基于圖像分析的氣體繼電器積氣體積辨識(shí)及自動(dòng)取氣方法

周威振，馬越，鄧集瀚，黃星吉，毛玉星

（1. 南方電網(wǎng)超高壓輸電公司大理局， 云南 大理 671000；2. 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院， 重慶 400044）

0 引言

變壓器是輸變電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備，其健康狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有重要影響。目前，油浸變壓器是一種廣泛使用的主流變壓器。氣體繼電器是油浸變壓器內(nèi)部故障的一種保護(hù)裝置［1-2］，安裝在油枕和變壓器油箱間用于收集絕緣油分解產(chǎn)生的氣體，一方面觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，也支持后續(xù)的人工取氣并進(jìn)行油中溶解氣體分析（dissolved gas analysis，DGA）［3］，判斷變壓器的故障狀態(tài)。當(dāng)油浸變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，例如匝層間短路、相間短路、相對(duì)地短路時(shí)，伴隨有電弧產(chǎn)生，使絕緣油分解產(chǎn)生氫氣、甲烷、乙炔等特征氣體；此外變壓器內(nèi)部某些部件過熱，也會(huì)使絕緣材料分解并產(chǎn)生揮發(fā)性氣體。故障越嚴(yán)重，氣體的量越大，這些氣體從變壓器內(nèi)部上升到上部的油枕的過程中，流經(jīng)氣體繼電器；若氣體量較少，則氣體在氣體繼電器內(nèi)聚積，使浮子下降，使繼電器的常開接點(diǎn)閉合，作用于輕瓦斯保護(hù)發(fā)出警告信號(hào)；若氣體量很大，油氣通過氣體繼電器快速?zèng)_出，推動(dòng)氣體繼電器內(nèi)擋扳動(dòng)作，使另一組常開接點(diǎn)閉合，直接啟動(dòng)繼電保護(hù)跳閘，斷開斷路器，切除故障變壓器。

氣體繼電器的功能發(fā)揮依賴內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作，它只具有輕瓦斯告警和重瓦斯保護(hù)兩種狀態(tài)，無法動(dòng)態(tài)監(jiān)控變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況。要?jiǎng)討B(tài)掌握氣體繼電器的積氣情況，需要人工現(xiàn)場巡檢，若需進(jìn)一步對(duì)繼電器中氣體成分進(jìn)行分析則需要人工帶電操作，存在嚴(yán)重的安全隱患，迫切需要研制氣體繼電器的在線監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)分析積氣情況。當(dāng)變壓器油已經(jīng)分解了大量氣體時(shí)或者變壓器發(fā)生短路故障時(shí)，不僅變壓器系統(tǒng)面臨嚴(yán)重故障威脅，變壓器與氣體繼電器附近區(qū)域也都處于危險(xiǎn)中，迫切需要設(shè)計(jì)一種氣體繼電器積氣容量的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握積氣體積，既實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測，同時(shí)還能避免工作人員在現(xiàn)場的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前，對(duì)氣體繼電器的研究工作主要集中在氣體的在線監(jiān)測，包括取氣、氣體傳感器布置、氣體組份檢測等方面，這些操作大多依賴于輕瓦斯告警或重瓦斯保護(hù)后的人工操作，幾乎沒有看到變壓器運(yùn)行過程中對(duì)氣體繼電器積氣容量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測及自動(dòng)取氣分析方面的研究?？紤]到積氣容量變化會(huì)改變氣體繼電器腔體壓力，使得油位改變，本文提出通過在線監(jiān)測氣體繼電器中變壓器油位的高度來計(jì)算積氣體積，從而實(shí)時(shí)掌握變壓器的運(yùn)行狀況。

液位高度測量分為接觸式和非接觸式兩種方法［4-7］。接觸式檢測對(duì)不同液體適應(yīng)性較弱，易受液體腐蝕，而且安裝較為復(fù)雜，不適用于氣體繼電器的液位測量。目前工業(yè)上廣泛采用非接觸式測量，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了計(jì)量測量遠(yuǎn)端檢測，使用壽命較長，安裝相對(duì)簡單。主流非接觸式測量中，超聲波檢測隨著精度的提升價(jià)格將呈指數(shù)增長，難以普遍應(yīng)用。雷達(dá)檢測雖然不受介質(zhì)密度和溫度的變化，噪音、蒸汽、粉塵、真空等工況影響，不易被腐蝕，能在高低壓等極限環(huán)境正常工作，但價(jià)格高昂，抗電磁干擾能力弱。對(duì)氣體繼電器而言，它具有金屬外殼，大部分測量方法都無法實(shí)現(xiàn)。但由于氣體繼電器留有供人工觀察的透明窗口，可以通過安裝攝像頭并通過圖像分析方法實(shí)現(xiàn)。

圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺方法具有非接觸測量的優(yōu)勢，已在工業(yè)檢測中廣泛［8-11］。為此，本文提出采用圖像分析方法進(jìn)行液位檢測，其工作原理是根據(jù)采集的圖像信息研究圖像處理算法，得到被測液位高度［12-16］，從而分析積氣體積。此方法容易實(shí)現(xiàn)，適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠且成本低［17-18］。在準(zhǔn)確獲知?dú)怏w繼電器積氣體積基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)外圍智能取氣與檢測裝置，在不斷電的情況下將氣體繼電器中積存的氣體導(dǎo)入氣體傳感器系統(tǒng)進(jìn)行成分分析，從而在線進(jìn)行變壓器的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式設(shè)備的快速發(fā)展，使得上述智能檢測裝置具有很高的可靠性、較低的制作成本與開發(fā)難度。另一方面，微處理器性能的迅速發(fā)展使得圖像處理也可以在嵌入式環(huán)境下實(shí)現(xiàn)，從而使得裝置輕便，成本較低，易于對(duì)氣體繼電器的積氣容量及成分進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。

1 基于圖像分析的氣體繼電器積氣體積辨識(shí)方法

1.1 氣體繼電器油氣分界面檢測

變壓器絕緣油分解產(chǎn)生的氣體匯集到氣體繼電器后，由于重量較輕會(huì)聚集在上部。隨著氣體容量增加壓強(qiáng)變大，將原有的油“壓”出氣體繼電器從而使油位下降。由于氣體繼電器設(shè)有供人為觀測的玻璃窗，可以通過油氣分界面識(shí)別來判斷氣體的容量。通過在觀測窗的狹小空間中安裝工業(yè)內(nèi)窺攝像頭獲取油位圖像，檢測油氣分界面位置并建立油位與積氣體積的映射關(guān)系，將積氣體積辨識(shí)問題轉(zhuǎn)換為利用圖像分析技術(shù)找尋油液分界面高度問題，其具體流程如圖1所示。

圖1 圖像分析液位檢測流程圖Fig. 1 Flow chart of level detection for image analysis

1.1.1 圖像差分變換

氣體繼電器實(shí)物如圖2 所示，由于其玻璃觀測窗有刻度標(biāo)記線，線條明顯而且分布較密，并處于觀察窗中央位置，對(duì)液位檢測有嚴(yán)重影響；同時(shí)繼電器內(nèi)部有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)液位目標(biāo)產(chǎn)生背景干擾。

圖2 現(xiàn)場安裝氣體繼電器實(shí)物圖Fig. 2 Physical diagram of the gas relay installed on site

為應(yīng)對(duì)這一問題，采用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測中常用的簡單幀差分思想：考慮到實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)窺攝像頭會(huì)固定在觀測窗蓋板上，且采用穩(wěn)定的照明光源，可以忽略幀間背景位置及光照變化。首先拍攝一幅充滿油的圖像作為背景，包含了刻度線及機(jī)械背景信息。若變壓器運(yùn)行過程中產(chǎn)生了氣體，會(huì)使液位發(fā)生變化，實(shí)時(shí)圖像就會(huì)在背景圖像中疊加液位信息，通過差分變換，可以降低背景干擾，較好地保留液位信息，為后續(xù)液位檢測創(chuàng)造條件。

1.1.2 二值化與消噪處理

差分圖像是一幅灰度圖，可能由于反光、移位、采集誤差等原因存在干擾，需要進(jìn)行二值化及消噪以便進(jìn)行后續(xù)液位檢測。首先采用Otsu算法計(jì)算圖像的閾值［19］，對(duì)差分圖像進(jìn)行二值化處理，再對(duì)二值圖像進(jìn)行中值濾波及形態(tài)學(xué)變換，去除干擾因素。

中值濾波具有抑制噪聲又能保持細(xì)節(jié)的特點(diǎn)，取出與待處理點(diǎn)相鄰的8 個(gè)點(diǎn)，對(duì)總共9 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行排序，取其中的中位數(shù)作為濾波輸出，可以去除散點(diǎn)噪聲干擾。此外，為進(jìn)一步去除背景小目標(biāo)干擾，再對(duì)濾波圖像進(jìn)行開運(yùn)算，采用一個(gè)矩形或原型模板對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕和膨脹運(yùn)算。開運(yùn)算是一種形態(tài)學(xué)變換方法，可以用來消除小物體，并在纖細(xì)處分離物體，也可以用來平滑大物體的邊界，如式（1）所示。

式中：?為腐蝕運(yùn)算；⊕為膨脹運(yùn)算；A、B分別為原圖及運(yùn)算模板。

1.1.3 液位檢測

經(jīng)過消噪處理后，圖像依然存在由圓形觀測窗邊框引入的干擾，因此還需要進(jìn)行進(jìn)一步處理。對(duì)消噪圖像進(jìn)行Hough變換［20-21］，檢測圓形邊框，根據(jù)檢測結(jié)果，生成一個(gè)半徑小于檢測圓的圓形掩膜，利用掩膜再對(duì)消噪圖像進(jìn)行與操作，即可去除原型邊框干擾，獲得以液位線為主的二值圖像，從而進(jìn)行油氣分界面的定位。

在攝像頭正確安裝的前提下，液位目標(biāo)像素基本沿水平分布，因此可以對(duì)分界面圖像進(jìn)行水平投影，得到水平方向的灰度直方圖。液位位置的投影值將明顯大于其他位置的值，對(duì)直方圖進(jìn)行最大值檢測，獲得液位位置所在的行數(shù)作為液位高度H，測量精度為1個(gè)像素，用于后續(xù)積氣容量判斷。

1.2 基于BP網(wǎng)絡(luò)的積氣體積計(jì)算方法

由于氣體繼電器內(nèi)部形狀不規(guī)則，而且有各種機(jī)械裝置占用空間，液位高度與積氣體積關(guān)系會(huì)很復(fù)雜，不具備線性關(guān)系，而且根本不具備解析表達(dá)式，無法由刻度線直接讀出體積。本文通過實(shí)驗(yàn)獲取液位高度與對(duì)應(yīng)體積的數(shù)據(jù)對(duì)，建立若干數(shù)據(jù)樣本，然后建立含兩個(gè)隱藏層的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［22-24］，采用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，利用BP 網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力建立液位高度與積氣體積的非線性映射關(guān)系。

1.2.1 樣本數(shù)據(jù)收集

為了支持BP 網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練，需要提取液位與積氣體積的輸入輸出數(shù)據(jù)對(duì)。為便于操作，采用注入液體的方式實(shí)現(xiàn)。

1）初始時(shí)，氣體繼電器內(nèi)無液體，打開氣體繼電器排氣孔，使其可以排氣；擰開放氣塞，連接醫(yī)用注射器的注射針頭，使用注射器每次注入等體積液體，多次注入。

2）記每次注入后的液體總體積為Vli，通過圖像檢測記錄下每次的液位高度Hi，直至注滿，并將總?cè)萘坑涗洖閂，得到每次注入液體后剩余氣體體積Vi=V-Vli，設(shè)記錄次數(shù)為n，則可獲得標(biāo)定數(shù)據(jù)集C，見式（2）。

1.2.2 積氣體積計(jì)算BP網(wǎng)絡(luò)模型

在實(shí)際應(yīng)用中，液位高度可能是任何值，一些液位在樣本數(shù)據(jù)中并沒有出現(xiàn)，因此需要根據(jù)樣本數(shù)據(jù)建立從液位高度H到積氣體積V的映射關(guān)系。由于氣體繼電器內(nèi)部有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)占用空間，H到V是非線性的，而且無法采用解析式表達(dá)，本文設(shè)計(jì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立映射關(guān)系，其參數(shù)可以通過樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練獲得，這種方法可以適用于各種型號(hào)的氣體繼電器。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的BP 網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)隱藏層，每個(gè)隱藏層有4 個(gè)神經(jīng)元，如圖3 所示，每一層之間采用全連接方式，隱藏層y1、y2和輸出V的計(jì)算由式（3）—（5）決定，其中Relu為激活函數(shù)。

圖3 液位高度H到積氣體積V的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 3 BP neural network model from liquid level height H to gas volume V

式中：偏置b0、b1、權(quán)值W0、W2為四維向量；權(quán)值W1為4×4 矩陣；b2為偏置常量，這些參數(shù)通過樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到。實(shí)際測量時(shí)，由2.1 經(jīng)過圖像分析得到的液位高度H，再通過訓(xùn)練好的BP 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)式（5）計(jì)算出積氣體積V。

2 自動(dòng)取氣與檢測方法

2.1 自動(dòng)取氣裝置設(shè)計(jì)

本文研究的目標(biāo)是通過液位高度得到氣體繼電器內(nèi)的積氣體積，設(shè)定閾值由積氣體積觸發(fā)取氣及氣體成分分析，從而判定變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。在原安裝現(xiàn)場的變壓器運(yùn)行系統(tǒng)中安裝有集氣盒，用于在告警后人工取氣并進(jìn)行分析。本文為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取氣與測量，研制了基于STM32 單片機(jī)的智能控制終端，主要功能包括控制電磁閥啟停等設(shè)備，采集氣體傳感器信號(hào)并進(jìn)行分析，接收?qǐng)D像分析設(shè)備提供的液位信號(hào)接收，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接等，取氣裝置如圖4 所示。裝置在現(xiàn)場原系統(tǒng)的油枕、氣體繼電器、集氣盒基礎(chǔ)上引入電磁閥、單向閥、在線式氣體傳感器，研制了控制終端，在不改變原裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不影響功能前提下，通過改造油路，增加氣路、電路將各裝置進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)取氣與實(shí)時(shí)測量。

圖4 自動(dòng)取氣與檢測裝置Fig.4 Automatic gas intake and detection device

2.2 自動(dòng)取氣與檢測流程

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)取氣流程如圖5 所示，具體過程如下。

圖5 自動(dòng)取氣與檢測流程Fig. 5 Automatic gas extraction and detection process

1）集氣盒通過三通閥連接油枕及氣體繼電器。在日常工作狀態(tài)，集氣盒內(nèi)充滿變壓器油，電磁閥1 開啟，其他3 個(gè)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。連接油枕作用是在測量氣體成分時(shí)，通過注油排除集氣盒中的氣體，以防止存量氣體的干擾。

2）當(dāng)氣體繼電器中有積氣，圖像裝置檢測到積氣體積到達(dá)設(shè)定閾值時(shí)，由單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)將觸發(fā)取氣與測量操作。關(guān)閉電磁閥1，打開電磁閥2 和3，在排油同時(shí)，氣體繼電器的積氣在自身壓力下流向集氣盒。

3）通過延時(shí)控制，當(dāng)集氣盒由于排油和氣體注入導(dǎo)致油位下降到一定高度，而氣體繼電器重新充滿油，此時(shí)關(guān)閉電磁閥3 停止排油，打開電磁閥4讓積氣流向氣體傳感器，同時(shí)啟動(dòng)氣體傳感器的數(shù)據(jù)采集與分析過程，獲得氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)，用于對(duì)變壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

4）在集氣盒重新被油充滿，排氣孔出油時(shí)，關(guān)閉電磁閥2、4，打開電磁閥1，完成本次測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文技術(shù)方案，對(duì)基于圖像分析的液位檢測和基于BP 網(wǎng)絡(luò)的積氣體積辨識(shí)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，算法采用樹莓派實(shí)現(xiàn)，樹莓派將氣體體積檢測結(jié)果通過串口送到單片機(jī)控制終端，由終端完成取氣控制及氣體成分分析。

3.1 液位檢測實(shí)驗(yàn)

油氣分界面檢測是本文工作的基礎(chǔ)。為了建立氣體體積與液位高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過氣體繼電器的放氣塞注入體積可知的液體（變壓器油），由氣體繼電器的排氣孔排除多余氣體。由于氣體繼電器總?cè)萘抗潭?，可以知道液體增加量就近似等于氣體繼電器內(nèi)積氣的減少量。由于氣體繼電器正常為充滿油的狀態(tài)，液位檢測是為了獲得積氣壓低油位后的圖像變化情況，所以首先要拍攝一幅充滿油的圖像作為背景，如圖6（a）所示。圖中有明顯的邊框和刻度線存在。然后，通過放氣塞每次注入液體50 ml液體，再取圖像進(jìn)行分析，見圖6（b）。圖中可以較明顯看到液位信息，但同時(shí)也有干擾產(chǎn)生。圖6（c）是差分圖，從差分圖可看出，除了液位信息外，還存在明顯的圓形邊框，這是因?yàn)闅怏w繼電器觀察窗邊框是金屬材料，具有反光屬性，當(dāng)積氣變化導(dǎo)致液位改變后，光線特性會(huì)發(fā)生變化［25］，導(dǎo)致金屬邊框的反射情況與充滿油時(shí)不同，從而無法通過差分變換消除。對(duì)差分圖二值化及消噪得到了圖6（d）。圖中液位線比較明顯，但是有清晰的圓形邊框。通過Hough 變換檢測到圓形邊框，然后建立一個(gè)半徑小于圓形邊界的掩膜，將其作用于圖6（d），排除邊框干擾后得到圖6（e），該圖基本上只剩下了液位線及一些較分散的干擾點(diǎn)。然后，對(duì)圖6（e）圖像進(jìn)行水平投影獲取直方圖6（f），圖中有明顯的峰值，峰值對(duì)應(yīng)了液位線位置，這里的坐標(biāo)就記為液位高度H。由于圖像是從上到下掃描，因此H越大，液位越低，積氣體積V也就越大，V與液位高度H正相關(guān)。

圖6 液位檢測圖像分析實(shí)驗(yàn)Fig. 6 Image analysis experiments of level detection

3.2 積氣體積計(jì)算BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

為了訓(xùn)練設(shè)計(jì)的BP 網(wǎng)絡(luò)以獲得液位高度H與積氣體積V的映射關(guān)系，需要通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建H到V映射關(guān)系的樣本。考慮到由針筒注入液體時(shí)會(huì)有讀數(shù)誤差，若要獲取更多樣本，需要減少每次輸入液體的變化量，造成讀數(shù)誤差造成的相對(duì)影響變大，影響模型訓(xùn)練；同時(shí)，適當(dāng)減少一些樣本，等效于網(wǎng)絡(luò)中使用了dropout 策略，可以降低過擬合的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中，使用11 個(gè)樣本參與網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，已經(jīng)可以很好地反映積氣腔內(nèi)因?yàn)橛袡C(jī)械結(jié)構(gòu)造成的H與V的非線性關(guān)系，準(zhǔn)確度能滿足要求。

實(shí)驗(yàn)中每次向氣體繼電器注入液體50 ml，并拍攝圖像。經(jīng)過13 次注入，目測液位到400 mL 刻度處，可得到總?cè)萘繛?00+50×13=1 050 mL。由此可以推斷每次注入后，氣體的體積。在每次注入后都根據(jù)前述算法獲得液位高度，從而得到原始數(shù)據(jù)記錄表，見表1；為了更為直觀了解液位高度與積氣體積的關(guān)系，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)繪制了二者的關(guān)系圖，見圖7。

表1 氣體繼電器注入液體及液位檢測實(shí)驗(yàn)記錄Tab.1 Experimental records of gas relay injection liquid and level detection

圖7 液位高度與積氣體積的關(guān)系Fig. 7 The relationship between the liquid level height and the volume of gas accumulation

由于初始幾次及最后注入液體時(shí)，液位高度不在觀測窗內(nèi)，攝像頭無法拍到，所以不能通過圖像處理方式獲得液位高度，將其去掉，只保留表1 中的11 個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄，獲得（H，V）樣本對(duì)，將其用于對(duì)前述BP 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。訓(xùn)練前所有參數(shù)隨機(jī)產(chǎn)生，訓(xùn)練時(shí)每batch用完全部11個(gè)樣本，進(jìn)行多輪迭代。誤差值定義為網(wǎng)絡(luò)輸出與樣本中真實(shí)氣體體積差值的平方。實(shí)際上，相對(duì)誤差是積氣體積預(yù)測更重要的參數(shù)，為此定義一個(gè)準(zhǔn)確率CR，由式（6）表示。

式中：m為參與訓(xùn)練或測試的樣本數(shù)量；VPi為第i個(gè)樣本的預(yù)測氣體體積；VRi為第i個(gè)樣本的實(shí)際體積。圖8 是BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程曲線，展示了訓(xùn)練過程誤差逐漸減小，預(yù)測準(zhǔn)確率不斷提高。其中，圖8（a）是11個(gè)樣本的平均誤差隨迭代次數(shù)增加而減小的變化曲線，在訓(xùn)練迭代3 000 次后，平均誤差降到10 以內(nèi)。圖7（b）則是由式（6）計(jì)算出的對(duì)訓(xùn)練樣本的預(yù)測準(zhǔn)確率百分比隨訓(xùn)練過程的變化情況，在經(jīng)過3 000 輪訓(xùn)練完畢后，對(duì)11 個(gè)訓(xùn)練樣本進(jìn)行預(yù)測的平均準(zhǔn)確率達(dá)到98%，其性能良好。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)每一次注入氣體后，根據(jù)所檢測液位計(jì)算積氣體積的準(zhǔn)確率，將每次注入后的氣體體積與根據(jù)液位計(jì)算出的氣體體積進(jìn)行對(duì)比，見圖9。其中圖9（a）是參與訓(xùn)練的樣本在模型訓(xùn)練完畢后，其實(shí)際體積與模型根據(jù)液位預(yù)測體積的對(duì)比圖。由于實(shí)際使用過程中，氣體容量可能是任意值，必須構(gòu)造測試樣本才能有效評(píng)估模型的可用性，為此通過改變注入液體量從而改變積氣量，分別得到積氣體積為270、320、370、420、470、520、570、620、670、720、770 共11 種情況的圖像并檢測出液位，將液位值代入BP 網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算出氣體體積，其實(shí)際值與計(jì)算值對(duì)比圖見圖9（b）。從圖9 中可看出，當(dāng)H較小，也就是積氣體積小時(shí)，準(zhǔn)確度更高；反之，當(dāng)H較大、積氣體積大時(shí)，絕對(duì)誤差會(huì)大一些，但準(zhǔn)確率百分比仍然較高。從圖中還可看出，測試樣本誤差比訓(xùn)練樣本誤差略大，但相差不大。測試樣本誤差最大處在第10個(gè)樣本，此時(shí)真實(shí)值為720，預(yù)測值為746，絕對(duì)誤差26 ml，誤差率為3.61%。絕大部分測試樣本的預(yù)測誤差都在2%以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確度。

圖9 實(shí)際注入氣體體積與根據(jù)液位計(jì)算出的氣體體積的對(duì)比圖Fig. 9 Comparison of the actual injection gas volume with the gas volume calculated from the liquid level

雖然訓(xùn)練過程計(jì)算較復(fù)雜，耗時(shí)較多，但測試時(shí)只需要一次正向計(jì)算，對(duì)算力要求低。在項(xiàng)目研究中，已經(jīng)將算法部署在樹莓派平臺(tái)投入現(xiàn)場應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由安裝在氣體繼電器觀測窗內(nèi)的工業(yè)內(nèi)窺鏡實(shí)時(shí)獲得液位圖像并傳到樹莓派，樹莓派完成液位檢測并根據(jù)BP 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出積氣體積，并將體積信息通過RS232 串口傳到控制終端，后者根據(jù)設(shè)定的閾值完成取氣流程的自動(dòng)控制，并將信息通過以太網(wǎng)傳到上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體繼電器積氣體積的自動(dòng)辨識(shí)及取氣與測量流程的遠(yuǎn)程控制，最終對(duì)變壓器狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)語

針對(duì)目前油浸變壓器配置的氣體繼電器實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性不足的問題，提出基于圖像分析的氣體繼電器積氣體積辨識(shí)及自動(dòng)取氣檢測方法，拓展氣體繼電器常規(guī)的輕瓦斯告警和重瓦斯保護(hù)的功能，通過圖像分析技術(shù)檢測油氣分界面，獲得液位高度，并建立BP 網(wǎng)絡(luò)建立液位高度與積氣體積的映射關(guān)系，測量積氣體積，并啟動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取氣與氣體傳感器工作，實(shí)時(shí)分析變壓器運(yùn)行狀況，判斷設(shè)備是否具備繼續(xù)運(yùn)行的條件。本系統(tǒng)可以在無人值守的條件下工作，為變壓器安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，并極大降低了運(yùn)維人員的人身安全隱患，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。