基于機(jī)器視覺的重合閘監(jiān)控裝置遠(yuǎn)方投退方法的研究＊

楊 雨，陳柏青，陳 偉，張美勇，莊森杰

（國(guó)網(wǎng)瑞安市供電公司，浙江 溫州 325200）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也飛速增長(zhǎng)，當(dāng)前電網(wǎng)的主要矛盾是客戶日益增長(zhǎng)的用電需求與電網(wǎng)公司設(shè)備相對(duì)落后的矛盾。如何高質(zhì)量的保障用電可靠性，滿足客戶日益增長(zhǎng)的用電需求，是供電企業(yè)提升優(yōu)質(zhì)服務(wù)，優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境的一項(xiàng)重中之重的任務(wù)。那么，減少停電作業(yè)或進(jìn)行帶電作業(yè)是提升供電企業(yè)服務(wù)質(zhì)量的有效措施之一[1]。

本文針對(duì)浙江電網(wǎng)瑞安公司轄區(qū)范圍內(nèi)變電站10 kV開關(guān)柜現(xiàn)狀給出一種能在硬壓板上進(jìn)行遠(yuǎn)方投退重合閘的裝置，該裝置利用TCP/IP 協(xié)議和GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在特定條件下對(duì)變電站內(nèi)重合閘裝置進(jìn)行遠(yuǎn)方投退和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，能第一時(shí)間完成重合閘的投退工作，從而達(dá)到縮短操作時(shí)間和提高供電可靠性的目的，提升變電站智能化水平[2-4]。

1 現(xiàn)狀分析

當(dāng)前變電站內(nèi)重合閘方式可分為可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方投退操作的軟壓板和無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方投退的硬壓板兩大類。且轄區(qū)范圍內(nèi)僅有8 座變電站已實(shí)現(xiàn)重合閘遠(yuǎn)方投退功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際需求水平，嚴(yán)重影響智能變電站的發(fā)展。

因?yàn)橹睾祥l操作主要還處于人工投退模式，且各變電站地理分布廣、點(diǎn)散、操作量大且不定時(shí)，這樣的運(yùn)行方式嚴(yán)重影響了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)的推進(jìn)。2019 年該公司重合閘操作量在不斷地上升，每次操作需要運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，路程遙遠(yuǎn)和人力不足的情況嚴(yán)重影響工作效率。一次重合閘操作時(shí)間=（車程+匯報(bào)+操作）時(shí)間，現(xiàn)階段的運(yùn)行方式無(wú)法滿足當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展要求，也不能在第一時(shí)間及時(shí)完成投退的操作任務(wù)。瑞安公司2019-01—2019-10 重合操作任務(wù)數(shù)量表如圖1 所示。

圖1 2019-01—2019-10 重合閘操作記錄

2 遠(yuǎn)方投退監(jiān)控裝置的組成

電力安全工作規(guī)程規(guī)定，當(dāng)電氣設(shè)備操作后的位置檢查主要通過(guò)以下三個(gè)方面作為判斷依據(jù)：①操作人員使用該裝置“選擇—返校—執(zhí)行—檢查”的方式對(duì)重合閘硬壓板進(jìn)行操作時(shí)，重合閘壓板會(huì)有通斷切換；②保護(hù)裝置上“充電完成”或“充電未完成”的圖像作為反饋信號(hào)；③采集到的電壓對(duì)比繼電器模塊的遙信信號(hào)，通過(guò)遙控操作和遙信反饋信號(hào)共同確認(rèn)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作是否完成[5]。

2.1 控制系統(tǒng)組成

基于機(jī)器視覺圖像處理方法的重合閘硬壓板遠(yuǎn)方投退監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，嵌入式模塊結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。硬件部分主要包括：工業(yè)攝像頭、嵌入式處理器、工業(yè)攝像頭的圖像采集區(qū)域涵蓋硬壓板、保護(hù)裝置顯示屏的區(qū)域。根據(jù)工業(yè)攝像頭采集到的圖像對(duì)其進(jìn)行處理，利用高斯濾波、銳化、邊緣檢測(cè)、直線檢測(cè)等步驟，從背景中分離、檢測(cè)出壓板和顯示屏的位置。判斷壓板狀態(tài)是否“就位”。利用目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)跟蹤算法，檢測(cè)出壓板當(dāng)前的位置，并實(shí)時(shí)跟蹤壓板的位置狀態(tài)，判斷硬壓板“開”“合”的相對(duì)位置關(guān)系，依據(jù)兩者的角度運(yùn)算，判斷硬壓板是否“斷開”。能將檢測(cè)、分析的結(jié)果傳輸給現(xiàn)場(chǎng)控制器，對(duì)重合閘監(jiān)控裝置的各個(gè)部件進(jìn)行控制。軟件部分包括：嵌入式LINUX/WINDOWS 系統(tǒng)、圖像分析、處理、圖像采集、TCP/IP、MODBUS 協(xié)議棧等[6-8]。

圖2 遠(yuǎn)方投退監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 嵌入式模塊結(jié)構(gòu)原理圖

操作人員通過(guò)身份認(rèn)證進(jìn)入服務(wù)器終端，通過(guò)TCP/IP協(xié)議和GPRS 通信協(xié)議對(duì)嵌入式模塊下達(dá)投退指令，投退操作完成之后，利用攝像頭采集遙控和遙信兩個(gè)信號(hào)圖片信息，經(jīng)過(guò)圖像處理分析來(lái)判斷投退狀態(tài)是否完成，以此來(lái)保障投退的準(zhǔn)確性和安全性。

2.2 圖像處理分析

圖像處理作為收集遙信信號(hào)的一項(xiàng)軟件處理算法，主要是通過(guò)遠(yuǎn)程投退監(jiān)控裝置的前端模塊——工業(yè)攝像頭，采集重合閘壓板連接片和開關(guān)柜上測(cè)控裝置畫面的實(shí)時(shí)圖像信息；嵌入式處理器將采集到的圖像信息進(jìn)行一系列的濾波、銳化、邊緣檢測(cè)、直線檢測(cè)處理，從圖像中讀取重合閘壓板連接片的位置和測(cè)控裝置畫面中的“通電完成與否”的狀態(tài)信息[9]。

利用采集到的壓板圖片，進(jìn)行高斯濾波預(yù)處理。具體操作是：用一個(gè)模板（或稱卷積、掩模）掃描圖像中的每一個(gè)像素，用模板確定的鄰域內(nèi)像素的加權(quán)平均灰度值去替代模板中心像素點(diǎn)的值。應(yīng)用銳化工具可以快速聚焦模糊邊緣，提高圖像中某一部位的清晰度或者焦距程度，使圖像特定區(qū)域的色彩更加鮮明。

因?yàn)橹睾祥l連接片主要是線性圖片，可以利用邊緣檢測(cè)算法提取線性特征，目的是標(biāo)識(shí)數(shù)字圖像中亮度變化明顯的點(diǎn)。圖像屬性中的顯著變化通常反映了屬性的重要事件和變化，在邊緣檢測(cè)中利用Sobel 算子，它是一個(gè)離散的一階差分算子，用來(lái)計(jì)算圖像亮度函數(shù)的一階梯度之近似值，公式為：

利用目標(biāo)檢測(cè)及目標(biāo)跟蹤算法，可以檢測(cè)出重合閘壓板的位置，并實(shí)時(shí)跟蹤重合閘壓板的狀態(tài)位置；在拍攝區(qū)域內(nèi)，利用用幀差法判斷重合閘壓板目前位置與原始位置的相對(duì)位置。主要是通過(guò)視頻序列中連續(xù)兩幀間的變化來(lái)檢測(cè)靜態(tài)場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，假設(shè)fk（x，y）和fk+1（x，y）分別為圖像序列中的第幀k和第k+1 幀中像素點(diǎn)（x，y）的像素值，則這兩幀圖像的差值圖像的公式為：

式（2）中，差值不為0 的圖像區(qū)域代表了由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)的區(qū)域（背景像素值不變），又因?yàn)橄噜徱曨l幀間時(shí)間間隔很小，目標(biāo)位置變化也很小。所以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)所經(jīng)過(guò)的區(qū)域也就代表了當(dāng)前幀中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所在的區(qū)域。

它的基本流程為：①利用公式（2）得到第k幀和第k+1幀的差值圖像Diffk+1；②對(duì)所得到的差值圖像Diffk+1二值化得到Qk+1，如公式（3）所示。

式（3）中：T為閾值。

為消除微小噪聲的干擾，使得到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)更準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)其進(jìn)行濾波和去噪處理。

在目標(biāo)跟蹤方面采用基于Mean Shift 模型的跟蹤方法，通過(guò)色彩或者灰度直方圖分布的統(tǒng)計(jì)特性來(lái)描述目標(biāo)特征。對(duì)初始幀圖像中目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的像素點(diǎn)，計(jì)算特征空間中每個(gè)特征值的概率，即建立目標(biāo)模版。在以后的每幀圖像中對(duì)可能存在目標(biāo)的候選區(qū)域計(jì)算特征值，利用相似度函數(shù)度量目標(biāo)模版與當(dāng)前幀候選區(qū)域的相似性。通過(guò)求相似性函數(shù)最大值得到關(guān)于目標(biāo)的Mean Shift 向量，這個(gè)向量就是目標(biāo)從初始位置向正確位置轉(zhuǎn)移的向量，根據(jù)此向量就可以找到目標(biāo)的正確位置[10]。

用一個(gè)目標(biāo)的顏色分布對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行描述，目標(biāo)中心位于x0，則目標(biāo)模型表示為向量，可得：

用y表示候選目標(biāo)的中心，則候選模型表示為向量得到：

式（4）（5）中：n為顏色空間中顏色特征的個(gè)數(shù)；為核函數(shù)；δ為圖像中點(diǎn)處的像素值（顏色值）；u為顏色特征的特征值。目標(biāo)跟蹤可以簡(jiǎn)化為尋找最優(yōu)的y，使得q與p（y）最大程度相似。

3 操作流程

當(dāng)需要進(jìn)行重合閘遠(yuǎn)程操作時(shí)，值班調(diào)度員向運(yùn)維人員發(fā)布預(yù)令，運(yùn)行人員根據(jù)調(diào)度指令開倒閘操作票，完成后向值班調(diào)度員申請(qǐng)正令。運(yùn)維人員接受正令后，監(jiān)護(hù)人和操作人根據(jù)操作票內(nèi)容進(jìn)行復(fù)誦操作。操作人根據(jù)監(jiān)護(hù)人指令選擇相應(yīng)操作線路，雙重名稱核無(wú)誤后，操作人和監(jiān)護(hù)人分別輸入操作編碼，嚴(yán)格按照“兩票”制度互相鉗制和監(jiān)督保證操作指令的正確，防止錯(cuò)誤操作。遠(yuǎn)程操作流程如圖4 所示，變電站典型跳閘改信號(hào)操作票如圖5 所示。

圖4 遠(yuǎn)程操作流程圖

圖5 重合閘由跳閘改信號(hào)操作票

4 總結(jié)

在變電站現(xiàn)有10 kV 開關(guān)柜上安裝該遠(yuǎn)方投退裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬壓板的升級(jí)改造，使其滿足自動(dòng)化要求，通過(guò)機(jī)器視覺和圖像處理方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)重合閘硬壓板的遠(yuǎn)方操作和監(jiān)控功能。此功能的實(shí)現(xiàn)可以大大減少運(yùn)維人員在重合閘操作上的人力、物力投入，特別是在搶修操作時(shí)，能第一時(shí)間完成任務(wù)，減少停電時(shí)間，提升供電可靠性，提高供電服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境，推進(jìn)公司泛在電力物聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)。