智能化配電柜的接線快速檢測方法

張翠文

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

現(xiàn)階段，配電柜接線檢測主要以人工檢測為主，該方式不僅檢測效率低，而且極易受到人員因素的影響，如主觀判斷、視覺疲勞等，配電柜接線檢測結(jié)果的誤差較大。除此之外，配電柜接線的人工檢測方式受限于配電柜結(jié)構(gòu)、人眼視線以及光線照射位置等，極大影響了配電柜接線檢測作業(yè)的效率。因此，在智能化背景下，實(shí)現(xiàn)配電柜從設(shè)計(jì)到維護(hù)檢測階段每一步工作向智能自動化方向發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備代替人工操作，對于提高工作效率具有重要作用，同時利用計(jì)算機(jī)設(shè)備代替人工作業(yè)還可以減少人工成本，從而實(shí)現(xiàn)配單柜接線質(zhì)量的高效率、低成本檢測。

1 智能化配電柜接線快速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 接線快速檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

接線快速檢測系統(tǒng)主要由配電柜接線編號識別模塊、接線編號區(qū)域定位模塊以及接線編號判斷模塊組成。首先，用戶需要在檢測系統(tǒng)中導(dǎo)入配電柜接線圖像信息，包括接線類型、接線編號等；其次，啟動檢測系統(tǒng)，利用圖像處理技術(shù)對輸入圖像進(jìn)行二值化、灰度化和形態(tài)學(xué)處理，進(jìn)而獲得符合檢測系統(tǒng)定位算法的配電柜接線邊緣輪廓圖；再次，采用最小外接矩形檢測方法對邊緣輪廓圖進(jìn)行檢測和篩選，獲得配電柜接線編號；最后，通過截取和保存定位結(jié)果，并將其傳輸至檢測系統(tǒng)識別模塊中，對配電柜接線編號和電器模塊預(yù)設(shè)接線編號進(jìn)行匹配，進(jìn)而判斷配電柜接線是否存在異常。

1.2 檢測系統(tǒng)應(yīng)用流程

配電柜接線快速檢測系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖1所示，主要由3部分組成，包括檢測人員、管理人員以及技術(shù)人員。其需要完成自身工作任務(wù)，然后與其他人進(jìn)行協(xié)作，進(jìn)而完成整個接線檢測流程。

圖1 配電柜接線快速檢測系統(tǒng)的應(yīng)用流程

1.2.1 技術(shù)人員

技術(shù)人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對配電柜進(jìn)行總體布局，然后繪制接線圖和接線表，進(jìn)而獲取仿真的配電柜設(shè)計(jì)方案[1]。接線表主要包括配電柜的所有接線信息，包括接線編號、接線類型、接線顏色以及接線標(biāo)簽等信息。技術(shù)人員完成配電柜設(shè)計(jì)工作后，需要將配電柜實(shí)物圖、接線圖、接線表等交由管理人員，以便管理人員開展后續(xù)管理工作。

1.2.2 管理人員

管理人員接收到配電柜實(shí)物圖、接線圖和接線表后需要對配電柜進(jìn)行維護(hù)，在檢測系統(tǒng)中導(dǎo)入配電柜實(shí)物圖、接線圖和接線表等信息，如果缺少文件則需要及時聯(lián)系技術(shù)人員進(jìn)行索要。利用檢測系統(tǒng)人機(jī)交互界面繪制配電柜各器件實(shí)物圖，包括器件坐標(biāo)信息、接線信息等，以此來為檢測人員提供參考。

1.2.3 檢測人員

檢測人員需要根據(jù)配電柜實(shí)物圖和接線圖創(chuàng)建相應(yīng)的配電柜接線檢測任務(wù)，如果缺少配電柜布局圖則需要聯(lián)系管理人員對配電柜布局圖進(jìn)行繪制。在配電柜接線檢測過程中，檢測系統(tǒng)會判斷配電柜接線編號信息是否與器件接線信息相匹配，同時檢測系統(tǒng)也會通過人機(jī)交互界面顯示配電柜接線端與對應(yīng)接線器件的位置，為檢測人員定位目標(biāo)器件提供參考。

1.3 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、圖像處理模塊以及檢測結(jié)果顯示模塊組成，其中結(jié)果顯示模塊和數(shù)據(jù)采集模塊集成于手持平板電腦中，檢測人員需要利用平板電腦攝像頭采集配電柜的接線圖像，然后利用無線網(wǎng)絡(luò)將采集圖像傳輸至檢測系統(tǒng)終端機(jī)中，由計(jì)算機(jī)對采集圖像進(jìn)行分析和處理。檢測系統(tǒng)終端機(jī)中的圖像處理模塊主要由接線標(biāo)簽判斷模塊、目標(biāo)定位模塊和圖像預(yù)處理模塊組成，系統(tǒng)檢測完成后會將檢測結(jié)果反饋至顯示模塊，進(jìn)而將檢測結(jié)果直觀呈現(xiàn)在用戶眼前[2]。檢測系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)的原理

配電柜接線檢測系統(tǒng)圖像采集設(shè)備采用微軟surface pro3，該設(shè)備的分辨率為2 160×1 440像素，可以在滿足檢測系統(tǒng)圖像識別像素要求的同時，實(shí)現(xiàn)圖像自動對焦，同時該設(shè)備還支持多點(diǎn)觸控，可以為用戶帶來更好的圖像瀏覽體驗(yàn)。

1.4 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

配電柜接線檢測系統(tǒng)主要通過對采集圖像進(jìn)行處理和分析，根據(jù)配電柜接線編號和配電柜接口編號差異特征，利用圖像處理獲取配電柜的特征信息，進(jìn)而提取出配電柜接線的編號區(qū)域，經(jīng)過對編號進(jìn)行識別和判斷，分析配電柜是否存在接線錯誤等情況。檢測系統(tǒng)軟件算法主要具備以下功能：（1）讀取配電柜的接線圖像；（2）根據(jù)圖像處理結(jié)果突出配電柜接線區(qū)域的信息，并排除圖像背景噪聲對處理分析結(jié)果的影響；（3）根據(jù)配電柜接線編號標(biāo)簽的輪廓信息提取標(biāo)簽區(qū)域；（4）對配電柜接線標(biāo)簽區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，并識別字符；（5）比較配電柜接線標(biāo)簽識別結(jié)果與預(yù)設(shè)編號信息，判斷配電柜是否存在異常連線情況[3]。檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

1.5 檢測系統(tǒng)接線編號定位模塊設(shè)計(jì)

首先，配電柜接線編號定位模塊會分析配電柜接線圖像，通過對圖像預(yù)處理，獲取配電柜接線區(qū)域的輪廓圖像；其次，根據(jù)圖像邊緣輪廓特征，去除圖像干擾信息，然后獲取完整的配電柜接線區(qū)域邊緣線；最后，采用二值化對圖像進(jìn)行處理，使配電柜接線區(qū)域邊緣輪廓更加完整和清晰。通過對輪廓區(qū)域設(shè)置篩選條件，進(jìn)而準(zhǔn)確獲取配電柜接線編號區(qū)域[4]。配電柜接線區(qū)域定位流程如圖4所示。

圖4 配電柜接線區(qū)域定位流程

1.6 檢測系統(tǒng)接線編號識別模塊設(shè)計(jì)

針對已經(jīng)訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)，配電柜接線編號識別就是網(wǎng)絡(luò)重復(fù)訓(xùn)練信息的過程，在配電柜接線識別過程中，首先需要向檢測系統(tǒng)輸入識別制度特征向量，其次利用已經(jīng)完成訓(xùn)練的權(quán)值進(jìn)行循環(huán)傳播，經(jīng)過篩選和分析后最終獲取配電柜接線識別結(jié)果向量。檢測系統(tǒng)輸出層共包含36個節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過初分類后，每個節(jié)點(diǎn)均有對應(yīng)的待識別字符。節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初分類后，當(dāng)待識別字符節(jié)點(diǎn)輸出結(jié)果為1，其他節(jié)點(diǎn)輸出結(jié)果為0時，系統(tǒng)會判斷輸入字符為該輸出節(jié)點(diǎn)對應(yīng)字符。檢測系統(tǒng)采用Sigmoid函數(shù)，該函數(shù)輸出字符會無限趨近于1或0?？紤]到配電柜接線編號識別率，當(dāng)輸出結(jié)果小于1時，系統(tǒng)默認(rèn)該值為0；當(dāng)輸出結(jié)果大于9時，系統(tǒng)默認(rèn)該值為1[5]。

1.7 檢測系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

配電柜接線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用界面采用微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Classes，MFC） 和OpenCV，功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)用戶界面功能結(jié)構(gòu)

其中，判斷輸出模塊根據(jù)配電柜接線的識別需要，自動選擇配電柜接線路徑，同時輸出配電柜接線電器模塊的編號。識別圖像顯示模塊主要用于顯示配電柜接線圖像、檢測結(jié)果報告、電器模塊等。接線編號定位模塊根據(jù)配電柜識別圖像，定位配電柜接線編號區(qū)域。識別模塊根據(jù)配電柜接線編號區(qū)域識別圖像中的接線編號字符，將圖像區(qū)域中的字符分割為單一字符并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別，同時將識別結(jié)果傳輸至檢測系統(tǒng)。編號判斷模塊判斷識別后的接線編號與預(yù)設(shè)電器模塊接線編號，查看是否存在接線錯誤等情況，然后將判斷結(jié)果通過顯示模塊直觀呈現(xiàn)在用戶眼前[6]。

2 配電柜接線檢測系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，選取3臺配電柜進(jìn)行測試。該配電柜主要包括斷路器、接觸器、中間繼電器、指示燈、萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、熱繼電器以及行程開關(guān)等[7]。

本文設(shè)計(jì)了2組實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，然后通過對比2組試驗(yàn)結(jié)果來評價本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。第1組實(shí)驗(yàn)采用人工檢測方法對配電柜接線質(zhì)量進(jìn)行檢測；第2組實(shí)驗(yàn)采用本文設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)對配電柜接線質(zhì)量進(jìn)行檢測，結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 人工檢測結(jié)果

表2 配電柜接線檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果

從表1可以看出，3臺配電柜接線檢測作業(yè)中，位置檢測精度最高為92%；定位精度最高為95%；接線異常識別精度最高為96%；平均檢測時間為30 min左右。從表2可以看出，利用本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)對配電柜接線異常情況進(jìn)行檢測時，位置檢測精度可以達(dá)到98%，與人工檢測結(jié)果相比提高了6%；定位精度最高為99%，比人工檢測結(jié)果提高了4%；接線異常識別精度最高為99%，比人工檢測結(jié)果提高了3%；平均檢測時間為10 min，與人工檢測相比節(jié)省了20 min。由此可見，本文設(shè)計(jì)的配電柜接線檢測系統(tǒng)無論是在位置檢測精度、定位精度、接線異常識別精度還是檢測時間方面，都比人工檢測的結(jié)果好，且提升幅度較高，具有良好的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 論

本文主要介紹了配電柜接線檢測的設(shè)計(jì)方案，檢測系統(tǒng)可以通過配電柜接線標(biāo)簽輪廓實(shí)現(xiàn)對接線標(biāo)簽的快速定位，在定位的同時記錄檢測結(jié)果，然后輸出配電柜接線標(biāo)簽圖像。利用順利完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對配電柜接線編號進(jìn)行識別，通過應(yīng)用界面直觀顯示配電柜接線檢測結(jié)果。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)的有效性，選取3臺配電柜，采用人工檢測方法和檢測系統(tǒng)開展檢測作業(yè)，檢測結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)在位置檢測精度、定位精度、接線異常識別精度方面均比人工檢測的高，且提高幅度較大，同時檢測效率較快，可以節(jié)省20 min，進(jìn)一步提升了配電柜接線檢測作業(yè)的效率。