国网上海市电力公司浦东供电公司 上海 200120
摘要：输电线路电晕效应是导致电磁环境问题的重要因素。输电线路导线电晕放电效应差异性的根本原因是导线长期运行带来的导线表面状态变化。由于现有的导线表面粗糙度测量方法实验步骤繁琐且经济性不高，尝试采用图像处理技术来有效估算导线表面粗糙程度。本文利用扫描电子显微镜法获取导线表面形貌图，基于灰度值矩阵，对拍摄图像提取图像灰度值矩阵方差这一特征参数。将该特征参数与导线表面粗糙程度进行拟合，观察其拟合公式与相关系数，并进行误差分析。计算得知其误差较小，利用图像处理技术来估算导线表面粗糙度的方法具有一定的可行性与有效性。
关键词：图像处理技术；导线表面；粗糙度；特征参数
1 引言
近几十年来，伴随着国民经济的迅速发展，我国电网的规模在不断扩大，电压等级也在逐步提高，新的超、特高压输电线路工程的建设工作也在步步落实。然而，超、特高压输电线路在带电运行时可能会出现电晕效应，产生可听噪声和无线电噪声干扰，对附近居民的正常工作生活及身心健康都产生一定的影响。导线长期运行后，其表面状态的变化是导致其电晕放电效应差异性的根本原因。
国内外对于导线表面的研究大多在于人工模拟导线表面的积灰染污情况，并据此做电晕方面研究，从理论分析导线表面可能状态的影响，在模拟导线表面粗糙度时具有一定的主观随意性，无法完成对实际污秽导线的研究，缺少一定的工程实际意义[1]。少数研究者考虑到实际导线表面的腐蚀积灰情况，取用实际导线根据三维轮廓测算其表面粗糙度信息，但这种粗糙度测算方法成本高，经济性低，不利于后期的实验发展[2]。图像处理技术虽然已经广泛应用于各个领域，但在金属腐蚀方面，图像处理技术大多用来分析金属腐蚀点个数和腐蚀点面积，从而来判断金属腐蚀程度[3]。对于导线表面状况，显然不能仅止于腐蚀坑个数的统计，还需要利用表面拍摄图像对腐蚀深度、积污凸起高度等与表面粗糙度有关的特征都一一进行分析。
本文以电力部门获取的北京、山东等地的老化导线为对象，首先对导线样本表面形貌进行图像采集，然后从图像中提取出能够体现导线表面粗糙程度的量化特征参数。根据导线表面三维轮廓形貌进行粗糙度测量结果，将其与图像提取的特征参数进行拟合，总结出规律。
2 基于灰度值矩阵的图像特征参数
利用计算机进行处理的必须是数字图像，其基本元素为像素。灰度为像素的亮度，用来表现黑白图像像素间的区分程度，用级数表示，一般为2n等级，如1级，32级和256级。其中，数字0代表全黑，数字255代表全白，以此线性插分得到其余灰度。经过数字化处理后的灰度图像可以表示成一个由像素灰度值组成的矩阵——灰度值矩阵。矩阵中每个元素都有两种属性：坐标和大小。坐标是由数字化处理时扫描采样点得到，对应着图像中某一像素点的位置。矩阵中元素的大小则代表该元素坐标对应图像像素点的灰度值。
理论上说，图像灰度可以反映该表面位置第三维的信息。因此可以认为导线表面图像的灰度值矩阵在一定程度上体现了导线表面的粗糙程度，即灰度值大（亮）对应的表面位置凸起，其值越大，凸起越高；反之，灰度值小（暗）对应的表面位置凹下，其值越小，凹下越深。但由于灰度值矩阵太大，不利于观察比较，考虑利用其矩阵内元素的方差来表征其表面粗糙程度，定义如下：
图像灰度值矩阵方差：将灰度值矩阵转化为列向量（一列数），再根据公式（2-1）求得该列元素即矩阵中所有元素的方差值，用以描述矩阵中所有数据的变异程度或离散程度。图像灰度越不均匀，平均灰度值矩阵中数据的离散程度越大，则方差越大；反之，图像灰度越均匀，则方差越小。
（2-1）
图3.1 灰度值矩阵方差值与粗糙度关系
图3.1展示了灰度值矩阵方差值与粗糙度的关系图，并利用Origin软件对关系图进行了数据拟合，拟合公式为：
由上表3.1可见，这12组导线样本，只有1组导线样本的估算粗糙度与实测粗糙度的相对误差达到20%以上，其余11组导线样本的估算粗糙度与实测粗糙度的相对误差均在20%以内。
因此，利用图像处理技术对导线表面形貌光学显微镜拍摄图像进行处理，再结合式（3-1）来估算导线表面粗糙度的方法具有一定的有效性。
4 结论
本文立足于实际工程应用，利用图像处理技术来分析导线样本表面图像，探索其图像中相关特征与粗糙度的相关关系，得出更加方便、可行、经济的导线表面粗糙度估算方法。
将图像中物体表面轮廓粗糙度进行量化，基于图像的灰度值矩阵，定义出图像灰度值矩阵方差，以此作为图像特征参数。从导线样本的光学显微镜照片中提取出的灰度值矩阵方差这一特征参数，与导线样本经表面形貌仪测算得到的粗糙度具有比较明显的相关性。可以将其拟合成线性关系式，相关系数大于85%。根据此线性关系式，可通过导线样本的光学显微镜照片提取出特征量，估算导线样本的实测粗糙度，总体相对误差大部分在20%以内。
参考文献
[1]Enrique E. Mombello, Giuseppe Ratta. Corona loss characteristics of contaminated conductors in fair weather. Electric Power Systems Research, 2001, 59(1): 51~59.
[2]卞星明，交流长期运行导线表面状态及电晕放电效应的研究，博士论文，清华大学，2012.
[3]G.N.Frantziskonis,L.B.Simon,J.Woo,etal.,Multiscale characterization of pitting corrosion and application to an aluminum alloy,European Journal of Mechanics,A/Solids,2000:19(2):309-318.
论文作者:曹露
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/5
标签：导线论文; 灰度论文; 表面论文; 矩阵论文; 图像论文; 粗糙度论文; 方差论文; 《防护工程》2017年第30期论文;