- 頭條應用圖像識別技術的GIS開關觸頭位置監測系統2020-06-22 作者：張永強、郭誠、張豪俊、耿超鵬 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語西安西電開關電氣有限公司的研究人員張永強、郭誠、張豪俊、耿超鵬，在2019年第5期《電氣技術》雜志上撰文指出（論文標題為“基于圖像識別技術的氣體絕緣金屬封閉開關設備中開關觸頭位置監測系統”），GIS設備結構復雜，長期運行過程中難免出現各種不可預見的機械故障，有可能出現開關觸頭的分合指示狀態與觸頭實際的分合狀態不相符或者是分合不到位的情況，而導致電氣鎖機制失效，如果在這種狀態下操作GIS，就會產生高壓開關操作事故。為了能夠直接監測開關的分合狀態，避免高壓開關運行事故的出現，本文提出了基于圖像識別技術的GIS中開關觸頭位置監測系統。
隨著無人值守變電站管理模式的全面推廣，在監控中心通過現有的電力通信網對所屬變電站實現遠程實時視頻監控、遠程故障和意外情況告警處理，可提高變電站運行和維護的安全性及可靠性，并可逐步實現電網的可視化監控和調度，使電網調控運行更為安全、可靠。
氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）開關的分合狀態為開關設備的關鍵狀態參數，實現對其的監測可提高GIS設備運行的安全性。
1 系統結構
GIS中開關觸頭位置監測系統采用3層結構，第一層為傳感器層，安裝在GIS本體上用于采集觸頭位置的圖像信息；第二層為信息集成層，用于獲取所有傳感器的監測信息，并把監測信息傳送的后臺；第三層為后臺監測層，用于處理所有傳感器的信號，并通過圖像識別手段，識別觸頭圖像并進行數字化處理，實現對觸頭位置的自動監測與告警。系統結構圖如圖1所示。
1.1 傳感器層
傳感器層由安裝在GIS外殼上面，正對開關觸頭位置的視頻傳感器組成，負責采集開關觸頭位置的視頻圖像信息，視頻信息通過電纜傳輸到視頻服務器上。傳感器安裝圖如圖2所示。
1.2 信息集成層
信息集成層由視頻服務器和交換機組成，視頻傳感器數量為一個或者一個以上，傳感器與視頻服務器采用電纜相連接，視頻服務器與交換機連接，交換機與后臺系統連接。視頻傳感器安裝在GIS殼體上的，通過觀察窗采集GIS內部視頻信號，然后通過電纜把視頻模擬信號送入視頻服務器，視頻服務器把模擬視頻數據轉換為數字信號，并通過交換機使用TCP/IP（網絡通信協議）把視頻數據送入視頻監測后臺系統，后臺系統通過解碼和圖像分析把監測畫面及分析結果展現出來，并提供觸頭位置異常報警。
圖1 系統結構圖
圖2 傳感器安裝位置示意圖
1.3 后臺監測層
后臺監測層由數據服務器組成，負責處理、分析和管理視頻數據，數據服務器通過網口與視頻服務器相連接，如果有多個視頻服務器，就需要使用網絡交換機進行組網。視頻監測后臺系統可以接收多個視頻服務器的信號，并對信號進行分析和處理，然后展現在以主接線為表現形式的人機交互界面上。該系統具有用戶管理功能、視頻解碼功能、視頻截圖功能、視頻錄像功能、觸頭位置圖像處理、位置異常報警和數據檢索等功能。
2 關鍵技術研究
2.1 視頻傳感器設計
傳感器要解決安裝在GIS殼體上的密封和照明的問題，并采集GIS觸頭的視頻信號進行編碼和輸出，實現對GIS殼體內部觸頭的視頻監測，為GIS中開關觸頭位置監測提供了有效的監測手段。
GIS視頻傳感器包括傳感器外殼、光學觀察窗、連接法蘭、接插件、CMOS感光芯片、MCU、光源模塊、隔離電源模塊、浪涌保護器和連接接插件。傳感器殼體與光學觀察窗采用螺紋連接，接插件安裝在連接法蘭上，使用螺釘把連接法蘭和傳感器殼體連接。
傳感器的電子元件安裝在傳感器殼體內部，通過光學觀察窗采集視頻信號，并把信號通過接插件送出傳感器殼體。GIS設備內部視頻監感器的原理圖如圖3所示。視頻傳感器結構圖如圖4所示。
圖3 視頻傳感器原理圖
圖4 視頻傳感器結構圖
2.2 后臺軟件設計
GIS觸頭位置視頻監測系統后臺軟件，包括主程序模塊、用戶管理模塊、信息交互模塊、數據管理模塊、信號解碼處理模塊、信息采集模塊和數據庫等幾個部分。圖像信號通過TCP/IP協議傳入，經過信號解碼處理單元對視頻信號進行分類和解碼和圖像識別，分析后的數據傳入主程序模塊；主程序模塊負責協調整個系統的運行，它接受用戶的登錄和操作，協調視頻信息的顯示和存儲，所有的監測信息都被保存在數據庫中方便調用。軟件原理圖如圖5所示。
GIS中開關觸頭位置監測系統采用主接線的形式實現對視頻數據的管理，符合電力系統運行的一般要求。
圖5 GIS觸頭位置視頻監測系統原理圖
2.3 觸頭圖像識別算法研究
（1）圖像識別計算過程
圖6為觸頭圖像處理原理圖，詳細地說明了觸頭圖像的處理過程：①首先，在圖像識別之前，需要預先獲取合閘到位的標準合閘圖像和分閘到位的標準分圖像，然后對圖像進行灰度處理，把圖像轉換為灰度圖像；②其次，使用合閘灰度圖像與分閘灰度圖像進行求差處理，獲得只有動觸頭的灰度圖像；③最后，在獲得觸頭灰度圖像后，對灰度圖像進行二值化處理，并進行濾波，獲得觸頭二值化后的圖像，再對觸頭二值化圖像進行輪廓識別獲取動觸頭輪廓圖。觸頭圖像處理的原理圖如圖7所示。
圖6 觸頭圖像處理原理圖
圖7 觸頭圖像處理原理圖
圖8所示為高壓開關觸頭合位標識線圖。在觸頭合到位后，兩條黑色的觸頭合到位標識線就會露出動觸頭屏蔽罩，通過識別這兩條合位識別線，就可以確定觸頭是否合到位。
圖8 合閘標識線
（2）關鍵計算方法
（3）圖像求差分割
用觸頭圖像與標準觸頭分圖像進行求差處理，獲得除去背景以外的觸頭的圖像，并使用閥值法對圖像進行二值化處理。處理效果如圖9所示。
圖9 圖像求差分割過程
（4）提取輪廓
使用邊界閉合求取觸頭輪廓技術，分別獲得標準閉合圖像的輪廓圖、標準分圖像的輪廓圖和當前圖像的輪廓圖。并把輪廓圖存儲在內存中待用。
利用邊界技術提取觸頭圖像輪廓，主要分為兩個步驟：①檢測邊緣點，采用一階微分算子Roberts邊緣檢測算子進行邊緣處理，分離出觸頭的圖像；②組成目標邊界，（使用梯度法連接邊界）提取輪廓效果如圖10所示。
圖10 輪廓提取過程
（5）圖像識別
根據當前觸頭圖像的輪廓圖與標準合時的輪廓圖進行對比，得到當前觸頭的分合狀態，并輸出分析結果，計算方法如圖11所示。
（6）標識線識別方法
標識線識別方法采用上述（1）—（4）的計算方法，計算方式和識別效果如圖12所示。
3 系統應用
該系統已經在GIS項目上進行了應用，可實現對隔離開關、接地開關和快速接地開關觸頭位置的實時監測和告警，可滿足現場運行需求。圖13為傳感器安裝圖。圖14為后臺軟件監測畫面。
圖11 計算結果
圖12 標識線的計算方法
圖13 傳感器安裝圖
圖14 后臺軟件監測畫面
結論
本文通過使用視頻監測技術、圖像識別技術、網絡技術和計算機技術，實現了對GIS設備的觸頭位置的實時監測和告警，為GIS設備觸頭位置分合異常監測提供了有效的監測方法。
