基于圖像識(shí)別的輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翟瑞聰，林俊省，鄭 樺

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司機(jī)巡管理中心，廣東廣州 510000；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510000）

圖像識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)圖片信息進(jìn)行理解、分析與處理的應(yīng)用技術(shù)，可在不同模式環(huán)境下，針對(duì)多種信息目標(biāo)執(zhí)行不同的操作行為，是深度學(xué)習(xí)算法領(lǐng)域中一種全新的實(shí)踐行為手段。傳統(tǒng)的圖像識(shí)別流程由圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、圖像識(shí)別4 個(gè)部分組成[1-2]。其中，前3 個(gè)步驟可對(duì)一幅完整圖像進(jìn)行多層次分割，并對(duì)所有信息參量進(jìn)行編號(hào)處理，并以此為基礎(chǔ)，將所有信息文件都固定在原始傳輸位置，從而縮短最終處理所需的實(shí)際消耗時(shí)間。

在高壓電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隨線路架設(shè)距離的延長(zhǎng)，個(gè)別輸電線路設(shè)備所具有的電子匯集能力會(huì)出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。為避免上述情況的發(fā)生，深度學(xué)習(xí)型缺陷識(shí)別系統(tǒng)在智能巡檢軟件的支持下，對(duì)線路環(huán)境中的電子傳輸量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，再通過(guò)標(biāo)記絕緣子的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)別線路設(shè)備的精準(zhǔn)化識(shí)別。但此系統(tǒng)可同時(shí)檢測(cè)的傳輸電子量水平相對(duì)較低，很難完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。為解決此問(wèn)題，該研究基于圖像識(shí)別設(shè)計(jì)了新的輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由輸電循環(huán)回路、任務(wù)管理模塊、電量基站控制設(shè)備三部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 輸電循環(huán)回路

輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的輸電循環(huán)回路由充電單元、放電單元兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，充電回路中的電壓輸入值為U1，在電子聚集器元件的作用下，隨待識(shí)別圖像中電量傳輸極值水平的增大，輸入電壓U1的物理數(shù)值也會(huì)不斷提升，直至循環(huán)調(diào)阻器元件所輸出的電壓值水平與循環(huán)電路總輸入值U0完全相等[3-4]。放電回路中的電壓輸入值為U2，隨電阻R2實(shí)際接入阻值的增大，輸入端所負(fù)載的電壓傳輸值水平也會(huì)逐漸升高。當(dāng)整個(gè)循環(huán)回路中的U1與U2電壓數(shù)值完全相等時(shí)，輸電線路末端循環(huán)調(diào)阻器所具備的電子匯聚能力達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)輸電線路設(shè)備缺陷應(yīng)用系統(tǒng)具備最強(qiáng)的電子識(shí)別能力。

圖1 輸電循環(huán)回路結(jié)構(gòu)圖

1.2 任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊存在于輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的中層執(zhí)行單元中，可根據(jù)輸電循環(huán)回路中電子量信息的實(shí)際傳輸情況，確定待識(shí)別電量信息的具體存儲(chǔ)數(shù)值水平。一般情況下，高壓電網(wǎng)環(huán)境中的電子輸入量越大，任務(wù)管理模塊所具備的電力調(diào)度能力也就越強(qiáng)，反之則越弱[5-6]。設(shè)zmax代表高壓電網(wǎng)環(huán)境中的最大電量輸出系數(shù)值，在既定傳輸時(shí)間內(nèi)，該項(xiàng)物理量的數(shù)值水平越大，電網(wǎng)低壓端所能接收到的反饋電子量也就越多。n代表電子傳輸信息在高壓電網(wǎng)環(huán)境中的迭代反饋系數(shù)，與其他物理量不同，該項(xiàng)數(shù)值指標(biāo)不受除輸電線路長(zhǎng)度以外的其他物理?xiàng)l件的影響。聯(lián)立上述物理量，可將識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中的任務(wù)管理模塊執(zhí)行能力標(biāo)準(zhǔn)Xn定義為：

其中，代表單位時(shí)間內(nèi)的電子量傳輸均值，χ1、χ2分別代表兩個(gè)不同的傳輸電子特征識(shí)別系數(shù)。

1.3 電量基站控制設(shè)備

電量基站控制設(shè)備存在于輸電線路旁系應(yīng)用執(zhí)行單元中，能夠準(zhǔn)確記錄高壓傳輸電子的實(shí)際識(shí)別情況，并可根據(jù)個(gè)別節(jié)點(diǎn)處電量傳輸行為的變化狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)已存儲(chǔ)的應(yīng)用電子進(jìn)行二次分配與調(diào)度處理[7-8]。從應(yīng)用性角度來(lái)看，電量基站控制設(shè)備能夠與任務(wù)管理模塊保持即時(shí)連接關(guān)系，并可在不違背輸電循環(huán)回路中電子傳輸關(guān)系的情況下，控制輸電回路中電子流的傳輸寬度水平。一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓電子的按需聚合，另一方面也可將底層電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用電子量完全聚合于同一電網(wǎng)執(zhí)行設(shè)備中，從而使輸電線路網(wǎng)絡(luò)中的電信號(hào)節(jié)點(diǎn)缺陷識(shí)別需求得以完全滿足[9-10]。

2 系統(tǒng)軟件環(huán)境設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下，按照卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建、棧式自動(dòng)編碼器連接、RBM 識(shí)別節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練的處理流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，兩相結(jié)合，完成基于圖像識(shí)別的輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)卷積層和一個(gè)頂端全連通層，可在已知輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)圖像識(shí)別需求的前提下，借助網(wǎng)絡(luò)池化層組織對(duì)高壓電網(wǎng)的執(zhí)行權(quán)重進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，再通過(guò)特定的二維結(jié)構(gòu)主體，將這些信息參量反饋至既定的系統(tǒng)應(yīng)用元件之中[11-12]。與其他高壓電網(wǎng)深層應(yīng)用結(jié)構(gòu)相比，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電量信息圖像處理方面具備較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠在輸電循環(huán)回路、任務(wù)管理模塊、電量基站控制設(shè)備等多個(gè)電子元件的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電網(wǎng)傳輸電子流的合理化調(diào)節(jié)，再沿用反向傳播標(biāo)注，對(duì)相鄰電量設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的編碼訓(xùn)練能力進(jìn)行約束。隨著電子信息圖像待識(shí)別數(shù)量級(jí)水平的增大，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際作用強(qiáng)度也會(huì)不斷加強(qiáng)，直至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)能夠與傳輸電子量的實(shí)際存儲(chǔ)需求完全匹配。設(shè)sn代表迭代次數(shù)為n時(shí)的電量傳輸行為指標(biāo)，d0代表最小的電子信息圖像識(shí)別系數(shù)，dn代表最大的電子信息圖像識(shí)別系數(shù)，聯(lián)立公式（1），可將識(shí)別系統(tǒng)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)定義為：

其中，f代表輸電線路中的電量設(shè)備應(yīng)用權(quán)限，Δh代表輸電節(jié)點(diǎn)處的傳輸電子累積量，β代表與電力節(jié)點(diǎn)相關(guān)的缺陷識(shí)別系數(shù)，g代表特定的輸電線路行為參量。

2.2 棧式自動(dòng)編碼器

棧式自動(dòng)編碼器可與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接相連，可在圖像識(shí)別原理的作用下，將已存儲(chǔ)應(yīng)用電子量轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌倪B接傳輸形式，并以此為前提，對(duì)各類電子參量進(jìn)行整合與調(diào)度處理。在高壓輸電網(wǎng)絡(luò)中，用原始電信號(hào)圖像信息訓(xùn)練第一個(gè)自動(dòng)編碼器結(jié)構(gòu)，得到一個(gè)初始識(shí)別權(quán)值，再聯(lián)合處于第一處理階層中的電信號(hào)特征值，作為輸入第二個(gè)自動(dòng)編碼器結(jié)構(gòu)的輸入數(shù)據(jù)，得到第二個(gè)初始識(shí)別權(quán)值[13-14]。以此類推，對(duì)所有輸電線路階層結(jié)構(gòu)都采取同樣的處理方式，以解放處于隱藏狀態(tài)的電路設(shè)備缺陷識(shí)別節(jié)點(diǎn)。設(shè)代表高壓電網(wǎng)環(huán)境中的電信號(hào)特征均值，β代表基于圖像識(shí)別原理的電信號(hào)傳輸系數(shù)，i0代表傳輸電子量的下限識(shí)別權(quán)限值，in代表傳輸電子量的上限識(shí)別權(quán)限值，ξmax代表電子缺陷量的最大傳輸行為指標(biāo)，聯(lián)立公式（1），可將棧式自動(dòng)編碼器的實(shí)際連接權(quán)限表示為：

2.3 RBM識(shí)別節(jié)點(diǎn)的訓(xùn)練處理

RBM 識(shí)別節(jié)點(diǎn)訓(xùn)練處理是基于圖像識(shí)別輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)搭建的末尾設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可在棧式自動(dòng)編碼器結(jié)構(gòu)的作用下識(shí)別高壓電網(wǎng)傳輸環(huán)境，并可對(duì)個(gè)別識(shí)別節(jié)點(diǎn)處堆積的電量信息進(jìn)行整合與規(guī)劃，從而降低未匯聚電量對(duì)電網(wǎng)傳輸環(huán)境造成的影響。規(guī)定ΔT代表既定的高壓電子識(shí)別時(shí)間，在該段時(shí)間內(nèi)，隨著電子信息圖像數(shù)量級(jí)水平的增大，個(gè)別節(jié)點(diǎn)處累積的電量缺陷行為能力也會(huì)不斷提升，直至整個(gè)高壓電網(wǎng)環(huán)境中的電量輸出行為能夠持續(xù)趨于穩(wěn)定[15-16]。代表高壓電子的均值輸出量，聯(lián)立公式（3），可將RBM 識(shí)別節(jié)點(diǎn)的訓(xùn)練處理結(jié)果表示為：

其中，χ′代表高壓電網(wǎng)環(huán)境中基于圖像識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的電量傳輸行為指標(biāo)，代表與輸電線路設(shè)備相關(guān)的缺陷識(shí)別特征值，j代表既定電量識(shí)別節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。至此，完成各項(xiàng)軟硬件執(zhí)行環(huán)境的搭建，在圖像識(shí)別原理的支持下，實(shí)現(xiàn)新型輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證基于圖像識(shí)別輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將圖2所示的電網(wǎng)設(shè)備主機(jī)同時(shí)接入相同的高壓電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于圖像識(shí)別輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載深度學(xué)習(xí)型缺陷識(shí)別系統(tǒng)，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的實(shí)際變化情況。

圖2 電網(wǎng)設(shè)備主機(jī)

已知單位時(shí)間內(nèi)的傳輸電子量檢測(cè)值及既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的電子識(shí)別精準(zhǔn)度都能描述輸電線路設(shè)備所具備的電子匯集能力。一般情況下，傳輸電子量檢測(cè)值越大，電子識(shí)別精準(zhǔn)度越高，輸電線路設(shè)備所具備的電子匯集能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表1、表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組（該文系統(tǒng)）、對(duì)照組（傳統(tǒng)系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的詳細(xì)數(shù)值變化趨勢(shì)。

表1 單位時(shí)間內(nèi)的傳輸電子量檢測(cè)值

分析表1 可知，實(shí)驗(yàn)組傳輸電子量檢測(cè)值在前兩個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，而從第3 個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)開(kāi)始，這種上升趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定，全局最大值達(dá)到了7.9×1013T。對(duì)照組傳輸電子量檢測(cè)值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)后期的上升幅度明顯小于實(shí)驗(yàn)前期，全局最大值僅能達(dá)到4.8×1013T，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了3.1×1013T。

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組電子識(shí)別精度值保持先穩(wěn)定、再上升的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了81.6%。對(duì)照組電子識(shí)別精度值則始終保持穩(wěn)定下降的變化趨勢(shì)，全局最大值僅能達(dá)到64.1%，與實(shí)驗(yàn)組最大值相比，下降了17.5%。

表2 既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的電子識(shí)別精度值

綜上可知，隨著基于圖像識(shí)別輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用，單位時(shí)間內(nèi)的傳輸電子量檢測(cè)值、既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的電子識(shí)別精準(zhǔn)度均出現(xiàn)了明顯增大的變化趨勢(shì)，能夠有效維持輸電線路設(shè)備所具備的電子匯集能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

在圖像識(shí)別原理的支持下，新型輸電線路設(shè)備缺陷識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)在深度學(xué)習(xí)型缺陷識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)輸電循環(huán)回路、任務(wù)管理模塊等硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)RBM 識(shí)別節(jié)點(diǎn)的有效訓(xùn)練，也能促進(jìn)高壓電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合理性規(guī)劃能力的增強(qiáng)。從實(shí)用性角度來(lái)看，單位時(shí)間內(nèi)傳輸電子量檢測(cè)值、既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處電子識(shí)別精準(zhǔn)度值的增大，能夠加快高壓電網(wǎng)環(huán)境中的電子匯集速度，具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。