國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司 阮浩潔 王春亞 王 輝 劉曉東

引言

隨著社會(huì)用電量的不斷增加，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜，為滿足電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，智能變電站的建設(shè)數(shù)量在逐漸增加。

為確保智能變電站高穩(wěn)定、安全運(yùn)行，提高二次設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)水平，變電站的設(shè)備屏柜結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，保護(hù)壓板數(shù)量逐漸增加。但保護(hù)壓板容易受到人為操作、環(huán)境污染等因素的影響，造成誤退、誤投等情況發(fā)生，因此，110kV 及以上的變電站要求至少一個(gè)月巡檢一次保護(hù)壓板運(yùn)行狀態(tài)。

然而，人工巡檢時(shí)容易因?yàn)橐曈X疲勞、記憶混淆等諸多原因?qū)е侣z、誤檢的現(xiàn)象發(fā)生，特別是保護(hù)壓板誤操作只有在電力事故發(fā)生后才能夠發(fā)現(xiàn)并恢復(fù)，嚴(yán)重影響輸配電線路的安全和穩(wěn)定。

本文引入圖像識(shí)別法對(duì)計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析和理解，隨時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)壓板的運(yùn)行狀態(tài)，可以避免人工巡檢時(shí)的誤操作問題，為智能變電站的運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將電子探測技術(shù)和智能控制技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用紅外反射式光電傳感器獲取保護(hù)壓板圖像，然后經(jīng)過圖像預(yù)處理、顏色識(shí)別、圖像分割、形態(tài)提取等步驟獲取保護(hù)壓板的運(yùn)行狀態(tài),接著根據(jù)系統(tǒng)預(yù)期設(shè)定的算法對(duì)比保護(hù)壓板的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)保護(hù)壓板運(yùn)行異常，觸發(fā)單片機(jī)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示，LED 指示燈變亮，以短信形式通知工作人員處理異常情況。

2 圖像識(shí)別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

圖像識(shí)別技術(shù)主要包括圖像預(yù)處理、顏色識(shí)別、圖像分割、形態(tài)提取等步驟，接下來將著重介紹基于圖像識(shí)別技術(shù)的保護(hù)壓板狀態(tài)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 圖像預(yù)處理

要準(zhǔn)確識(shí)別保護(hù)壓板的狀態(tài)，關(guān)鍵在于提取保護(hù)壓板的圖像。但由于保護(hù)壓板所在的位置不同，受到拍攝角度、光線強(qiáng)弱、障礙物等各種因素的影響，造成保護(hù)壓板照片的光照不一致等問題，提取圖像十分困難。而圖像預(yù)處理是利用保護(hù)屏邊框來完成圖片的校正和提取，通過灰度化、幾何變換、圖像增強(qiáng)等方式來預(yù)處理圖像，提高圖像識(shí)別能力。

灰度化。一般常用紅色（Red)、綠色（Green）、藍(lán)色（Blue)（簡稱RGB 模型）來表示顏色，但是，當(dāng)要提取圖片中某一顏色時(shí)，運(yùn)用RGB 模型就很難實(shí)現(xiàn)。因此本文擬采用加權(quán)平均法，將RGB 模型中三種顏色以不同的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均，然后利用人眼對(duì)綠色的敏感度最高、藍(lán)色敏感度最低的方法，從而獲取到比較合理的灰度圖像。

幾何變換。對(duì)于儀器設(shè)置、系統(tǒng)誤差等原因造成電圖像系統(tǒng)誤差，可通過平移、轉(zhuǎn)置、鏡像、旋轉(zhuǎn)、縮放等方法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，為了讓輸出的像素映射到輸入圖像的非整數(shù)坐標(biāo)上，常見的幾何變換方式有最近鄰插值、雙線性插值和雙三次插值。

圖像增強(qiáng)。圖像采集回來以后，部分有用圖像可能會(huì)失真，為改善圖像的視覺效果，或者有目的強(qiáng)調(diào)部分或整體圖像的特性，擴(kuò)大圖片特征，讓呈現(xiàn)的圖像信息滿足實(shí)際需要，就需要采用圖像增強(qiáng)技術(shù)將圖像進(jìn)行處理，本文用到的圖像增強(qiáng)方式有頻率域法和空間域法。

2.2 顏色識(shí)別

由于光照等因素的影響，采集回來的保護(hù)壓板圖像特點(diǎn)不一，考慮到顏色恒常性等特點(diǎn)，光照強(qiáng)度變化對(duì)顏色表征會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因而，圖像識(shí)別技術(shù)的難點(diǎn)就是解決顏色辨識(shí)的問題。顏色識(shí)別會(huì)受到光照、場景反射性能、成像系統(tǒng)的傳感器性能等諸多因素的影響，有學(xué)者提出了色域映射理論、普銳化理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等解決顏色識(shí)別問題，但這些方法的算法十分復(fù)雜，不大適用于本系統(tǒng)。

本文試圖以顏色匹配的圖像分割為基礎(chǔ)，將模型中獲得的圖像掃描匹配結(jié)果應(yīng)用于圖像分割。首先，輸入典型顏色模型，選取一定的目標(biāo)顏色模型進(jìn)行聚類學(xué)習(xí)，形成目標(biāo)顏色模型數(shù)據(jù)庫；然后，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)營，將標(biāo)準(zhǔn)的RGB 模型坐標(biāo)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)顏色群加入到模型數(shù)據(jù)庫中；最后，掃描所錄入的顏色信息，與模型庫顏色對(duì)比，將與模型庫一致的區(qū)域做好標(biāo)記。

2.3 圖像分割

由于拍攝現(xiàn)場場地、燈光等諸多因素的限制，并不能確保每次獲取的圖片信息相同，因而傳統(tǒng)的圖像對(duì)比和背景分離等圖像分割方案已經(jīng)無法適應(yīng)本系統(tǒng)的研究。由于保護(hù)壓板開關(guān)的位置并非固定，因而無法通過預(yù)設(shè)位置參數(shù)來提取保護(hù)壓板的圖像，盡管現(xiàn)階段常用的提取保護(hù)壓板位置參數(shù)的方法是基于邊緣檢測原理，但該方法容易受到標(biāo)簽、安裝參數(shù)等諸多因素的影響。本文通過顏色匹配與辨識(shí)定位壓板在圖像中的位置進(jìn)行排列和分離，盡量減少非相關(guān)區(qū)域給圖像分割帶來的干擾，以獲取較高的圖像信息。

2.4 形態(tài)提取

將圖像分割完畢的保護(hù)壓板圖像通過背景分割后，分別進(jìn)行二值法、降噪處理，然后運(yùn)用最小外接矩形特征提取法和基于形態(tài)特征提取法進(jìn)行形態(tài)的提取。

最小外接矩形特征提取法。利用開閉算法來提取圖像中光斑區(qū)域的邊緣，該邊緣就是保護(hù)壓板輪廓。利用最小外接矩形特征提取形態(tài)需要經(jīng)過兩個(gè)步驟：一是根據(jù)像素點(diǎn)數(shù)組來確定圖形的形心；二是以形心為中心，圍繞形心旋轉(zhuǎn)圖像，記錄圖像的長和寬，獲得圖像的矩形面積并根據(jù)面積來確定最小外接矩形的位置。

基于形態(tài)特征提取法。通過獲取圖像信息，對(duì)比圖像形態(tài)的差異來識(shí)別保護(hù)壓板的圖像。具體來說，在完成圖像識(shí)別、圖像分割等相關(guān)步驟后，對(duì)每個(gè)區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行判別，以獲取圖像中矩形的個(gè)數(shù)以及矩形的排列方式。基于形態(tài)特征提取法的步驟如下：首先，獲取二值圖中Y 坐標(biāo)的最大坐標(biāo)值和最小坐標(biāo)值，計(jì)算得出的坐標(biāo)值平均值為保護(hù)壓板的起始位置；其次，運(yùn)用矩形劃分出不同顏色的區(qū)域。每個(gè)矩形區(qū)域所提取到的顏色形成一個(gè)特征矩形，有多少顏色就提取到多少特征矩形；最后，統(tǒng)計(jì)提取完成后圖像所包含的矩形個(gè)數(shù)以及矩形的長和寬。如果矩形個(gè)數(shù)超過1，或者矩形的長與寬的比值超過閾值，表明該保護(hù)壓板的處于正常工作狀態(tài)；如果矩形的個(gè)數(shù)為1且長與寬的比值小于閾值，表明保護(hù)壓板處于異常工作狀態(tài)，就會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，指示燈閃爍，提示工作人員該保護(hù)壓板處于異常狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文介紹了基于圖像識(shí)別的保護(hù)壓板狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，著重介紹了圖像識(shí)別所包含的圖像預(yù)處理、顏色識(shí)別、圖像分割、形態(tài)提取等步驟的實(shí)現(xiàn)方法。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控保護(hù)壓板的圖像采集和狀態(tài)辨識(shí)，能夠清楚獲取保護(hù)壓板的狀態(tài)。在獲取運(yùn)行狀態(tài)后，通過對(duì)比歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，就可以了解保護(hù)壓板是否處于異常狀態(tài)。因此，本研究不僅能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)壓板巡檢的智能化，還能夠?qū)崿F(xiàn)與智能變電站運(yùn)維系統(tǒng)的融合，極大提高了輸配電線的運(yùn)行效率。