本發明涉及油浸式變壓器狀態監測，具體涉及一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產氣速率檢測方法及系統。
背景技術：
1、在電力系統中，油浸式變壓器的運行狀態直接關系到電網的穩定性與安全性。變壓器在長期運行過程中會出現過熱、局部放電、絕緣老化等問題，內部的絕緣油和絕緣材料會發生分解，生成一定量的氣體。這些氣體的產生和累積反映了變壓器的健康狀態。因此，監測變壓器內部氣體的生成速率是評估變壓器狀態的關鍵指標。傳統的氣體繼電器監測主要基于氣體積聚量的變化，雖然可以及時發現故障，但卻難以準確監測氣體的生成速率，這使得在故障初期的預警與診斷變得困難。
2、近年來，光學檢測技術在變壓器狀態監測中的應用逐漸受到關注。相比傳統監測手段，基于光學傳感的檢測技術能夠在故障初期檢測到氣體生成速率的微小變化，從而提供更早期的預警。
3、公開號為cn119514141a的發明專利公開一種考慮多物理場耦合的變壓器油中氣泡運動模擬方法及系統，該方法是通過建立電場、熱場和流場耦合的多物理場模型，通過多個物理場模型進行參數求解，從而得到變壓器油中氣泡運動過程，該種檢測方法需要構建多種模型，較為復雜，且無法直接得到氣體的產氣速率。
技術實現思路
1、發明目的：本發明為解決上述技術問題，提供了一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產氣速率檢測方法，解決了無法準確監測氣體生成速率，對氣體繼電器的監測精度低的問題。本發明還提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產氣速率檢測系統。
2、技術方案：為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：
3、第一方面，本發明提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產氣速率檢測方法，該方法包括：
4、將已知粒徑分布的聚苯乙烯顆粒摻雜于變壓器油中，并引入氣體繼電器內；
5、確定光源單元的入射位置；所述光源單元發出的激光信號入射至氣體繼電器中一側的觀察窗上，傳感器單元在氣體繼電器中另一側的觀察窗對散射光進行處理，從而捕獲不同角度的散射光強信號，處理單元對所述散射光強信號依據米氏散射原理計算出氣泡粒徑分布；
6、機器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進行拍攝，并通過處理單元中的匹配窗口相關性方法監測氣泡上升速率，從而結合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應的產氣速率，所述匹配窗口相關性方法首先選取所述機器視覺單元拍攝到的氣泡群圖像進行由粗網格到細網格的速度場計算，然后在滿足分辨率的要求后再對單個氣泡的速度進行追蹤測量。
7、進一步的，包括：
8、每側的觀察窗上設置有至少兩個壓電超聲傳感器，所述壓電超聲傳感器接收氣泡產生的聲波，并發送給所述處理單元，所述處理單元利用tdoa原理通過氣泡產生聲波到達的時間計算各個氣泡的位置，進而實現氣泡群的三維目標定位，所述傳感器單元根據所述三維目標定位的結果進行位置調整。
9、進一步的，包括：
10、所述傳感器單元包括ccd探測器，所述ccd探測器根據所述三維定位的結果進行位置調整，包括：所述ccd探測器的中心對準所述三維目標定位的結果。
11、進一步的，包括：
12、所述處理單元對所述散射光強信號采用米氏散射原理計算出氣泡粒徑分布包括：
13、所述處理單元對ccd探測器捕獲到的不同角度的散射光強信號對應的光強分布區域進行環狀分割；
14、根據環狀分割的份數n得到每一份代表的特定角度范圍，并根據每一份的散射光強信號得到該份下的光強分布信號，所述光強分布信號為從捕獲的當前份的散射光強信號減去背景信號，所述背景信號為無氣泡時對應的光強信號；
15、將多份光強分布信號合并構成光強分布列向量e，其維度表示為。
16、進一步的，包括：
17、所述處理單元對所述散射光強信號依據米氏散射原理計算出氣泡粒徑分布，還包括：
18、根據米氏散射理論計算出氣泡散射光引起的光強系數矩陣t，所述光強系數矩陣包括不同的粒徑氣泡散射光在不同角度下的光強分布信息，其為非可逆的，對應維度表示為；
19、根據關系式求解粒徑分布矩陣，求解采用的方法是：采用tikhonov迭代算法對初始粒徑分布矩陣進行迭代求解，直至滿足收斂條件，從而得到最終的粒徑分布矩陣，所述粒徑分布矩陣中的元素為不同粒徑對應氣泡的占比。
20、進一步的，包括：
21、所述機器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進行拍攝，并通過匹配窗口相關性方法監測氣泡上升速率中，所述匹配窗口相關性方法包括：
22、對連續拍攝的多張圖片轉換為灰度圖像，采用所述灰度圖像減去無氣體流動的背景圖像，得到只有氣泡信息的灰度圖像，并對其進行降噪；
23、以圖像中的目標氣泡群為中心，選取一個矩形窗口,以當前窗口的四個角為中心選取四個同樣尺寸的窗口b、c、d、e，并分別計算窗口b、c、d、e對應的灰度分布矩陣，所述灰度分布矩陣為將對應窗口的每一個像素塊的灰度值提取后形成的矩陣；
24、分別對這四個窗口b、c、d、e在當前幀的灰度分布矩陣與下一幀中該窗口附近相同大小區域的矩陣進行滑動匹配，從而在下一幀圖片中找到與當前幀局部窗口互相關程度最高的窗口，此時互相關峰值的位置即為當前窗口的坐標偏移量，所述窗口附近相同大小區域為以理論最大位移為初次搜索半徑，以一個像素點為步長進行上下左右四個方向的滑動；
25、根據b、c、d、e窗口的坐標偏移量得到對應窗口的速度，并以b、c、d、e四個窗口的速度作為a窗口四個角的速度；
26、以氣泡在油中的最大速度作為速度閾值，若得到的a窗口的四個角的速度中的任何一個或多個大于所述速度閾值，則對其進行丟棄，并擴大窗口的尺寸后重新計算對應速度，否則，進行下一步的細網格速度測量。
27、進一步的，包括：
28、所述細網格速度測量對應的方法步驟包括：
29、在矩形窗口a中，以目標氣泡為中心選取一個比a窗口小的矩形窗口，所述矩形窗口包括至多一個氣泡；
30、記細網格對應的尺寸為，對應的中心坐標為，則細網格在矩形窗口a中的歸一化坐標表示為：；
31、根據歸一化坐標計算a窗口四個角對應的權重，從而根據a窗口四個角對應的速度得到當前細網格的速度；
32、采用得到的細網格速度預測對應的細網格位移，以得到的位移為搜索半徑，以一個像素點為步長，使得矩形窗口作出上下左右的位置偏移，根據二次擬合后的互相關函數峰值找到與矩形窗口匹配程度最高的偏移窗口，并得到矩形窗口和與其匹配程度最高的窗口中的對應氣泡的輪廓長度，若輪廓長度變化率大于10%或細網格速度大于對應閾值，則重新選取目標氣泡進行測速；
33、若細網格中包括多于一個氣泡，則進一步減小細網格的尺寸進行速度測量，直至定位至單個氣泡進行速度的測量。
34、進一步的，包括：
35、所述匹配窗口相關性方法還包括：
36、對視野中的一定數量的氣泡進行追蹤測量，獲得對應的速度分布，并計算對應氣泡的平均速度作為該氣泡群體的速度，表示為：；
37、其中，為被追蹤的氣泡個數。
38、進一步的，包括：
39、所述結合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應的產氣速率，包括：
40、采用加權平均的方法計算氣泡平均粒徑，表示為：；
41、其中， m為粒徑分檔數，為第 j檔氣泡的粒徑，為粒徑為的氣泡的占比，其從粒徑分布矩陣得到；
42、計算產氣速率：；
43、其中，n為視野中氣泡的總數。
44、另一方面，本發明還提供一種基于光散射法的油浸變壓器氣體繼電器乙炔產氣速率檢測系統，該系統包括：氣體繼電器、光源單元、傳感器單元、機器視覺單元和處理單元；
45、將已知粒徑分布的聚苯乙烯顆粒摻雜于變壓器油中，并引入所述氣體繼電器內；
46、確定所述光源單元的入射位置，將所述光源單元發出的激光信號入射至氣體繼電器中一側的觀察窗上；
47、所述傳感器單元在所述氣體繼電器中另一側的觀察窗對散射光進行處理，從而捕獲不同角度的散射光強信號，處理單元對所述散射光強信號依據米氏散射原理計算出氣泡粒徑分布；
48、所述機器視覺單元對所述氣體繼電器中的氣泡群進行拍攝，并通過所述處理單元中的匹配窗口相關性方法監測氣泡上升速率，從而結合所述氣泡粒徑分布和氣泡上升速率得到對應的產氣速率，所述匹配窗口相關性方法首先選取所述機器視覺單元拍攝到的氣泡群圖像進行由粗網格到細網格的速度場計算，然后在滿足分辨率的要求后再對單個氣泡的速度進行追蹤測量。
49、最后，本發明還提供一種包含計算機可執行指令的存儲介質，當所述計算機可執行指令被處理器執行時，所述處理器執行上述所述的方法。
50、與現有技術相比，本技術具備以下有益效果：
51、本發明采用機器視覺單元、傳感器單元和光源單元與氣體繼電器相連并進行數據處理，即利用光學傳感技術的非接觸性和高靈敏度，使得該方法在高負荷和惡劣環境下依然能夠穩定工作；
52、本發明的光源單元主要為激光器，當激光穿過氣泡群時，不同粒徑的氣泡對激光的散射能力不同，利用米氏散射原理分析不同角度的散射信號，可以精確計算氣泡的粒徑分布，提高了氣泡粒徑分布的測量精度，同時，通過機器視覺單元記錄氣泡的運動軌跡和上升速度，并結合粒徑分布的計算，能夠準確推算氣體的生成速率，從而提高了氣泡上升速率的檢測精度；因此，本發明采用基于光散射法和高速攝像技術，能夠實現對氣泡動態變化的精確監測。
53、本發明采用的匹配窗口相關性方法通過由粗到精的漸進式搜索策略，逐步對細網格進行滑動匹配和互相關系數的計算后，可以獲得分辨率更低的速度場分布，最后，定位至單個氣泡進行速度的測量，該方法在降低計算復雜度的同時提升空間分辨率。
54、本發明氣體繼電器的每側觀察窗上設置有至少兩個壓電超聲傳感器，所述壓電超聲傳感器接收氣泡產生的聲波，并發送給所述處理單元，所述處理單元利用tdoa原理通過氣泡產生聲波到達的時間計算各個氣泡的位置，進而實現氣泡群的三維目標定位，傳感器單元根據所述三維目標定位的結果進行位置調整，該方法不僅使得傳感器的位置更加精準，而且聲信號作為觸發源，使得光學系統僅在氣泡發生時啟動，避免采樣窗口與氣泡動態時序錯位，提高了后續檢測的精準度。