隨著無(wú)人值守變電站管理模式的全面推廣，在監(jiān)控中心通過(guò)現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)對(duì)所屬變電站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障和意外情況告警處理，可提高變電站運(yùn)行和維護(hù)的安全性及可靠性，并可逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度，使電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行更為安全、可靠。

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)為開(kāi)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的監(jiān)測(cè)可提高GIS設(shè)備運(yùn)行的安全性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GIS中開(kāi)關(guān)觸頭位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，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(jiān)測(cè)信息，并把監(jiān)測(cè)信息傳送的后臺(tái)；第三層為后臺(tái)監(jiān)測(cè)層，用于處理所有傳感器的信號(hào)，并通過(guò)圖像識(shí)別手段，識(shí)別觸頭圖像并進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭位置的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與告警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)開(kāi)關(guān)觸頭位置的視頻傳感器組成，負(fù)責(zé)采集開(kāi)關(guān)觸頭位置的視頻圖像信息，視頻信息通過(guò)電纜傳輸?shù)揭曨l服務(wù)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(wù)器和交換機(jī)組成，視頻傳感器數(shù)量為一個(gè)或者一個(gè)以上，傳感器與視頻服務(wù)器采用電纜相連接，視頻服務(wù)器與交換機(jī)連接，交換機(jī)與后臺(tái)系統(tǒng)連接。視頻傳感器安裝在GIS殼體上的，通過(guò)觀察窗采集GIS內(nèi)部視頻信號(hào)，然后通過(guò)電纜把視頻模擬信號(hào)送入視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器把模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)交換機(jī)使用TCP/IP（網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議）把視頻數(shù)據(jù)送入視頻監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)，后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)解碼和圖像分析把監(jiān)測(cè)畫(huà)面及分析結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)，并提供觸頭位置異常報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器安裝位置示意圖

1.3 后臺(tái)監(jiān)測(cè)層

后臺(tái)監(jiān)測(cè)層由數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)處理、分析和管理視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)口與視頻服務(wù)器相連接，如果有多個(gè)視頻服務(wù)器，就需要使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)。視頻監(jiān)測(cè)后臺(tái)系統(tǒng)可以接收多個(gè)視頻服務(wù)器的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，然后展現(xiàn)在以主接線為表現(xiàn)形式的人機(jī)交互界面上。該系統(tǒng)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(bào)警和數(shù)據(jù)檢索等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 視頻傳感器設(shè)計(jì)

傳感器要解決安裝在GIS殼體上的密封和照明的問(wèn)題，并采集GIS觸頭的視頻信號(hào)進(jìn)行編碼和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS殼體內(nèi)部觸頭的視頻監(jiān)測(cè)，為GIS中開(kāi)關(guān)觸頭位置監(jiān)測(cè)提供了有效的監(jiān)測(cè)手段。

GIS視頻傳感器包括傳感器外殼、光學(xué)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(hù)器和連接接插件。傳感器殼體與光學(xué)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(nèi)部，通過(guò)光學(xué)觀察窗采集視頻信號(hào)，并把信號(hào)通過(guò)接插件送出傳感器殼體。GIS設(shè)備內(nèi)部視頻監(jiān)感器的原理圖如圖3所示。視頻傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 視頻傳感器原理圖

圖4 視頻傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

GIS觸頭位置視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)軟件，包括主程序模塊、用戶管理模塊、信息交互模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號(hào)解碼處理模塊、信息采集模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)部分。圖像信號(hào)通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳入，經(jīng)過(guò)信號(hào)解碼處理單元對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)和解碼和圖像識(shí)別，分析后的數(shù)據(jù)傳入主程序模塊；主程序模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，它接受用戶的登錄和操作，協(xié)調(diào)視頻信息的顯示和存儲(chǔ)，所有的監(jiān)測(cè)信息都被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中方便調(diào)用。軟件原理圖如圖5所示。

GIS中開(kāi)關(guān)觸頭位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用主接線的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)的管理，符合電力系統(tǒng)運(yùn)行的一般要求。

圖5 GIS觸頭位置視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備帶電檢測(cè)方法與診斷技術(shù)

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2.3 觸頭圖像識(shí)別算法研究

（1）圖像識(shí)別計(jì)算過(guò)程

圖6為觸頭圖像處理原理圖，詳細(xì)地說(shuō)明了觸頭圖像的處理過(guò)程：①首先，在圖像識(shí)別之前，需要預(yù)先獲取合閘到位的標(biāo)準(zhǔn)合閘圖像和分閘到位的標(biāo)準(zhǔn)分圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，把圖像轉(zhuǎn)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(jìn)行求差處理，獲得只有動(dòng)觸頭的灰度圖像；③最后，在獲得觸頭灰度圖像后，對(duì)灰度圖像進(jìn)行二值化處理，并進(jìn)行濾波，獲得觸頭二值化后的圖像，再對(duì)觸頭二值化圖像進(jìn)行輪廓識(shí)別獲取動(dòng)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(kāi)關(guān)觸頭合位標(biāo)識(shí)線圖。在觸頭合到位后，兩條黑色的觸頭合到位標(biāo)識(shí)線就會(huì)露出動(dòng)觸頭屏蔽罩，通過(guò)識(shí)別這兩條合位識(shí)別線，就可以確定觸頭是否合到位。

圖8 合閘標(biāo)識(shí)線

（2）關(guān)鍵計(jì)算方法

（3）圖像求差分割

用觸頭圖像與標(biāo)準(zhǔn)觸頭分圖像進(jìn)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(duì)圖像進(jìn)行二值化處理。處理效果如圖9所示。

圖9 圖像求差分割過(guò)程

（4）提取輪廓

使用邊界閉合求取觸頭輪廓技術(shù)，分別獲得標(biāo)準(zhǔn)閉合圖像的輪廓圖、標(biāo)準(zhǔn)分圖像的輪廓圖和當(dāng)前圖像的輪廓圖。并把輪廓圖存儲(chǔ)在內(nèi)存中待用。

利用邊界技術(shù)提取觸頭圖像輪廓，主要分為兩個(gè)步驟：①檢測(cè)邊緣點(diǎn)，采用一階微分算子Roberts邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行邊緣處理，分離出觸頭的圖像；②組成目標(biāo)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(guò)程

（5）圖像識(shí)別

根據(jù)當(dāng)前觸頭圖像的輪廓圖與標(biāo)準(zhǔn)合時(shí)的輪廓圖進(jìn)行對(duì)比，得到當(dāng)前觸頭的分合狀態(tài)，并輸出分析結(jié)果，計(jì)算方法如圖11所示。

（6）標(biāo)識(shí)線識(shí)別方法

標(biāo)識(shí)線識(shí)別方法采用上述（1）—（4）的計(jì)算方法，計(jì)算方式和識(shí)別效果如圖12所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已經(jīng)在GIS項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)和快速接地開(kāi)關(guān)觸頭位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和告警，可滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需求。圖13為傳感器安裝圖。圖14為后臺(tái)軟件監(jiān)測(cè)畫(huà)面。

圖11 計(jì)算結(jié)果

圖12 標(biāo)識(shí)線的計(jì)算方法

圖13 傳感器安裝圖

圖14 后臺(tái)軟件監(jiān)測(cè)畫(huà)面

結(jié)論

本文通過(guò)使用視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS設(shè)備的觸頭位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和告警，為GIS設(shè)備觸頭位置分合異常監(jiān)測(cè)提供了有效的監(jiān)測(cè)方法。