制模块用于云台和运动模块的位置和姿态电机控制；
所述边缘计算模块用于采集变电站/换流站三维点云和声像图的配准、映射，生成三维声场云图，对缺陷频段的声像图进行位置判断，并发送指令控制运动模块调整机器人位置和云台姿态；
所述机载通讯模块用于将三维声场云图数据传输至站端通讯模块；所述站端通讯模块用于接收三维声场云图数据。
本发明利用声成像装置采集的二维声成像图和变电站/换流站三维点云模型进行配准融合，构建三维声场云图；利用动态距离权重，从不同角度和距离对声场信息进行动态采集更新，从而实现设备缺陷或噪声的精准定位，削弱折反射信号的干扰；利用配准后的声场云图数据结构，存储时序三维空间点中声场的数据，实现设备部件空间点声场的横向时序比较，根据三维声场云图中声场信息的相似性提取，对提取的三维声场云图进行声场、能量和体积的趋势分析，实现隐患的主动预警。该方法和系统可实现机器人搭载，有效提升电力系统噪声和缺陷检测的效率和准确性。
本发明将有效利用运维阶段采集的三维点云模型数据。目前，三维点云模型数据是通过多线激光雷达扫描采集获得，精细化的三维点云模型扫描成本高；但目前三维点云模型主要用于三维展示，没有充分利用三维点云模型的空间信息和价值；本发明通过将声像图和三维点云数据融合，实现三维点云数据的在变电站/换流站运维阶段的高级应用和有效利用。
本发明将有效的提升了声成像在现场运维的效果。目前声成像在现场使用存在折反射的干扰，缺少三维空间定位以及时序横向比较，因此现场应用效果不佳；且声成像装置的成本高昂，对运维人员使用要求和运维经验要求高，导致声成像技术智能辅助有经验的运维人员作为带电检测的工具，未能充分发挥其价值。本发明将利用三维声场云图技术，有效解决折反射干扰，利用三维点云模型实现异响振动缺陷的空间定位，并通过空间点声场时序变化，判断异常发展趋势，实现变电站/换流站运维“机器代人”，提高电网运维效率，保障电网设备安全稳定运行。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法，所述方法包括：
确定目标变电设备的拓扑结构，根据所述拓扑结构，构建变电设备的三维点云模型，并根据所述拓扑结构中设备的实际比例对所述三维点云模型进行分割，以确定所述三维点云模型中变电设备、部件以及非设备的点云；
在运动模块上搭载三维声场云图采集装置，通过所述三维声场云图采集装置中的激光雷达确定所述三维声场云图采集装置在所述三维点云模型中位置和姿态的定位；
在确定三维声场云图采集装置在所述三维点云模型中位置和姿态的定位后，通过所述三维声场云图采集装置采集三维点云模型的二维声像图，并将所述二维声像图映射至三维点云模型上，以生成三维声场云图；
若所述三维声场云图采集装置采集到缺陷频段的声像信号，调整运动模块以再次确定所述三维声场云图采集装置在所述三维点云模型中的位置和姿态的定位，并针对所述缺陷频段的声像信号的来源进行不同角度的采集，以获取声像图；
将所述的声像图映射至三维点云模型上，并确定点云上的点对应的声场强度，对声场强度不同距离下的距离权重进行加权平均以更新三维声场云图；
所述对声场强度不同距离下的距离权重进行加权平均的计算公式如下：
其中，Ppm为三维点云模型中的点pm的加权平均后的声场强度，单位为dB；
其中，ppm-k为在第k个观测点声像图映射到三维点云模型中的点pm的声场强度，单位为dB；
其中，dpm-k为第k个观测点与三维点云模型中的点pm之间的距离，单位为m；
确定更新后的三维声场云图中移动或消失的声信号来源，并对所述移动或消失的声信号来源进行提取，以获取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块；
提取三维声场云图中缺陷频段的点云声场区块中的声场信息，比较不同时刻的声场信息，确定三维声场云图的时序以确定异响振动缺陷，根据所述异响振动缺陷，对变电设备的隐患进行定位。
2.根据权利要求1所述的方法，所述声场信息包括：声场密度、声场范围和点云声场区块中心点。
3.根据权利要求1所述的方法，所述变电设备包括，变电站设备以及换流站设备。
4.一种使用如权利要求1一种基于三维声场云图的变电设备隐患定位方法的基于三维声场云图的变电设备隐患定位系统，所述系统包括：
多线激光雷达模块、声成像模块、三维声场云图采集装置一体化外壳、云台、运动模块、巡检控制模块、边缘计算模块、机载通讯模块、站端通讯模块和分析计算模块；
所述多线激光雷达模块、声成像模块封装在三维声场云图采集装置一体化外壳中，用于同步采集变电设备的三维点云和声像图；
所述云台的底座部分固定在运动模块上，所述云台的运动部分与三维声场云图采集装置固定连接；
所述运动模块，用于控制三维声场云图采集装置的移动；
所述巡检控制模块用于云台和运动模块的位置和姿态的电机控制；
所述边缘计算模块用于采集变电设备三维点云和声像图的配准以及映射，生成三维声场云图，对缺陷频段的声像图进行位置判断，并发送指令控制运动模块调整机器人位置和云台姿态；
所述机载通讯模块用于将三维声场云图数据传输至站端通讯模块；
所述站端通讯模块用于接收三维声场云图数据；
所述分析计算模块用于三维声场云图的异响振动缺陷的三维空间定位，和基于三维点云声场区块的声场密度、声场范围和点云声场区块中心确定三维声场云图的时序分析。
5.根据权利要求4所述的系统，所述运动模块，为巡视机器人的移动底座或可移动装置。
6.根据权利要求4所述的系统，所述分析模块还用于给出异响振动缺陷的发展趋势和主动预警。
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