基于時間序列分析故障指示器性能檢測方案的設計與研究

葛佳盛，周永榮，陳 皓，徐 梁，顧棟杰

（1.國網電力科學研究院，江蘇 南京210061；2.北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司，北京100071）

0 引言

隨著近幾年配電網的井噴式發(fā)展，電網對配電自動化終端的需求與日俱增［1-3］。故障指示器是配電自動化終端的重要組成部分，故障指示器由于其成本低廉，功能豐富，使用便捷，在配電網中得到廣泛的運用［4-7］。據不完全統(tǒng)計，自2014年起，各網省公司故障指示器每年招標量增速保持在100%以上；以2017 年為例，國網江蘇省電力有限公司配電線路故障指示器招標量超過了5 萬臺；同時隨著故障指示器型式試驗標準的完善，網省公司對配網類入網檢測要求的不斷提高［8-15］，檢測機構每年承接的故障指示器類檢測任務也呈井噴高速增長。若故障指示燈狀態(tài)發(fā)生改變時，通常表示產生了不同的故障，針對錄波型故指，表征以閃光為主；特征型故指，表征以翻牌為主。目前國內對該類故指性能的檢測主要依賴檢測人工測試，對于要求檢測的任務緊急繁重時，該枯燥、單一的人工檢測方式將造成人力資源浪費［16-24］。

本文針對上述第一種對錄波型故指設計了一套基于時間序列圖像的故指亮燈警告檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現對配電入網故障指示器性能的全自動檢測，提高配電網所用故障指示器的質量，減輕檢測人員工作，提高配網故指示智能檢測水平。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)針對由繼電保護測試儀、標準源等構成控制單元的電壓電流信號短路、電流遙測精度等功能進行帶電故障判斷檢測，設計的故障指示器全自動測試系統(tǒng)架構框圖如圖1所示。該全自動檢測系統(tǒng)主要分兩部分，硬件部分包括：PC、攝像頭、視頻采集卡、指示器單元集，繼保測試儀、標準源及功放等模塊；軟件部分由上位機信息處理系統(tǒng)組成。攝像頭對準故障指示器的面板，實時獲取故障指示器信息，通過圖像采集模塊及通訊模塊傳輸到圖像處理軟件中，通過基于時間序列指示燈狀態(tài)變化檢測方法判斷故障指示器狀態(tài)，并與設定的控制單元狀態(tài)對比。

圖1 故障指示器全自動測試系統(tǒng)的架構框圖Fig.1 Architecture of fault indicator automatic test system

2 硬件設計

通過高速工業(yè)高清攝像頭SJ-RT-1080-CAM 及其配套工業(yè)視頻采集卡SH-RT-1080-CAP 3G-SDI 獲取對待測樣品指示器集合的檢測視頻。由于本文主要面向實際運用，對于設計成本和運行可靠性要求較高，為了避免攝像頭鏡頭畸變，T 型失真等常見的由于攝像頭鏡頭所帶來的不可避免的誤差［25-29］，對圖像處理算法帶來額外的計算量，同時減少平時試驗所需調整的參數變量數目，對于攝像頭的安裝方式采用如圖2所示。

安裝故障指示器采集單元的模擬架空線路的架空桿按照相關試驗指標設計成如圖2 所示的尺寸；為了讓故障指示器采集單元盡可能地落入CCD 攝像頭鏡頭中心區(qū)域（此區(qū)域由鏡頭帶來的失真較低，圖像處理計算時可忽略不計），A相和C相之間的角度為31.17°，為了保證試驗拆裝方便，將ABC三相指示器吊掛位置設計為剖面角45°，此時故障指示器三個采集單元在CCD 攝像機眼中呈現直線排布，降低了后期處理的難度，同時增強了處理算法的可靠性、降低操作難度。

圖2 圖像處理攝像頭與被測樣品安裝圖Fig.2 Installation diagram of camera and tested sample

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件由于上位機實現顯示報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)為自主定制化設計的自動化測試系統(tǒng)。基于時間序列視頻圖像處理故障指示器，主要包括被測樣品區(qū)域定位，指示燈監(jiān)控狀態(tài)識別。

3.1 被測樣品定位

由于攝像機及指示器面板的安裝位置固定，則拍攝得到的圖像中指示器面板的相對位置和大小固定，因此可以通過手工直接對被測樣品進行標定。這不僅縮短了圖像對指示器的定位識別的處理時間，也提高了定位的準確度和效率，增加系統(tǒng)的可靠性。

3.2 基于時間序列指示燈監(jiān)控狀態(tài)識別原理

初始化包括存儲指示燈未報警時的狀態(tài)圖像，視頻圖像可以用式（1）表示。

式（1）中，B(x，y)表示非指示器區(qū)域光場分布，Dn(x，y，t)表示第n個指示器區(qū)域的光場分布，L(x，y，t)表示指示器亮的空間時間變化。因為指示器區(qū)域較小，可以近似認為指示器區(qū)域是整體亮度的變化，指示器亮和滅是整體強度一起變化，區(qū)域中的分布基本上為常數，其次是指示器亮分布基本均勻，在指示器的光場可以近似認為常數。那么式（1）可以近似如公式（2）所示，在指示器區(qū)域把時間函數和空間函數進行分離。

在式（2）中，L分離為空間函數LA和時間函數LT，D 分離為空間函數DA 和時間函數DT，在指示器區(qū)域的亮度分布為常數。攝像機獲取視頻信息周期為δ，那么前后兩幀的差別可以用式（3）表示。但是隨著時間，背景的變化量遠小于故障指示器亮滅的變化量，于是，式（3）可以用式（4）表示。

在式（4）中，B(x，y)ΔL(x，y，t)是背景亮度，因為背景變化緩慢，因此值都很小。第二項，由于指示器燈的亮滅比較明顯，所以每個指示器區(qū)域的變化值很大，所以，依據時間序列通過比較指示器閃爍時相鄰幀之間的巨大變化，從而發(fā)出報警。

3.3 故指亮滅及閃爍狀態(tài)判別

采集不同背景光下指示燈亮、滅、快速閃動及慢速閃動等狀態(tài)的若干幀視頻圖像。其中，令背景光監(jiān)測區(qū)間的亮度為LBj，燈亮時指示燈亮度為LONj，燈滅時指示燈亮度為LOFFj，則指示燈去除背景亮度后的實際亮度可以用式（5）表示，其中k 為補償系數，描述指示燈真實亮度與背景的關系，可用式（6）的最小二乘法來求出［30-32］。亮滅的閾值Tj可以通過式（7）求得，當指示燈以一定頻率閃爍時，由于不同的閃爍頻率時間積分下產生的亮度不同，故而判斷閃爍的閾值通常小于式（8），但不能過小，以免受到噪聲干擾。

先檢測出每一幀圖像故指亮滅狀態(tài)，后通過時間序列分析幀間數據可判別指示燈的閃爍狀態(tài)。令指示燈亮的時間為TON，滅的時間為TOFF，則閃爍周期為TON+ TOFF，Tc為視頻的幀間周期，并根據式（7）來判斷指示燈狀態(tài)。

3.4 主程序流程

故障指示器全自動測試系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

4 檢測結果及驗證分析

為驗證有效性，搭建了如圖4 所示的系統(tǒng)平臺檢測環(huán)境，圖5為自主設計上位機頁面總覽圖，其中左上角大畫面為通道3的分圖，左下角為通道3檢測的6個故障指示器。依次雙擊右側列表中圖像可以實現通道的切換與顯示。切換后的通道1、通道2 的分圖如圖6-圖7所示。

圖3 軟件設計流程框圖Fig.3 Flow chart of software design

圖4 檢測裝置及環(huán)境整體圖Fig.4 Overall diagram of detection environment

圖5 上位機頁面總覽圖及通道3分圖Fig.5 General view of page upper PC and Channel 3

系統(tǒng)設定控制單元輸出，模擬三相架空電路的實際運行工況，并選取相應時間段錄波型故指的視頻圖像進行實驗。待測對象固定為通道1中左下角的指示燈。設定采集視頻信息幀周期為20 ms，圖像處理軟件根據指定區(qū)域離散的亮度信息及閾值來判定燈的亮滅，并通過時間序列分析幀間數據判斷指示燈是否閃爍。對于指示燈恒亮恒滅切換下的亮度采集及識別結果如圖8所示；以閃爍周期為400 ms和90 ms切換下的亮度采集識別結果如圖9 所示；下方對應的識別曲線準確識別了待測故指的當前狀態(tài)。表1中為不同閃爍周期的檢測數據，從表中可見當閃爍周期小于設定的采集幀周期時，檢測的數據存在丟失，不能正確判斷當前狀態(tài)；當閃爍周期大于幀周期時，能正確判斷指示燈的狀態(tài)及周期，其中識別幀數存在差別的原因和采集的起止時刻在閃爍周期的位置有關。

圖6 相同時刻通道1分圖Fig.6 Sub graph of Channel 1 at the same time

圖7 相同時刻通道2分圖Fig.7 Sub graph of Channel 2 at the same time

表1 指示燈不同閃爍周期識別結果Table 1 Identification results of of indicator lights in different flashing periods

圖8 指示燈恒亮恒滅識別結果Fig.8 Identification results of indicator light on and off

圖9 指示燈閃爍周期變換識別結果Fig.9 Identification results of indicator in different scintillation period

5 結語

由上可見，基于時間序列圖像的故指亮燈警告識別方法可以有效地識別暫波型故指狀態(tài)，結合設計的模擬仿真配電線路，可以實現暫波型故障指示器性能試驗全自動測試功能，經過多次試驗，裝置系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、有效，基本滿足全自動測試暫波型故障指示器性能的試驗需求，對于提高試驗中心故障指示器自動化檢測效率具有重要意義。