基于人工智能的變電站二次回路保護(hù)壓板檢測技術(shù)研究

紀(jì)秀平 李錦盛 王帥 張曉紅

摘要：針對變電站二次系統(tǒng)物理回路保護(hù)壓板運(yùn)維存在的諸多安全隱患和信息化支撐手段不足的問題，本文研究基于人工智能辨識技術(shù)的二次回路壓板狀態(tài)智能校驗(yàn)技術(shù)，通過將人工智能、圖像識別技術(shù)與二次系統(tǒng)運(yùn)維業(yè)務(wù)流程深度融合，提出二次回路壓板狀態(tài)的智能數(shù)字化校驗(yàn)解決方案，實(shí)現(xiàn)二次回路硬壓板狀態(tài)的就地精準(zhǔn)識別、壓板投退狀態(tài)的自動校對功能，降低誤操作風(fēng)險(xiǎn)，提升現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)、檢修作業(yè)和專業(yè)管理水平，提高變電站運(yùn)行的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：保護(hù)壓板，人工智能，圖像識別，數(shù)字化校驗(yàn)，二次系統(tǒng)

1 引言

變電站二次系統(tǒng)的繼電保護(hù)是守護(hù)電網(wǎng)安全的重要防線，其物理回路上的保護(hù)壓板是二次設(shè)備聯(lián)系外部接線的橋梁和紐帶，關(guān)系到保護(hù)的功能和動作出口能否正常發(fā)揮作用。雖然繼電保護(hù)本身的信息化、智能化水平很高，但在保護(hù)硬壓板管理方面的信息化、智能化水平則相對較低，技術(shù)手段已經(jīng)不能滿足運(yùn)維管理精益化、自動化的需要，具體表現(xiàn)在物理回路硬壓板運(yùn)行狀態(tài)完全依賴于現(xiàn)場人工巡檢，而由于保護(hù)壓板在屏柜布局上的高度密集性，在功能上的集成復(fù)合性等特點(diǎn)，很容易出現(xiàn)壓板巡檢疏漏及操作錯誤。

對變電站二次回路保護(hù)壓板信息和狀態(tài)的巡檢和管理已成為當(dāng)前困擾廣大運(yùn)維人員現(xiàn)場工作開展的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。本文基于人工智能辨識技術(shù)的二次回路壓板狀態(tài)智能校驗(yàn)技術(shù)，通過將人工智能、圖像識別技術(shù)與二次系統(tǒng)運(yùn)維業(yè)務(wù)流程深度融合，提出二次回路壓板狀態(tài)的智能感知和主動監(jiān)測解決方案，實(shí)現(xiàn)二次回路硬壓板狀態(tài)的就地精準(zhǔn)識別、壓板投退狀態(tài)的自動校對、異常變位報(bào)警、五防邏輯判斷及防誤閉鎖等功能。

2 二次回路壓板模式識別技術(shù)架構(gòu)

變電站二次系統(tǒng)物理回路硬壓板模式識別系統(tǒng)由硬件與軟件組成，硬件采用帶攝像功能的平板電腦，搭載windows操作系統(tǒng);軟件基于VC++、OpenCV工具進(jìn)行構(gòu)建，主要功能模塊包括圖像拍照、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和圖像分析等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各模塊的主要功能如下：

1）圖像拍照。啟動攝像頭，對準(zhǔn)要拍攝的保護(hù)壓板，按下“拍照保存”，輸入“壓板型號”，存儲為800×600像素圖像文件。在圖像上“截取圖像”，作為基準(zhǔn)圖元關(guān)聯(lián)相應(yīng)的動作值。

2）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。順序錄入保護(hù)屏的屏號、壓板行數(shù)及列數(shù)，輸入保護(hù)屏各壓板的投退狀態(tài)，執(zhí)行“寫入”保存輸入結(jié)果，作為壓板定值。執(zhí)行“修改”功能，以列表方式顯示壓板數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)需要修改各壓板的投退狀態(tài)，并保存修改結(jié)果。

3）圖像分析。對圖像文件進(jìn)行模式識別，與對應(yīng)型號的壓板數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，判定各壓板狀態(tài)是否正確，輸出識別結(jié)果。

3 基于形態(tài)特征分析的二次物理回路壓板狀態(tài)識別策略

本文采用基于Mean Shift的圖像分割算法作為去除背景、提取目標(biāo)的方法，將分割后面積較大的區(qū)域作為背景區(qū)域去除，所有面積較小的區(qū)域均作為目標(biāo)區(qū)域輸入，以向量機(jī)決策分類器進(jìn)行判決。向量機(jī)決策流程如圖3所示。

（1）圖像分割

由于二次物理回路保護(hù)壓板圖像的邊緣條件不復(fù)雜，所以采用常規(guī)的圖像分割方法，如基于區(qū)域、基于閾值以及基于邊緣的算法，都能取得良好的分割效果。

Mean Shift是一種特征空間分析方法，運(yùn)用于圖像分割時，統(tǒng)一考慮圖像的空間信息和色彩（或灰度等）信息，組成一個p+維的向量x=（xs，xr），其中，xs表示坐標(biāo)空間（Spatia，px，py）;xr表示顏色空間（ Range：[r，g，b]），若圖像為灰度，則p=1，若圖像為彩色RGB，則p=3。分別用xi和zi（i=1，…，n）表示原始和分割后的圖像。定義向量：

式中，ω（xi）為采樣點(diǎn)x的權(quán)重。離x近的采樣點(diǎn)，xi有較大的權(quán)重，即離x越近的采樣點(diǎn)對估計(jì)x周圍的統(tǒng)計(jì)特性越有效;反之亦然。

定義核函數(shù)來估計(jì)x的分布：

式中，hs、hr可看作分割分辨率，分別代表坐標(biāo)空間和顏色空間的帶寬，其值越大，越多的圖像細(xì)節(jié)就會被忽略;C為歸一化常量。

分割的具體步驟如下（對每一個像素點(diǎn)）：①初始化j=1，并且使yi，1=xi;②計(jì)算 mh（x）;③把mh（x）賦給x;④如果‖mh（x）-x‖<ε，分割結(jié)束，記收斂后的值為yi，c，否則，繼續(xù)執(zhí)行①;⑤賦值zi=（xsi，yri，c）;⑥收斂至同一點(diǎn)的起始點(diǎn)歸為一類，合并像素點(diǎn)過少的類，融合局部像素，得到分割結(jié)果。

（2）特征提取

分割后的圖像區(qū)域可以由多種特征表示，包括顏色、邊緣、紋理、形狀和大小等特征，并通過設(shè)計(jì)非線性分類器進(jìn)行圖像區(qū)域識別。首先，將顏色直方圖作為圖像區(qū)域特征;然后，采用計(jì)算圖像區(qū)域的大小及形狀、并與顏色直方圖配合，來對圖像區(qū)域進(jìn)行描述。

（3）決策分類

經(jīng)過圖像分割之后，得到一系列區(qū)域，利用模式識別方法，建立一個SVM決策分類器。區(qū)域分為2類：一類為壓板區(qū)域;另一類為非壓板區(qū)域。設(shè) n 維訓(xùn)練樣本為x1，x2，…，xn，訓(xùn)練樣本各個維度的物理意義為圖像中的壓板區(qū)域大小、長軸長度、短軸長度、周長、形心和顏色等特征。采用最優(yōu)分類界面 H 為：

給定訓(xùn)練樣本集：

式中，yi為某個區(qū)域是否為壓板的標(biāo)志位，取值為1或0。1表示是壓板區(qū)域;0表示非壓板區(qū)域。

4 基于圖像識別的二次物理回路壓板投退狀態(tài)自動校核技術(shù)

變電站二次系統(tǒng)硬壓板模式識別系統(tǒng)自動采集監(jiān)控范圍內(nèi)所有硬壓板的狀態(tài)，與正常保護(hù)運(yùn)行方式的狀態(tài)進(jìn)行全方位比對，自動生成核對結(jié)果，并以可視化圖形、報(bào)表等形式展現(xiàn)，完成二次物理回路壓板投退狀態(tài)的就地精準(zhǔn)識別與自動校核。系統(tǒng)通過技術(shù)手段完成二次壓板的巡檢工作，詳細(xì)記錄變電站二次保護(hù)硬壓板的每一次投退操作，并記錄相應(yīng)的發(fā)生時間，形成壓板動作檔案，方便查找和事故追溯。

根據(jù)對變電站二次回路壓板狀態(tài)核對的要求，攝像頭獲取目標(biāo)對象的圖像后，則立即送入圖像識別算法中。圖像識別主要包括幾何校正、光照補(bǔ)償、濾波、轉(zhuǎn)換為 HSV 空間、算法處理和狀態(tài)判定。對保護(hù)壓板現(xiàn)場實(shí)物圖經(jīng)過一系列圖像處理后，再經(jīng)過輪廓檢測，便可得到壓板檢測的結(jié)果。

在核對時，系統(tǒng)獲取與變電站壓板運(yùn)行方案中壓板狀態(tài)的定義和基準(zhǔn)值，對二次物理回路硬壓板位置可根據(jù)選定的運(yùn)行方式進(jìn)行數(shù)字化校驗(yàn)核對并生成核對報(bào)告，對于基準(zhǔn)值不一致的壓板進(jìn)行告警，及時提醒運(yùn)維人員處理異常信息。核對的起始時間點(diǎn)、核對周期以及待核對變電站支持動態(tài)設(shè)置，支持按變電站、起始時間、裝置和壓板等條件對壓板的變化斷面進(jìn)行查詢，包括壓板名稱、類型、變位時間和變位前后狀態(tài)等，用于電網(wǎng)故障分析與回溯查詢。

5 總結(jié)

本文以變電站二次系統(tǒng)物理回路的保護(hù)硬壓板為對象，設(shè)計(jì)開發(fā)變電站二次回路壓板智能運(yùn)維管理系統(tǒng)，創(chuàng)建二次系統(tǒng)智能運(yùn)維新模式，實(shí)現(xiàn)了變電站二次系統(tǒng)硬壓板投退操作執(zhí)行流程的規(guī)范化管理和操作前后的自適應(yīng)防誤校驗(yàn)，能夠有效提高變電站二次物理回路壓板的智能化運(yùn)維管控水平。

變電站二次系統(tǒng)物理回路數(shù)字化驗(yàn)證與智能運(yùn)維方案解決了變電站二次回路壓板狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集及狀態(tài)監(jiān)測困難、人工巡檢工作量大和誤操作等問題，大幅提升了智能站運(yùn)維的工作效率，變電站運(yùn)維周期明顯縮短;同時，降低了誤操作風(fēng)險(xiǎn)，提升了現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)、檢修作業(yè)和專業(yè)管理水平。后續(xù)可在各電壓等級、各類型變電站進(jìn)行應(yīng)用推廣，深入推進(jìn)變電站二次運(yùn)維的信息化、智能化、移動化水平提升，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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