基于機(jī)器視覺的隔離開關(guān)分合閘判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳富國　陳曉東　蔡杰　陳亮　鄧冠男

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的隔離開關(guān)分合閘位置判別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)的精確判別，與傳統(tǒng)輔助開關(guān)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘位置的方式形成非同源的位置“雙確認(rèn)”判據(jù)，為一鍵順控操作提供輔助判別支撐，同時針對變電站現(xiàn)有隔離開關(guān)分合閘位置判別設(shè)計(jì)了改造方案。現(xiàn)場運(yùn)行證明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性，對一鍵順控技術(shù)的實(shí)施起到了一定的推動作用。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān);分合閘位置雙確認(rèn);機(jī)器視覺;一鍵順控操作

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0006-04

Design and Application of Discriminating System for Opening and

Closing of Disconnector Based on Machine Vision

CHEN Fuguo1 CHEN Xiaodong2 CAI Jie1 CHEN Liang1 DENG Guannan3

（1. Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;2. Ganzi Power Supply Company of State Grid Sichuan Electric Power Company，Kangding Sichuan 626000;3. School of Sciences， Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012）

Abstract： In this paper， a position discrimination system based on machine vision sensing is designed to accurately identify the opening and closing status of the disconnector， and a non-homologous position "double confirmation" criterion is formed by realizing the opening and closing position of the disconnector with the traditional auxiliary switch contacts， which provid auxiliary discrimination support for one-key sequential operation， at the same time， a retrofit scheme is designed for the discrimination of the opening and closing positions of the existing isolating switches in the substation. The field operation shows that the system designed in this paper has good stability， accuracy and reliability， which plays a certain role in promoting the implementation of one-key sequence control technology.

Keywords： disconnector;double confirmation of opening and closing positions;machine vision;one-key sequence control operation

國內(nèi)高壓隔離開關(guān)位置常采用遙控信號及現(xiàn)場人工觀測判斷分合是否到位[1-2]，這種方法容易受到觀測者的主觀影響，工作效率低。對于無人值守站來說，遙控操作現(xiàn)場通常無法進(jìn)行人工確認(rèn)。目前，一些站采用圖像識別、壓力傳感等方法輔助判斷隔離開關(guān)位置狀態(tài)，但上述位置監(jiān)測方法在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性及適應(yīng)性等方面仍存在較多問題，例如，壓力傳感法設(shè)備安裝困難、無法實(shí)現(xiàn)不停電部署及更換，微動開關(guān)法觸頭易磨損、氧化?，F(xiàn)有隔離開關(guān)分合閘位置監(jiān)測方法具有一定的局限性，人們需要尋找新的技術(shù)方法和技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)分合閘位置的精確判斷。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺及人工智能技術(shù)不斷取得突破，其在交通、安防、無人機(jī)、機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，表現(xiàn)卓越，為隔離開關(guān)分合閘位置判別提供了一種新的重要思路。本文基于機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一套隔離開關(guān)分合閘位置判別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)的準(zhǔn)確判別，為一鍵順控操作的實(shí)施提供支撐。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

一鍵順控是指操作項(xiàng)目軟件預(yù)制、操作任務(wù)模塊式搭建、設(shè)備狀態(tài)自動判別、防誤聯(lián)鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動、操作過程自動順序執(zhí)行的變電站設(shè)備操作模式[3-5]。依據(jù)《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》（國能安全〔2015〕36號）中的電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案規(guī)定，本系統(tǒng)采用隔離裝置實(shí)現(xiàn)與I區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。老舊站改造時，新增或升級監(jiān)控主機(jī)具備一鍵順控功能，新增或升級智能防誤主機(jī)具備一鍵順控校驗(yàn)功能，新增或升級遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)機(jī)為主站側(cè)遠(yuǎn)方一鍵順控做預(yù)留，新增智能判據(jù)系統(tǒng)，利用視頻圖像分析結(jié)果形成輔助判據(jù)，并以硬接點(diǎn)開入形式接入綜合測控裝置[6-7]。一鍵順控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新增的智能判據(jù)系統(tǒng)部署在Ⅳ區(qū)，開關(guān)設(shè)備預(yù)操作時，一鍵順控主機(jī)通過正向隔離裝置下發(fā)視頻聯(lián)動信號。監(jiān)控主機(jī)內(nèi)置的防誤校驗(yàn)與智能防誤主機(jī)形成防誤雙校驗(yàn)。一鍵順控功能架構(gòu)如圖2所示。

順控操作開始前，人們可以通過判據(jù)系統(tǒng)的視頻圖像對所有待操作設(shè)備進(jìn)行操作前的狀態(tài)確認(rèn);順控操作開始后，每一步操作結(jié)果由監(jiān)控系統(tǒng)將變位信號通知到智能判據(jù)系統(tǒng)，判據(jù)系統(tǒng)綜合圖像分析結(jié)果和傳感器電機(jī)電流曲線分析結(jié)果，給出“遙視+遙測”的綜合輔助判據(jù)，再回傳至監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合原有測控裝置遙信判據(jù)，形成開關(guān)、刀閘位置雙確認(rèn)，以便自動執(zhí)行下一步操作。

順控操作過程中，當(dāng)判據(jù)條件不滿足時，系統(tǒng)會自動終止順控操作流程;當(dāng)前端設(shè)備操作異常時，支持人工手動終止順控操作流程。另外，智能判據(jù)系統(tǒng)還可以對原有變電站視頻輔助監(jiān)控系統(tǒng)的攝像機(jī)（滿足生產(chǎn)用視頻監(jiān)視要求）進(jìn)行利舊[8-9]。

2 基于機(jī)器視覺的隔離開關(guān)位置監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于機(jī)器視覺的順控流程設(shè)計(jì)

2.2 視頻分析設(shè)計(jì)

斷路器翻字牌、開關(guān)刀閘等一次設(shè)備狀態(tài)可通過視頻識別算法進(jìn)行自動識別，并將識別結(jié)果通過隔離裝置發(fā)送給調(diào)度主站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，完成視頻確認(rèn)功能。

組合電器式隔離開關(guān)分析的對象為翻字牌，人們可以通過攝像頭獲得操作機(jī)構(gòu)翻字牌的圖像，由于翻字牌一般很小，所以抓拍圖片時要確保能完整清晰地看到翻字牌信息，上下左右偏角要小于30°。如圖5所示，首先放大圖像，然后對包含翻字牌的信息進(jìn)行截圖，分析只包含翻字牌的最小區(qū)域，再分析翻字牌圖像，最后根據(jù)翻字牌是綠底白面的“分”字還是紅底白面的“合”字進(jìn)行分析，如為前者則判斷狀態(tài)為“分”，如為后者則判斷狀態(tài)為“合”，若是中間狀態(tài)則判斷狀態(tài)為“異?！?，若未分析識別則結(jié)果為“未識別”，結(jié)果保存圖片和返回值到指令。

刀閘視頻分析方法根據(jù)刀閘臂兩邊的絕緣子來框定分析區(qū)域，進(jìn)而獲得刀閘臂的狀態(tài)。若兩個絕緣子間的刀閘臂組成一條直線，則判斷刀閘現(xiàn)在的狀態(tài)為連通，即為“合”;若絕緣子間沒有刀閘臂組成的直線，則判斷刀閘狀態(tài)為斷開，即為“分”;若是中間狀態(tài)，則判斷狀態(tài)為“異常”;若未分析識別，則結(jié)果為“未識別”，結(jié)果保存圖片和返回值到指令。在分析過程中，人們可以運(yùn)用運(yùn)動目標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)，有效提高刀閘臂開合角度測量的準(zhǔn)確度。隔離開關(guān)分析過程如圖6所示。

2.3 信號交互方式

圖像識別、普通視頻作為刀閘分合輔助判據(jù)，不需要對運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行停電處理，減少人員現(xiàn)場再次確認(rèn)，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)視，提高設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)管水平。調(diào)度主機(jī)與順控視頻監(jiān)控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互方式采用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，具體流程如圖7所示。

2.4 判別邏輯設(shè)計(jì)

隔離開關(guān)位置遙信作為主要判據(jù)，采用分/合雙位置輔助接點(diǎn)，視頻圖像遙視判據(jù)作為輔助判據(jù)，隔離開關(guān)的狀態(tài)確認(rèn)判斷邏輯如圖8、圖9所示。

3 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

以遼寧省某110 kV變電站隔離開關(guān)雙確認(rèn)改造為例，該站開關(guān)設(shè)備采用封閉式組合電器（GIS），視頻雙確認(rèn)工程實(shí)施范圍主要涉及隔離開關(guān)的攝像頭立桿安裝，交換機(jī)、順控視頻主機(jī)及工作站的安裝。

3.1 布點(diǎn)原則

攝像機(jī)部署的點(diǎn)位選擇需要考慮攝像機(jī)布置的位置、高度，確保攝像機(jī)能完整地監(jiān)視隔離開關(guān)的翻字牌等目標(biāo)點(diǎn)，背景要求單一，不出現(xiàn)其他易干擾的物體，攝像機(jī)與翻字牌上下偏角不能小于30°，便于實(shí)現(xiàn)視頻分析功能。

另外，攝像機(jī)在對翻字牌進(jìn)行抓圖時對對象的環(huán)境特別是光線有特別的要求，在進(jìn)行抓拍時，若光線不足，則需要補(bǔ)光。具體要求如下：布點(diǎn)盡量選擇背光位置，云臺攝像機(jī)點(diǎn)位盡量通過不同預(yù)置位兼顧到2個以上隔離開關(guān)，形成隔離開關(guān)的監(jiān)控點(diǎn)位互備;AIS隔離開關(guān)A、B、C三相監(jiān)控畫面要求，分合閘操作過程中，視頻完整監(jiān)控到隔離開關(guān)導(dǎo)電臂全景，監(jiān)控畫面中隔離開關(guān)傾斜角度控制在30°～45°;翻字牌占攝像機(jī)畫面的比例應(yīng)盡量大，畫面應(yīng)清晰，能看清分/合字體。

該110 kV變電站隔離開關(guān)雙確認(rèn)改造工程實(shí)施時采用固定槍機(jī)或微型攝像機(jī)對GIS隔離開關(guān)分合指示進(jìn)行一對一監(jiān)控，即可輔助人工遠(yuǎn)方確認(rèn)設(shè)備位置狀態(tài)，還可基于深度學(xué)習(xí)視頻分析算法，自動判斷隔離開關(guān)分合指示位置，將其作為一鍵順控輔助判據(jù)之一?，F(xiàn)場攝像機(jī)安裝示意圖如圖10所示。

3.2 立桿原則

立桿時，要盡量與一次設(shè)備保持安全帶電距離，同時不能妨礙主通道的通行。桿塔要求采用熱鍍鋅材質(zhì)，直徑≥40 mm，高<3 000 mm，壁厚≥2 mm，螺絲螺母均采用不銹鋼材質(zhì)。

3.3 電源設(shè)計(jì)

順控視頻系統(tǒng)采用集中供電，從變電站的交流站用電屏引接兩路不同站用變的電源，每路電源均應(yīng)滿足整套系統(tǒng)供電容量的要求，兩路電源應(yīng)具備自動切換功能、互為備用，為順控視頻系統(tǒng)的各設(shè)備和裝置提供可靠的工作電源。AC220 V電源接入集中供電模塊后，輸出AC24V@5A，為攝像機(jī)提供可靠電源。順控視頻站端主機(jī)電源應(yīng)引接變電站不間斷電源（UPS）電源。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)分析

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的隔離開關(guān)分合閘位置判別系統(tǒng)采用圖像判據(jù)，為順控操作開始前的待操作設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)提供依據(jù)，順控操作開始后，通過基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析算法對設(shè)備動作后的狀態(tài)進(jìn)行識別，滿足遠(yuǎn)方一鍵順控或站控層一鍵順控的雙確認(rèn)要求。另外，智能判據(jù)系統(tǒng)可以在1區(qū)或3區(qū)靈活部署，通過串口與監(jiān)控系統(tǒng)通信，通信效率高，判據(jù)回傳延遲小。智能判據(jù)系統(tǒng)還可以對原有變電站輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像機(jī)（滿足生產(chǎn)用視頻監(jiān)視要求）進(jìn)行利舊，改造性價比高。

5 結(jié)語

為滿足國家電網(wǎng)公司第三代智能變電站技術(shù)發(fā)展需求，支撐一鍵順控操作的實(shí)施，本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺的隔離開關(guān)分合閘位置判別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)狀態(tài)的精確判別與智能分析，保障變電站隔離開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的安全開展。

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