徐衛(wèi)中,趙 鍇,謝 涌,鄭樹青,戴建軍,沈小軍
(1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司,浙江 臺州 317200;2.同濟大學電氣工程系,上海 200092)
基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)設計
徐衛(wèi)中1,趙鍇2,謝涌2,鄭樹青1,戴建軍1,沈小軍2
(1.華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司,浙江 臺州 317200;2.同濟大學電氣工程系,上海 200092)
針對現(xiàn)有變電站內(nèi)避雷器監(jiān)測表計的人工抄表存在的種種弊端,研制了基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)。提出智能抄報系統(tǒng)總體設計方案,包括功能需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設計和軟硬件開發(fā)。研究并優(yōu)化針對表計圖像中數(shù)字與指針自動讀數(shù)的智能識別算法,取得良好測試效果。
氧化鋅避雷器;監(jiān)測表計;圖像識別;智能抄報
氧化鋅避雷器(MOA)是變電運行、防止雷擊事故的重要保護裝置,而避雷器自身的好壞,也涉及到變電所的運行安全。避雷器監(jiān)測表是一種能夠監(jiān)測避雷器泄漏電流和動作次數(shù)的儀表,是避雷器運行狀態(tài)監(jiān)測采取的主要技術(shù)手段。當前,避雷器監(jiān)測表采用人工現(xiàn)場抄報方式。運行經(jīng)驗表明,人工抄報方式雖對保障避雷器的安全運行發(fā)揮了重大的作用,但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和無人值守變電站的出現(xiàn),人工抄報方式的不足日益突出:首先,現(xiàn)場避雷器監(jiān)測表計數(shù)量隨著設備數(shù)量的增加而逐漸增多,人工抄表方式極大增加電力工作人員的工作量;其次,人工抄報中記錄的數(shù)據(jù)只是孤立的表計讀數(shù),缺乏對照物,追溯性差,表盤讀數(shù)也可能受人員主觀因素影響而出現(xiàn)誤讀、漏讀、誤記等問題;再次,避雷器故障發(fā)生初期,監(jiān)測表計泄漏電流變化幅度不明顯,到故障較為嚴重時,泄漏電流讀數(shù)會在較短時間內(nèi)明顯增加,必須在最短時間內(nèi)將性能變劣的避雷器退出運行以避免事故發(fā)生,人工抄報的巡視間隔周期相對較長,往往無法及時有效地發(fā)現(xiàn)避雷器故障。
本文將基于圖像識別技術(shù)開展新型避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)設計,以增加數(shù)據(jù)識別和記錄的客觀性,降低運行人員的勞動強度,提升數(shù)據(jù)巡視密度,精確掌握表計的數(shù)據(jù)變化,實現(xiàn)自動預警功能,提高電站運行實時監(jiān)測水平,降低現(xiàn)場人員的勞動強度,解放勞動力。
設計的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng)采用分布式分層結(jié)構(gòu),主要由圖像采集終端、數(shù)據(jù)通信模塊和后臺監(jiān)控中心3部分組成。
(1)圖像采集終端
圖像采集終端主要負責表計圖像的采集與上傳。該終端分布式安裝在各避雷器表計上方,采用鋰電池供電,當未收到采集命令時或完成圖像采集任務后進入低功耗待機狀態(tài)。圖像采集終端獲取的圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量高低直接影響智能抄報系統(tǒng)的正確率和系統(tǒng)造價,因此,圖像傳感器的選型至關重要。本系統(tǒng)擬采用OV公司生產(chǎn)的OV7670圖像傳感器,該圖像傳感器感光陣列為640×480,達到30萬像素,完全滿足后臺監(jiān)測主機對圖像進行處理與識別的要求,另外,該傳感器靈敏度高,適合在低照度環(huán)境下應用,支持LED以及氙光閃光燈,與終端采集裝置中感光元件配合,在照度不足的環(huán)境下可自動對被采集目標進行補光,保證了采集圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了減少現(xiàn)場布線,圖像采集終端采用無線通信方式實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳。
(2)數(shù)據(jù)通信模塊
數(shù)據(jù)通信模塊主要功能是將圖像采集終端設備獲取的圖像數(shù)據(jù)整理、合并后,上傳至后臺監(jiān)測中心計算機。由于圖像采集終端分布式的安裝在各個電力設備的避雷器監(jiān)測表計處,因此終端之間的空間距離較大,若采用傳統(tǒng)有線傳輸方式則需要在現(xiàn)場布設大量通信線纜,既費時費力,施工過程也可能影響電力現(xiàn)場原有布局,造成安全隱患。ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、低成本、高可靠、網(wǎng)絡容量大、安全保密等一系列特征,其在電力現(xiàn)場應用的安全性已得到認證。本智能抄報系統(tǒng)擬采用ZigBee無線通信方式與圖像采集終端進行數(shù)據(jù)交換,對于部分特殊場合也可將無線通信與有線通信結(jié)合起來應用,組成圖像采集終端網(wǎng)絡。中繼器則設置于終端設備與數(shù)據(jù)合并單元之間,起到路由功能,圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由中繼器轉(zhuǎn)發(fā)后達到數(shù)據(jù)合并單元。數(shù)據(jù)合并單元通過485現(xiàn)場總線與后臺監(jiān)控中心通信。
(3)后臺監(jiān)控中心
后臺監(jiān)控中心主要負責終端采集的圖像數(shù)據(jù)的接收和處理,利用自身模型或云端模型對圖像進行對比識別,實現(xiàn)氧化鋅避雷器監(jiān)測表計讀數(shù)的智能化抄表、統(tǒng)計、追溯、預警等一體化功能。
現(xiàn)場調(diào)研及資料收集分析結(jié)果表明:當前氧化鋅避雷器監(jiān)測表一般采用數(shù)碼式和指針式相結(jié)合的表盤,其中數(shù)碼式表盤主要顯示的是避雷器動作次數(shù),指針式表盤主要顯示的是接地線電流的數(shù)值大小。因此,在對氧化鋅避雷器監(jiān)測表進行圖像識別時,我們需要針對表征動作次數(shù)的數(shù)字式表盤和表征接地電流值的指針式表盤分別進行分析和處理。
3.1動作次數(shù)的識別方法
對于字符圖像的識別算法一般有模板匹配法、統(tǒng)計特征匹配法和神經(jīng)網(wǎng)絡識別法3種。理論分析結(jié)果表明,避雷器動作次數(shù)的數(shù)碼式表盤,讀數(shù)由0~9十個固定的阿拉伯數(shù)字組成,對象模板需求量較小,因此,研究者采用模板匹配的識別算法實現(xiàn)動作次數(shù)表計的智能讀數(shù)。
模板匹配法的基本思想是,將歸一化的字符二值圖像與模板庫中的字符二值圖像逐個進行匹配,采用相似度的方法計算目標字符與每個模板字符的匹配程度,取相似最高的作為識別結(jié)果。匹配相似度函數(shù)定義為:
式中,fij(m,n)為待識別字符圖像中像素點(i,j)的灰度值,這里是二值圖像,所以取值為0或1;tij(m,n)為模板字符圖像中像素點(i,j)的灰度值,同樣,這里是二值圖像,所以取值為0或1;M和N為模板字符點陣橫向和縱向包含的像素個數(shù)。
數(shù)碼式表盤中,有不少是安裝著滾軸式的數(shù)字顯示裝置,所顯示的數(shù)字是會根據(jù)數(shù)值的小數(shù)值大小而逐漸旋轉(zhuǎn),這樣就會出現(xiàn)部分數(shù)字顯示為完整的字符,而部分數(shù)字顯示為兩個“半字”,即處在兩個整數(shù)值之間的位置上,這樣的情況我們分別稱之為“整字”和“斷字”。對于整字來說,其顯示出的圖像和標準的字體是一致的,根據(jù)模板匹配法,可以直接進行處理識別;而對于斷字,由于斷點位置的不確定,故不能直接采用模板匹配法,需將斷字分割成兩個數(shù)字的部分,再進行模板匹配。
綜上所述,本系統(tǒng)中避雷器監(jiān)測表計中動作次數(shù)的智能識別流程如下頁圖2所示,包括模板字符庫、歸一化處理、計算間隔大小、間隔值與設定值比較、判斷整字或斷字、導入模版、劃分字符上下段、相關性運算、尋找最大值對應位置、加權(quán)處理、確定最大值、比較中心位置、讀出示數(shù)等步驟。
3.2接地電流值的識別算法
氧化鋅避雷器接地電流表具有以下特征:1)需精確讀數(shù)表盤均勻分布在一段固定的圓弧上;2)指針運動分布在一個固定的圓弧范圍內(nèi),指針讀數(shù)的大小與指針的偏轉(zhuǎn)角線性相關;3)電流表指針可以等效為一條直線。
目前,指針式圖像的處理與識別技術(shù)比較常用的識別方法是基于霍夫(Hough)變換的儀表指針角度識別算法?;舴蜃儞Q是一種利用圖像的全局特性直接檢測目標的輪廓,將圖像的邊緣像素連接起來的算法。在預先知道區(qū)域形狀的情況下,利用霍夫變換可以方便地將不連續(xù)的邊緣像素點連接起來,從而得到邊界曲線?;舴蜃儞Q的基本思想是利用點、線的對偶性進行操作。圖像變換前在圖像空間,變換后在參數(shù)空間。在圖像空間X-Y中,原有的通過點(x,y)的直線一定滿足方程:
式中,k為斜率,b為截距,如果將x,y看成參數(shù),那么該直線就可以表示成:
即在K-B空間中過點(k,b)的一條直線。于是,圖像空間X-Y中過點(x1,y1),(x2,y2)的直線上的每一點都對應參數(shù)空間K-B中的一條直線,而在對應的K-B空間中,這些直線都相交于一點(k12,b12),而點(k12,b12)恰好就是X-Y空間中過點(x1,y1),(x2,y2)的直線的參數(shù)。由此可知,圖像空間中同一條直線上的點對應在參數(shù)空間中是相交的直線,在參數(shù)空間中相交于同一點的所有直線,在圖像空間都有共線的點與之對應,這就是點、線的對偶性。根據(jù)這個特性,當給定圖像空間中邊緣時,通過霍夫變換確定連接這些點的直線方程。霍夫變換把圖像空間中的直線檢測問題,轉(zhuǎn)化為參數(shù)空間里點的檢測問題。本系統(tǒng)氧化鋅避雷器接地電流值圖像識別的基本流程如圖3所示。
本文設計了一套基于圖像識別的避雷器監(jiān)測表計智能抄報系統(tǒng),實現(xiàn)對避雷器監(jiān)測表計的動作次數(shù)和接地電流的智能抄報。該系統(tǒng)終端以分布式安裝,采用無線通信與有線相結(jié)合方式實現(xiàn)采集圖像的上傳,操作人員可通過后臺軟件監(jiān)測避雷器表計讀數(shù),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工抄報方法,節(jié)約大量人力物力,適應變電站無人值守的需求。
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徐衛(wèi)中(1968-),男,高級工程師,從事抽水蓄能電廠生產(chǎn)管理和技術(shù)管理工作。
TV736
A
1672-5387(2015)11-0001-03
10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.001
2015-07-31