一种接地网地下铺设结构识别方法、设备及存储设备

技术领域

本发明涉及变电站接地网结构识别领域，尤其涉及一种基于数据补全及结构数据点选择的接地网地下铺设结构识别方法、设备及存储设备。

背景技术

对接地网进行探测并对探测数据进行分析，是检测接地网地下铺设结构的主要手段，其中基于法拉第电磁感应定律的非接触式探测方法，能够保证在不开挖现场、不暂停变电站运行的情况下得到接地网完整的响应数据。现有的技术方案常采用瞬变电磁成像诊断法，通过对磁场进行反演计算或者分析接地网不同缺陷状态下的电磁响应数据特征来定位接地导体。但是这些方法都是将采集的数据直接成像后进行分析，缺少针对性的数据处理，导致算法复杂且计算量大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种接地网地下铺设结构识别方法、设备及存储设备，用以解决接地网腐蚀判别算法复杂的问题，实现对任意铺设结构的接地网地下铺设位置识别。一种接地网地下铺设结构识别方法，主要包括：

S1：获取接地网的探测数据，对其进行归一化及双调和样本插值处理，将零散、缺失的数据补全为均匀分布的响应数据；

S2：对响应数据进行小波降噪处理；

S3：在进行步骤S1-2处理之后的数据中得到不同形状的结构数据点；

S4：根据得到的结构数据点，通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，得到最终的接地网地下铺设结构识别结果。

进一步地，步骤S1中，采用如下所示的最值归一化处理公式对探测数据进行归一化处理，得到处理后数据z'：

其中，z表示原始的探测数据。

进一步地，步骤S1中，采用双调和样条插值法进行双调和样本插值处理的过程如下：

首先，各探测数据包括三个变量：X方向位置X＝[x

其中，d

然后，根据格林函数矩阵得到插值权重为W：

W＝G

最后，根据插值权重得到待插值点数据Z_grid(x,y)：

Z_grid(x,y)＝W*g(x,y)

其中，g(x,y)为插值点处格林函数，

g(x,y)＝[d

d

其中，r

进一步地，步骤S3中，根据接地网地下铺设结构特征，提出“I”形，“L”形，“T”形，“X”形，并对各种形状设计识别结构数据点，其过程如下：

1)针对“I”形的接地网地下某部分结构

如果某一结构数据点P(i,j)满足下列任意一个公式，表示该点响应数据大于等于上下两点或者左右两点响应数据且不满足其他形状条件，则该点为接地网地下铺设结构“I”形结构数据点：

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i-1,j)

P(i,j)≥P(i,j+1)、P(i,j-1)

其中，P(i-1,j)、P(i+1,j)分别表示结构数据点P(i,j)左右相邻处的结构数据点，P(i,j+1)、P(i,j-1)分别表示结构数据点P(i,j)上下相邻处的结构数据点；

2)针对“L”形的接地网地下某部分结构

如果某一结构数据点P(i,j)满足下列任意一个公式，表示该点响应数据大于等于上下左右四点中任意相邻方向的两点响应数据且不满足其他形状条件，则该点为接地网地下铺设结构“L”形结构数据点：

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)≥P(i-1,j)、P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)≥P(i-1,j)、P(i,j-1)

P(i,j)≥P(i-1,j)、P(i,j-1)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i-1,j)、P(i,j+1)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)

3)针对“T”形的接地网地下某部分结构

如果某一结构数据点P(i,j)满足下列任意一个公式，表示该点响应数据大于等于上下左右四点中任意三点响应数据且不满足其他形状条件，则该点为

接地网地下铺设结构“T”形结构数据点：

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i-1,j)≥P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i,j+1)≥P(i-1,j)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)、P(i-1,j)≥P(i,j-1)

P(i,j)≥P(i,j+1)、P(i,j-1)、P(i-1,j)≥P(i+1,j)

4)针对“X”形的接地网地下某部分结构

如果某一结构数据点P(i,j)满足下列公式，表示该点响应数据大于等于上下左右四点响应数据，则该点为接地网地下铺设结构“X”形结构数据点：

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i-1,j)、P(i,j+1)。

进一步地，步骤S4中，零散结构数据点的剔除过程为：

首先，对所有结构数据点进行判断，如果某一点的八个方向中有超过一处存在结构数据点，则该点为连通点；

然后，判断各个连通区域的连通点个数是否大于等于设置的阈值，若是，则该连通区域内所有连通点仍然是结构数据点；若否，则该连通区域内所有连通点不再是结构数据点。

进一步地，该方法还包括对识别结果的评价：

min(dist(P(i,j),Loc))≤d

其中，dist()表示结构数据点P(i,j)与真实结构Loc的距离，d为置信范围大小，若结构数据点在置信范围内，那么该结构数据点为可信结构数据点。

一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种接地网地下铺设结构识别方法。

一种接地网地下铺设结构识别设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种接地网地下铺设结构识别方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明获取接地网的探测数据，对其进行归一化及双调和样本插值处理，将零散、缺失的数据补全为均匀分布的响应数据；对响应数据进行小波降噪处理；在进行处理之后的数据中得到不同形状的结构数据点；根据得到的结构数据点，通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，得到最终的接地网地下铺设结构识别结果。通过归一化及双调和样本插值实现探测数据由离散、缺漏到空间上均匀分布的数据补全；通过小波降噪，实现探测数据的降噪处理；并提出包括“I”形，“L”形，“T”形，“X”形四种不同结构形状的结构数据点检测方法；通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，实现结构数据点的筛选；最终得到一种基于真实铺设结构的置信区间内的结构数据点比例的接地网地下铺设结构识别准确性评价方法，解决了接地网腐蚀判别算法复杂的问题，实现了对任意铺设结构的接地网地下铺设位置识别。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中一种接地网地下铺设结构识别方法的流程图。

图2是本发明实施例中接地网地下铺设结构特征的示意图。

图3是本发明实施例中连通区域选取原则的示意图。

图4是本发明实施例中接地网铺设结构置信范围的示意图。

图5是本发明实施例中接地网地下铺设非均匀结构模型搭建的示意图。

图6是本发明实施例中响应数据仿真结果的示意图。

图7是本发明实施例中非均匀分布的原始数据的示意图。

图8是本发明实施例中均匀分布的补全数据的示意图。

图9是本发明实施例中数据补全后响应数据的示意图。

图10是本发明实施例中结构数据点选择结果的示意图。

图11是本发明实施例中结构数据点筛选结果的示意图。

图12是本发明实施例中识别结构数据点与真实铺设位置对比的示意图。

图13是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的实施例提供了一种基于数据补全及结构数据点选择的接地网地下铺设结构识别方法、设备及存储设备。

请参考图1，图1是本发明实施例中一种接地网地下铺设结构识别方法的流程图，具体包括：

S1：获取接地网的探测数据，对其进行归一化及双调和样本插值处理，将零散、缺失的数据补全为均匀分布的响应数据；

S2：在探测地下接地网时，探测数据会被地下复杂环境及杂散电流影响，存在噪声，为了避免这种影响，需要对响应数据进行小波降噪处理，减少响应数据受到地下复杂环境及杂散电流的噪声影响；

S3：在进行步骤S1-S2处理之后的数据中，根据接地网地下铺设结构特征，得到不同形状的结构数据点；

S4：根据得到的结构数据点，通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，得到最终的接地网地下铺设结构识别结果。

在对探测数据进行处理后，解决了探测数据空间分布不均匀(步骤S1)和存在噪声(步骤S2)的问题，得到这些处理后的数据后，从中选取接地网结构数据点，进而识别接地网地下铺设结构。

本实施例基于COMSOL Multiphysics仿真平台搭建非均匀的接地网地下铺设结构的接地网模型，仿真后得到探测响应数据进行实验验证，验证本发明提供方法的有效性。根据国家标准，例如接地网导体埋在地中的长度大于等于15m，接地网的埋设深度大于等于0.8m，进行接地网地下铺设非均匀结构模型的搭建。模型各项参数如下：接地网铺设在地下1米的位置，设置厚度1米的土壤层，导体为直径8mm圆钢，探测仪器高度为地上0.08米，设置厚度0.08米的空气层，检测电流强度为5A，电流在(3,23)处注入，在(27,3)处流出，具体结构如图5所示。模型搭建完成后进行模型仿真，得到仿真数据后进行实验验证，仿真结果如图6所示。

(1)归一化处理：

由于探测数据z受接地网地下铺设结构、探测时注入电流强弱的影响，探测数据的取值范围不定。因此，为了使方案具有普遍适用性，需要对探测数据进行归一化处理。

本发明此处采用现有技术：最值归一化处理，对原始探测数据进行归一化，得到处理后数据z'，如公式所示。

本实施例中，仿真数据最小值为0，最大值为1，将数据按比例对应到0-1之间的值。

(2)数据补全：

通过观察探测数据分布情况可以发现，接地网的探测数据存在离散甚至缺漏的问题，分析其原因只要包括两点：一点是人力推动仪器前进，不能保证匀速；另一点是地上变电站设备影响，导致检测仪器行进到一定位置时需要停止或绕道。因此，当处理原始探测数据时，需要对原始探测数据进行数据补全处理，用以获得操作人员探测区域内完整有序的响应数据。

本实施例中采用双调和样条插值法将归一化处理后得到的响应数据进行数据补全，双调和样条插值法与其他样条插值方法相比，能够消除拐角性的同时保持光滑度和二阶连续性。首先，各探测数据包括三个变量(X方向位置X＝[x

其中，(x

然后，由原数据取值与格林函数矩阵确定插值权重为W：

W＝G

最后，每一个待插值点的取值Z_grid(x,y)由插值权重与该点格林函数确定，待插值点数据可表示为Z_grid(x,y)：

Z_grid(x,y)＝W*g(x,y)

其中，g(x,y)为插值点处格林函数，其中r

g(x,y)＝[d

d

其中，d

通过对原始探测数据进行插值，将零散、缺失的数据补全为均匀分布的响应数据。如图7、图8所示，对比原始数据及补全数据的分布可以发现，数据补全实现了将非均匀的原始数据转换为均匀分布的补全数据。数据补全后响应数据如图9所示。

(3)数据降噪：

由于变电站接地网地下铺设导体常年埋于复杂的土壤环境中，操作人员在探测过程中受地下环境及杂散电流和各种短路电流影响，所得探测数据将存在噪声分量。因此，需要对探测数据进行降噪处理。

本实施例采用现有技术：小波降噪进行降噪处理。利用小波变换把响应数据分解到各尺度中，在各尺度下删除属于噪声的较小的小波系数(噪声)，保留并增强属于信号的较大的小波系数(信号)，最后经过小波逆变换重构信号。

(4)结构数据点选择：

通过观察接地网地下铺设实例，接地网在铺设时一般采用网状结构，根据接地网地下铺设结构特征，本发明将网状结构的各个局部区域分类为四种形状：“I”形，“L”形，“T”形，“X”形，每种形状的数据特征不同，设计了不同的识别方法，对步骤S1-S2处理后的数据进行筛选，确定哪些数据符合各个形状对应的数据特征，得到这四种形状的结构数据点。如图2所示，根据不同形状，提供选择各形状对应的结构数据点极其所处位置的方法。最后整合不同形状的结构数据点，以识别出接地网地下铺设结构。对各种形状设计识别结构数据点的算法如下：

1)针对“I”形的接地网地下某部分结构，如果某一数据点P

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i-1,j)

P(i,j)≥P(i,j+1)、P(i,j-1)

其中，P(i-1,j)、P(i+1,j)分别表示结构数据点P(i,j)左右相邻处的结构数据点，P(i,j+1)、P(i,j-1)分别表示结构数据点P(i,j)上下相邻处的结构数据点；

2)针对“L”形的接地网地下某部分结构，如果某一数据点P

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)≥P(i-1,j)、P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)≥P(i-1,j)、P(i,j-1)

P(i,j)≥P(i-1,j)、P(i,j-1)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i-1,j)、P(i,j+1)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)

3)针对“T”形的接地网地下某部分结构，如果某一数据点P

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i-1,j)≥P(i,j+1)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i,j+1)≥P(i-1,j)

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j+1)、P(i-1,j)≥P(i,j-1)

P(i,j)≥P(i,j+1)、P(i,j-1)、P(i-1,j)≥P(i+1,j)

4)针对“X”形的接地网地下某部分结构，如果某一数据点P

P(i,j)≥P(i+1,j)、P(i,j-1)、P(i-1,j)、P(i,j+1)

即本发明中将数据点取值大于上下左右四点取值的位置，确定为“X”形结构数据点；将数据点取值大于上下左右四点中任意三点且不满足其他形状条件的位置，确定为“T”形结构数据点；将数据点取值大于上下左右四点中任意相邻方向的两点且不满足其他形状条件的位置，确定为“L”形结构数据点；将数据点取值大于上下两点或者左右两点且不满足其他形状条件的位置，确定为“I”形结构数据点。结构数据点选择结果如图10所示。

(5)结构数据点筛选：

由于变电站接地网铺设过程中，不存在小段单独导体，所以上述整合后的结构数据点应该是连通的，不应该存在零散点。因此，为了防止零散点造成结构的误判，影响接地网地下铺设结构的识别准确性，本发明此处提供一种对连通区域大小设置阈值的方法，实现零散点的消除。原理如下：

首先，取得所有结构数据点后划分连通区域，对所有结构数据点进行判断，如果某一点的八个方向中有超过一处存在结构数据点，则该点为连通点。如图3所示，灰色区域为连通区域，黑色则为零散区域。

然后，判断各个连通区域的连通点个数是否大于等于设置的阈值，若是，则该连通区域内所有连通点仍然是结构数据点；若否，则该连通区域内所有连通点不再是结构数据点。结构数据点筛选结果如图11所示。

(6)接地网地下铺设结构识别结果准确性：

通过上述本发明针对接地网地下铺设结构识别存在的问题及对应设计的各种处理算法，得到了包含结构信息的数据点及位置，获得了变电站接地网地下铺设结构的识别结果。然后，很有必要的一点是需要评估结果是否准确。因此，本发明设计一种评价指标：真实铺设结构的置信区间内的结构数据点比例。原理如下：

如图4所示，黑色圆点为结构数据点，黑色直线为接地网地下铺设位置，则灰色区域就是真实铺设结构的置信区间。也就是说，如果结构数据点在置信范围内，如公式所示，那么该点为可信结构数据点，通过计算可信结构数据点在所有结构数据点中的比例，得出接地网地下铺设结构的识别结果的准确性。

min(dist(P(i,j),Loc))≤d

其中，dist()表示结构数据点P(i,j)与真实结构Loc的距离，d为置信范围大小。

计算结构数据点在真实铺设结构的置信区间内的比例。如图12所示，圆点标明非均匀网格铺设结构的导体的识别位置，直线标明非均匀网格铺设结构的导体的真实位置，识别结果准确性达到92％。

请参见图13，图13是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种接地网地下铺设结构识别设备401、处理器402及存储设备403。

一种接地网地下铺设结构识别设备401：所述一种接地网地下铺设结构识别设备401实现所述一种接地网地下铺设结构识别方法。

处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种接地网地下铺设结构识别方法。

存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种接地网地下铺设结构识别方法。

本发明的有益效果是：本发明获取接地网的探测数据，对其进行归一化及双调和样本插值处理，将零散、缺失的数据补全为均匀分布的响应数据；对响应数据进行小波降噪处理；在进行处理之后的数据中得到不同形状的结构数据点；根据得到的结构数据点，通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，得到最终的接地网地下铺设结构识别结果。通过归一化及双调和样本插值实现探测数据由离散、缺漏到空间上均匀分布的数据补全；通过小波降噪，实现探测数据的降噪处理；并提出包括“I”形，“L”形，“T”形，“X”形四种不同结构形状的结构数据点检测方法；通过设定连通区域的阈值进行零散结构数据点的剔除，实现结构数据点的筛选；最终得到一种基于真实铺设结构的置信区间内的结构数据点比例的接地网地下铺设结构识别准确性评价方法，解决了接地网腐蚀判别算法复杂的问题，实现了对任意铺设结构的接地网地下铺设位置识别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。