基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)設(shè)計

徐衛(wèi)中，趙　鍇，謝　涌，鄭樹青，戴建軍，沈小軍

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317200；2.同濟大學(xué)電氣工程系，上海 200092）

基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)設(shè)計

徐衛(wèi)中1，趙鍇2，謝涌2，鄭樹青1，戴建軍1，沈小軍2

（1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317200；2.同濟大學(xué)電氣工程系，上海 200092）

針對現(xiàn)有變電站內(nèi)避雷器監(jiān)測表計的人工抄表存在的種種弊端，研制了基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)。提出智能抄報系統(tǒng)總體設(shè)計方案，包括功能需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和軟硬件開發(fā)。研究并優(yōu)化針對表計圖像中數(shù)字與指針自動讀數(shù)的智能識別算法，取得良好測試效果。

氧化鋅避雷器；監(jiān)測表計；圖像識別；智能抄報

1　引言

氧化鋅避雷器（MOA）是變電運行、防止雷擊事故的重要保護裝置，而避雷器自身的好壞，也涉及到變電所的運行安全。避雷器監(jiān)測表是一種能夠監(jiān)測避雷器泄漏電流和動作次數(shù)的儀表，是避雷器運行狀態(tài)監(jiān)測采取的主要技術(shù)手段。當(dāng)前，避雷器監(jiān)測表采用人工現(xiàn)場抄報方式。運行經(jīng)驗表明，人工抄報方式雖對保障避雷器的安全運行發(fā)揮了重大的作用，但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和無人值守變電站的出現(xiàn)，人工抄報方式的不足日益突出：首先，現(xiàn)場避雷器監(jiān)測表計數(shù)量隨著設(shè)備數(shù)量的增加而逐漸增多，人工抄表方式極大增加電力工作人員的工作量；其次，人工抄報中記錄的數(shù)據(jù)只是孤立的表計讀數(shù)，缺乏對照物，追溯性差，表盤讀數(shù)也可能受人員主觀因素影響而出現(xiàn)誤讀、漏讀、誤記等問題；再次，避雷器故障發(fā)生初期，監(jiān)測表計泄漏電流變化幅度不明顯，到故障較為嚴重時，泄漏電流讀數(shù)會在較短時間內(nèi)明顯增加，必須在最短時間內(nèi)將性能變劣的避雷器退出運行以避免事故發(fā)生，人工抄報的巡視間隔周期相對較長，往往無法及時有效地發(fā)現(xiàn)避雷器故障。

本文將基于圖像識別技術(shù)開展新型避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)設(shè)計，以增加數(shù)據(jù)識別和記錄的客觀性，降低運行人員的勞動強度，提升數(shù)據(jù)巡視密度，精確掌握表計的數(shù)據(jù)變化，實現(xiàn)自動預(yù)警功能，提高電站運行實時監(jiān)測水平，降低現(xiàn)場人員的勞動強度，解放勞動力。

2　智能抄報系統(tǒng)架構(gòu)與功能描述

設(shè)計的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)采用分布式分層結(jié)構(gòu)，主要由圖像采集終端、數(shù)據(jù)通信模塊和后臺監(jiān)控中心3部分組成。

（1）圖像采集終端

圖像采集終端主要負責(zé)表計圖像的采集與上傳。該終端分布式安裝在各避雷器表計上方，采用鋰電池供電，當(dāng)未收到采集命令時或完成圖像采集任務(wù)后進入低功耗待機狀態(tài)。圖像采集終端獲取的圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量高低直接影響智能抄報系統(tǒng)的正確率和系統(tǒng)造價，因此，圖像傳感器的選型至關(guān)重要。本系統(tǒng)擬采用OV公司生產(chǎn)的OV7670圖像傳感器，該圖像傳感器感光陣列為640×480，達到30萬像素，完全滿足后臺監(jiān)測主機對圖像進行處理與識別的要求，另外，該傳感器靈敏度高，適合在低照度環(huán)境下應(yīng)用，支持LED以及氙光閃光燈，與終端采集裝置中感光元件配合，在照度不足的環(huán)境下可自動對被采集目標(biāo)進行補光，保證了采集圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了減少現(xiàn)場布線，圖像采集終端采用無線通信方式實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。

（2）數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要功能是將圖像采集終端設(shè)備獲取的圖像數(shù)據(jù)整理、合并后，上傳至后臺監(jiān)測中心計算機。由于圖像采集終端分布式的安裝在各個電力設(shè)備的避雷器監(jiān)測表計處，因此終端之間的空間距離較大，若采用傳統(tǒng)有線傳輸方式則需要在現(xiàn)場布設(shè)大量通信線纜，既費時費力，施工過程也可能影響電力現(xiàn)場原有布局，造成安全隱患。ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、高可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全保密等一系列特征，其在電力現(xiàn)場應(yīng)用的安全性已得到認證。本智能抄報系統(tǒng)擬采用ZigBee無線通信方式與圖像采集終端進行數(shù)據(jù)交換，對于部分特殊場合也可將無線通信與有線通信結(jié)合起來應(yīng)用，組成圖像采集終端網(wǎng)絡(luò)。中繼器則設(shè)置于終端設(shè)備與數(shù)據(jù)合并單元之間，起到路由功能，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)后達到數(shù)據(jù)合并單元。數(shù)據(jù)合并單元通過485現(xiàn)場總線與后臺監(jiān)控中心通信。

（3）后臺監(jiān)控中心

后臺監(jiān)控中心主要負責(zé)終端采集的圖像數(shù)據(jù)的接收和處理，利用自身模型或云端模型對圖像進行對比識別，實現(xiàn)氧化鋅避雷器監(jiān)測表計讀數(shù)的智能化抄表、統(tǒng)計、追溯、預(yù)警等一體化功能。

3　表計讀數(shù)圖像識別方法

現(xiàn)場調(diào)研及資料收集分析結(jié)果表明：當(dāng)前氧化鋅避雷器監(jiān)測表一般采用數(shù)碼式和指針式相結(jié)合的表盤，其中數(shù)碼式表盤主要顯示的是避雷器動作次數(shù)，指針式表盤主要顯示的是接地線電流的數(shù)值大小。因此，在對氧化鋅避雷器監(jiān)測表進行圖像識別時，我們需要針對表征動作次數(shù)的數(shù)字式表盤和表征接地電流值的指針式表盤分別進行分析和處理。

3.1動作次數(shù)的識別方法

對于字符圖像的識別算法一般有模板匹配法、統(tǒng)計特征匹配法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法3種。理論分析結(jié)果表明，避雷器動作次數(shù)的數(shù)碼式表盤，讀數(shù)由0～9十個固定的阿拉伯?dāng)?shù)字組成，對象模板需求量較小，因此，研究者采用模板匹配的識別算法實現(xiàn)動作次數(shù)表計的智能讀數(shù)。

模板匹配法的基本思想是，將歸一化的字符二值圖像與模板庫中的字符二值圖像逐個進行匹配，采用相似度的方法計算目標(biāo)字符與每個模板字符的匹配程度，取相似最高的作為識別結(jié)果。匹配相似度函數(shù)定義為：

式中，fij（m，n）為待識別字符圖像中像素點（i，j）的灰度值，這里是二值圖像，所以取值為0或1；tij（m，n）為模板字符圖像中像素點（i，j）的灰度值，同樣，這里是二值圖像，所以取值為0或1；M和N為模板字符點陣橫向和縱向包含的像素個數(shù)。

數(shù)碼式表盤中，有不少是安裝著滾軸式的數(shù)字顯示裝置，所顯示的數(shù)字是會根據(jù)數(shù)值的小數(shù)值大小而逐漸旋轉(zhuǎn)，這樣就會出現(xiàn)部分數(shù)字顯示為完整的字符，而部分數(shù)字顯示為兩個“半字”，即處在兩個整數(shù)值之間的位置上，這樣的情況我們分別稱之為“整字”和“斷字”。對于整字來說，其顯示出的圖像和標(biāo)準(zhǔn)的字體是一致的，根據(jù)模板匹配法，可以直接進行處理識別；而對于斷字，由于斷點位置的不確定，故不能直接采用模板匹配法，需將斷字分割成兩個數(shù)字的部分，再進行模板匹配。

綜上所述，本系統(tǒng)中避雷器監(jiān)測表計中動作次數(shù)的智能識別流程如下頁圖2所示，包括模板字符庫、歸一化處理、計算間隔大小、間隔值與設(shè)定值比較、判斷整字或斷字、導(dǎo)入模版、劃分字符上下段、相關(guān)性運算、尋找最大值對應(yīng)位置、加權(quán)處理、確定最大值、比較中心位置、讀出示數(shù)等步驟。

3.2接地電流值的識別算法

氧化鋅避雷器接地電流表具有以下特征：1）需精確讀數(shù)表盤均勻分布在一段固定的圓弧上；2）指針運動分布在一個固定的圓弧范圍內(nèi)，指針讀數(shù)的大小與指針的偏轉(zhuǎn)角線性相關(guān)；3）電流表指針可以等效為一條直線。

目前，指針式圖像的處理與識別技術(shù)比較常用的識別方法是基于霍夫（Hough）變換的儀表指針角度識別算法?；舴蜃儞Q是一種利用圖像的全局特性直接檢測目標(biāo)的輪廓，將圖像的邊緣像素連接起來的算法。在預(yù)先知道區(qū)域形狀的情況下，利用霍夫變換可以方便地將不連續(xù)的邊緣像素點連接起來，從而得到邊界曲線?；舴蜃儞Q的基本思想是利用點、線的對偶性進行操作。圖像變換前在圖像空間，變換后在參數(shù)空間。在圖像空間X-Y中，原有的通過點（x，y）的直線一定滿足方程：

式中，k為斜率，b為截距，如果將x，y看成參數(shù)，那么該直線就可以表示成：

即在K-B空間中過點（k，b）的一條直線。于是，圖像空間X-Y中過點（x1，y1），（x2，y2）的直線上的每一點都對應(yīng)參數(shù)空間K-B中的一條直線，而在對應(yīng)的K-B空間中，這些直線都相交于一點（k12，b12），而點（k12，b12）恰好就是X-Y空間中過點（x1，y1），（x2，y2）的直線的參數(shù)。由此可知，圖像空間中同一條直線上的點對應(yīng)在參數(shù)空間中是相交的直線，在參數(shù)空間中相交于同一點的所有直線，在圖像空間都有共線的點與之對應(yīng)，這就是點、線的對偶性。根據(jù)這個特性，當(dāng)給定圖像空間中邊緣時，通過霍夫變換確定連接這些點的直線方程?；舴蜃儞Q把圖像空間中的直線檢測問題，轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間里點的檢測問題。本系統(tǒng)氧化鋅避雷器接地電流值圖像識別的基本流程如圖3所示。

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一套基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)，實現(xiàn)對避雷器監(jiān)測表計的動作次數(shù)和接地電流的智能抄報。該系統(tǒng)終端以分布式安裝，采用無線通信與有線相結(jié)合方式實現(xiàn)采集圖像的上傳，操作人員可通過后臺軟件監(jiān)測避雷器表計讀數(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄報方法，節(jié)約大量人力物力，適應(yīng)變電站無人值守的需求。

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徐衛(wèi)中（1968-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電廠生產(chǎn)管理和技術(shù)管理工作。

TV736

A

1672-5387（2015）11-0001-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.001

2015-07-31