基于圖像處理和光電傳感技術(shù)的SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

尚秋峰，劉薇，毛訓(xùn)

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引 言

在變電站中多采用SF6斷路器，SF6斷路器的絕緣性能和滅弧能力在很大程度上受到SF6氣體的壓力狀態(tài)影響［1］。SF6氣體壓力不足將引起斷路器拒動(dòng)，造成嚴(yán)重的電力事故。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段是通過(guò)機(jī)械式指針儀表來(lái)測(cè)量設(shè)備中SF6氣體的密度，值班人員輪流定期查看，受人為和自然因素干擾大，操作繁瑣，檢測(cè)效率低。

目前對(duì)SF6氣體監(jiān)測(cè)多利用紅外成像、聲波速度差、負(fù)離子式檢測(cè)原理，以上方法成本昂貴，而且需要修改高壓設(shè)備，因此有必要尋找與一次系統(tǒng)無(wú)接觸的低成本監(jiān)測(cè)方法［2］。

文章提出利用光電傳感技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)、儀表圖像直讀算法構(gòu)建SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。價(jià)格低廉，可以實(shí)時(shí)觀察。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)所要研究的圖像進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、特征提取、算法分析、結(jié)果顯示等操作［3］。本文中所要研究的是顏色特征明顯的彩色儀表，彩色圖像的信息豐富，基于彩色圖像的分析處理可以保證檢測(cè)速度和精度，并且檢測(cè)方便。

提出了顏色強(qiáng)度的概念，來(lái)精確表示指針指示位置，可以避免各種儀表的顏色區(qū)域大小的不同、SF6壓力表上的數(shù)值的大小不同等一系列的問(wèn)題，具有普適性。

1 SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計(jì)的SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of SF6 gas on-line monitoring system

該系統(tǒng)分為三個(gè)部分：

（1）SF6氣體壓力狀態(tài)監(jiān)測(cè)部分

系統(tǒng)通過(guò)攝像頭采集 SF6儀表圖像，由以STM32為核心的裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，通過(guò)儀表圖像直讀算法判斷斷路器的壓力狀態(tài)是處于正常、預(yù)警還是報(bào)警。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分

本系統(tǒng)采用 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)［4］，STM32將壓力信息發(fā)送給ZigBee模塊，利用ZigBee模塊的自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳遞。

（3）LabVIEW后臺(tái)監(jiān)測(cè)部分

應(yīng)用串口通信功能，將作為協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊收到的壓力信息通過(guò)串口傳送到PC機(jī)上。通過(guò)PC機(jī)的LabVIEW軟件界面實(shí)時(shí)顯示壓力狀態(tài)［5］。PC機(jī)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以保存，導(dǎo)出，顯示?？梢愿鶕?jù)歷史數(shù)據(jù)曲線對(duì)斷路器的狀態(tài)趨勢(shì)作出判斷。

系統(tǒng)的基本工作過(guò)程是：CMOS攝像頭采集終端儀表圖片，通過(guò)IO口傳遞給STM32模塊進(jìn)行圖像處理，通過(guò)ZigBee模塊將本終端的編號(hào)及其SF6壓力表的信息打包通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給控制室內(nèi)的ZigBee接收模塊。ZigBee接收模塊將信息通過(guò)RS232傳遞給PC機(jī)，LABVIEW程序?qū)邮盏降男畔⒎治觯袛嗨邮盏降男畔⑹菍?duì)應(yīng)于哪個(gè)SF6壓力表的哪種狀態(tài)和具體強(qiáng)度，報(bào)警并顯示。

2 儀表圖像處理算法

本文在采集圖像后，利用中值濾波法對(duì)圖像預(yù)處理，減影法提取指針，對(duì)指針用最小二乘法直線擬合，利用兩條不同位置指針確定表盤圓心位置，從而找到指針末端。根據(jù)指針末端鄰域內(nèi)的顏色信息判斷是否需要報(bào)警，根據(jù)顏色強(qiáng)度描述指針的具體位置。

2.1 采光問(wèn)題

系統(tǒng)通過(guò)STM32上的攝像頭采集SF6儀表圖像?？紤]到實(shí)際使用中的采光問(wèn)題，陽(yáng)光照射引起的反光和光線暗都會(huì)影響成像質(zhì)量，系統(tǒng)外加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)半圓的遮光片，并配有LED燈。圖像采集時(shí)，系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)將驅(qū)動(dòng)遮光片旋轉(zhuǎn)180°遮住陽(yáng)光，減少反光對(duì)圖像的影響，同時(shí)開啟LED燈，采集圖像完成后關(guān)閉LED燈，旋轉(zhuǎn)電機(jī)至原位。LED燈在采集圖像時(shí)提供照明輔助作用，在光線暗的時(shí)候尤其重要。

2.2 儀表圖像的中值濾波處理

電力指針式儀表圖像在獲取過(guò)程中，由于各種因素的影響，往往包含大量的噪聲，如果不做任何處理，噪聲會(huì)使圖像質(zhì)量惡化，造成圖像模糊，甚至淹沒(méi)所需的特征［6］。對(duì)采集到的彩色圖像采用中值濾波去噪。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實(shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。鄰域一般稱為窗口，當(dāng)窗口在圖像中上下左右進(jìn)行移動(dòng)后，利用中值濾波算法就可以很好地對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。

在二維圖像時(shí)的中值濾波算法定義為：

式中W為平面窗口，m為窗口水平尺寸，n為窗口垂直尺寸（這里m，n為奇數(shù)），Xi，j為目標(biāo)中心點(diǎn)的像素，坐標(biāo)為（i，j）；以Yi，j為中心，窗口W范圍內(nèi)像素點(diǎn)灰度值的中值，即Xi，j的灰度值。

在對(duì)彩色圖像中值濾波時(shí)，先將彩色像素分解為RGB分量分別中值濾波，再通過(guò)圖像整合來(lái)復(fù)原彩色圖像。

2.3 減影法指針提取

將兩幅指針指示不同的圖像做減運(yùn)算。像素值相同的區(qū)域，相減后像素值為（0，0，0），顯示為黑色背景。像素值不同的區(qū)域，相減后將像素值置為（255，255，255），顯示為白色指針。這樣即將表盤的背景減去，只留下不同位置處的指針［7］。將指針圖像灰度化處理，采用動(dòng)態(tài)閾值法對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像分割，得到二值圖像［8］。提取出的指針圖像中仍然會(huì)包含噪聲，包括背景區(qū)域中的孤立點(diǎn)。為了提高指針識(shí)別精度，對(duì)指針圖像再進(jìn)行中值濾波處理，濾除背景中的細(xì)小雜點(diǎn)［9］。

為了提高指針圖像識(shí)別的精度和速度，采用中軸變換的方法對(duì)圖像細(xì)化處理，得到單像素寬度的表盤指針圖像。細(xì)化后的圖像可以有效突出直線特征，減小冗余信息［10］。

2.4 最小二乘法指針擬合

最小二乘法是一種分析數(shù)據(jù)的常用方法，是在已知多組數(shù)據(jù)情況下構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)公式的有效的數(shù)值方法。在將指針區(qū)域圖像細(xì)化后，可以得到寬度為一的骨架圖像，將各像素點(diǎn)的坐標(biāo)值作為多組數(shù)據(jù)，由最小二乘法確定指針?biāo)谥本€y＝ax+b。其中a，b為待定系數(shù)，a，b的選取應(yīng)遵循使得離散像素點(diǎn)與擬合直線的距離的平方和最小。記做：

要確定Q（a，b）的最小值點(diǎn)，即求取Q（a，b）二元函數(shù)的駐點(diǎn)，可得下列方程：

解出這個(gè)方程組，即可確定最小二乘法直線擬合的系數(shù)a和b：

在X軸與待求的直線垂直時(shí)，數(shù)組中的所有像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)都幾乎相等。此時(shí)顯然上述公式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用條件。所以在這種情況下，就對(duì)所有的橫坐標(biāo)求取平均值，直線方程表示為x＝c，c為橫坐標(biāo)的平均值。求出兩條不同位置指針的直線方程后，求兩條直線的交點(diǎn)，即為圓心。

2.5 顏色強(qiáng)度指針式識(shí)別法

確定圓心位置坐標(biāo)（x0，y0）和指針直線方程y＝ax+b后，掃描指針，計(jì)算指針各像素點(diǎn)（xi，yi）到圓心（x0，y0）的距離使di最大的點(diǎn)即為指針末端?？紤]到圖像中可能存在噪聲點(diǎn)，計(jì)算像素點(diǎn)偏離指針直線方程的動(dòng)態(tài)范圍Δi＝｜yi-（axi+b）｜，確定一個(gè)閾值T，當(dāng) Δi＜T時(shí)，像素點(diǎn)（xi，yi）有效。否則無(wú)效。根據(jù)指針末端像素點(diǎn)P坐標(biāo)（x′，y′）和圓心坐標(biāo)（x0，y0），可以利用距離法求出指針長(zhǎng)端的長(zhǎng)度R。已知圓的圓心坐標(biāo)和半徑，根據(jù)圓的參數(shù)方程x＝Rcosθ，y＝Rsinθ。以指針末端像素點(diǎn) P的當(dāng)前位置為起點(diǎn)，即θ＝0。順時(shí)針?lè)较颚龋?2°位置處像素點(diǎn)M即為指針右側(cè)像素點(diǎn)，讀取M和其八鄰域像素點(diǎn)的像素值，將其取均值作為指針右側(cè)的像素信息。逆時(shí)針?lè)较颚龋?°位置處像素點(diǎn)N即為指針左側(cè)像素點(diǎn)，讀取N和其八鄰域像素點(diǎn)的像素值，將其取平均作為指針左側(cè)的像素信息。利用不同顏色區(qū)域像素點(diǎn)的RGB分量信息不同，判斷像素點(diǎn)的顏色信息。例如若指針左側(cè)和右側(cè)都為紅色，則判斷指針落入紅色區(qū)域。若指針左側(cè)紅色，右側(cè)黃色，則說(shuō)明指針剛好落在紅色區(qū)域和黃色區(qū)域的分界線上。

一旦判斷了指針?biāo)诘膮^(qū)域，則可以確定是否報(bào)警輸出。若指針落在紅色超標(biāo)區(qū)域，則立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在對(duì)電力系統(tǒng)的日常監(jiān)測(cè)中，僅僅知道各項(xiàng)設(shè)備是否出現(xiàn)了異常是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了準(zhǔn)確把握設(shè)備的工作狀態(tài)，在故障產(chǎn)生之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在趨勢(shì)。本文利用顏色強(qiáng)度來(lái)表示指針示值。

根據(jù)表盤的特點(diǎn)，定義紅色區(qū)域顏色強(qiáng)度為0～20，黃色區(qū)域顏色強(qiáng)度為20～40，紅色區(qū)域顏色強(qiáng)度為40～100。

在判斷表盤的時(shí)候，從指針位置出發(fā)，同時(shí)從順時(shí)針逆時(shí)針兩個(gè)方向以2°為步進(jìn)單位進(jìn)行掃描，判斷當(dāng)前位置像素點(diǎn)的顏色信息［6］。如果不同像素點(diǎn)的顏色信息相同，說(shuō)明仍在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)。如果顏色信息發(fā)生改變，說(shuō)明到達(dá)不同區(qū)域的交界處。記錄下從逆時(shí)針，順時(shí)針?lè)较蚍謩e到達(dá)兩條交界處所經(jīng)歷的角度大小α、β，代表指針與其所在區(qū)域始端的角度為α，與終端的角度為β。

如果指針落在紅色區(qū)域，指針指示位置的顏色強(qiáng)度W計(jì)算如下：

如果指針落于黃色區(qū)域，指針指示位置的顏色強(qiáng)度W計(jì)算如下：

如果指針落于綠色區(qū)域，指針指示位置的顏色強(qiáng)度W計(jì)算如下：

采用顏色強(qiáng)度來(lái)表示彩色儀表指針指示位置，如果需要將儀表示數(shù)表示出來(lái)，只需要結(jié)合儀表不同顏色區(qū)域的刻度范圍，在后臺(tái)界面給出對(duì)應(yīng)參數(shù)即可。該表示方法適用于不同的彩色儀表。

傳統(tǒng)的指針識(shí)別算法一般基于Hough變換，運(yùn)算量大，需要存儲(chǔ)空間大。文中指針識(shí)別算法是基于最小二乘法運(yùn)算和指針末端小區(qū)域像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，確定報(bào)警信息時(shí)只需要計(jì)算指針末端鄰域內(nèi)像素均值，根據(jù)顏色信息快速確定是否需要報(bào)警輸出。運(yùn)算量小，計(jì)算時(shí)間短，需要存儲(chǔ)空間小，適合于嵌入式系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)?？梢栽谥羔樦甘井惓r(shí)快速識(shí)別出來(lái)，進(jìn)而發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使工作人員對(duì)故障及時(shí)處理。

3 無(wú)線傳輸模塊

3.1 ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸選用ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)之間的一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［11］，主要用于近距離無(wú)線連接和通信，其協(xié)議依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)無(wú)線電波以接力方式將數(shù)據(jù)在不同傳感器間傳送，使傳感器之間實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)的通信，通信效率高、所需硬件少，數(shù)據(jù)傳輸可靠，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)容量大。

3.2 系統(tǒng)通信機(jī)制

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸有主動(dòng)發(fā)送方式和主動(dòng)查詢方式。在主動(dòng)發(fā)送方式下，選取協(xié)調(diào)器作為時(shí)鐘同步的根節(jié)點(diǎn)，在所有壓力表的狀態(tài)都刷新一遍后發(fā)送一次時(shí)鐘同步信號(hào)。若有N臺(tái)設(shè)備，要求每2個(gè)小時(shí)能完全刷新一次各個(gè)儀表的狀態(tài)，這樣120／N分鐘便是每個(gè)設(shè)備的發(fā)送數(shù)據(jù)間隔，每臺(tái)圖像處理終端有各自的時(shí)間判斷間隔t，每隔時(shí)間t判斷一次儀表狀態(tài)，并保存到狀態(tài)寄存器，當(dāng)各自的時(shí)間發(fā)送窗口到達(dá)時(shí)，就把對(duì)應(yīng)的狀態(tài)發(fā)送過(guò)去。當(dāng)所有的壓力表的狀態(tài)接收到了一遍，協(xié)調(diào)器就發(fā)送一次時(shí)鐘同步信號(hào)。

在主動(dòng)查詢狀態(tài)下，被查詢的設(shè)備收到查詢指令后，將狀態(tài)寄存器的內(nèi)容立即發(fā)送到協(xié)調(diào)器，不再考慮時(shí)間窗口的限制。主動(dòng)查詢方式可以在需要的情況下很快的刷新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高工作效率［12］。

3.3 系統(tǒng)通信距離測(cè)試

利用網(wǎng)絡(luò)丟包率對(duì)系統(tǒng)通信的距離進(jìn)行測(cè)試。在間隔一堵墻的情況下，從六個(gè)ZigBee模塊，選取一個(gè)ZigBee發(fā)送模塊，一個(gè)接收Z(yǔ)igBee模塊，其余作為中間路由，以每10 s的間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 有障礙物時(shí)通信距離測(cè)試Tab.1 Test of communication distance with obstacle

可見如果采用15m的間隔可以達(dá)到不丟失信息的要求。

4 LabVIEW后臺(tái)監(jiān)測(cè)軟件

4.1 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

后臺(tái)的LABVIEW程序判斷是否需要查詢指定終端的狀態(tài)，若需要，則發(fā)送查詢指令到該終端并等待15 s，若沒(méi)有返回?cái)?shù)據(jù)，繼續(xù)發(fā)送查詢指令。如果無(wú)需查詢，則每15 s判斷是否需要查詢，其余時(shí)間等待接收數(shù)據(jù)。一旦接收到數(shù)據(jù)，立即進(jìn)行分析顯示。

4.2 LabVIEW監(jiān)測(cè)界面測(cè)試

將系統(tǒng)全部連上，ZIGBEE間隔取15 m對(duì)13臺(tái)斷路器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)測(cè)試。當(dāng)5號(hào)斷路器為預(yù)警狀態(tài)，壓力強(qiáng)度顯示為40時(shí)，后臺(tái)顯示如圖2所示。

圖2 斷路器預(yù)警狀態(tài)界面顯示Fig.2 Interface display of circuit breaker in warning state

5 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)智能變電站中SF6斷路器中的SF6氣體壓力狀態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于圖像處理和光電傳感技術(shù)的SF6氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)SF6儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)需和一次設(shè)備直接接觸，成本低，利用儀表圖像直讀算法，可以在壓力狀態(tài)異常時(shí)快速報(bào)警，并在后臺(tái)直觀的顯示壓力狀態(tài)。