基于圖像分析的高壓開關(guān)柜內(nèi)異常強(qiáng)光監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂堅(jiān)浩

摘 要：分析了變電站高壓開關(guān)柜弧光產(chǎn)生原因，構(gòu)建了基于圖像分析的高壓開關(guān)柜電弧光實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)。闡述了異常強(qiáng)光的圖像分析算法、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案以及各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。對(duì)變電站高壓開關(guān)柜內(nèi)電弧光等異常強(qiáng)光實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常強(qiáng)光時(shí)發(fā)送告警信息，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；弧光；圖像分析；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171054

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）007-0103-03

0 引言

高壓開關(guān)柜是電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中起通斷、控制或保護(hù)作用的重要電器設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。大功率用電造成的事故原因是高壓開關(guān)柜由于溫度過高以及弧光故障使系統(tǒng)短路。高壓開關(guān)柜內(nèi)部電弧燃燒產(chǎn)生的巨大能量可引起火災(zāi)、輻射等安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。對(duì)高壓開關(guān)柜內(nèi)弧光進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常狀況及時(shí)預(yù)警和告警，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人值守變電站高壓開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以提高高壓開關(guān)柜的運(yùn)行可靠性，及早發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備異常情況 [2]，降低和避免停電事故發(fā)生。

1 開關(guān)柜弧光產(chǎn)生原因

開關(guān)柜運(yùn)行中發(fā)生的大量電弧光故障，多是由于環(huán)境條件影響，使絕緣材料受潮，設(shè)備絕緣表面產(chǎn)生凝露和附著污穢，使設(shè)備絕緣水平下降 [3]。在產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧光之前，開關(guān)柜內(nèi)部存在一些放電現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是溫度測(cè)量發(fā)現(xiàn)不了的。因此對(duì)開關(guān)柜放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于開關(guān)柜的故障綜合診斷、前期預(yù)警以及電弧光監(jiān)測(cè)，保護(hù)人員和設(shè)備安全具有非常重要的意義[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，分為前端設(shè)備層、服務(wù)層和應(yīng)用層3層。

前端設(shè)備主要是高壓開關(guān)柜和視頻采集設(shè)備，如攝像機(jī)及所需傳感器。由攝像機(jī)采集的實(shí)時(shí)圖像經(jīng)由IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)層。服務(wù)層主要負(fù)責(zé)視頻圖像的檢測(cè)分析，分析結(jié)果的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、控制以及與客戶端的通信。應(yīng)用層為中心平臺(tái)部署的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有變電站高壓開關(guān)柜狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、告警聯(lián)動(dòng)處理、歷史事件回放等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)服務(wù)層設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)端流程

服務(wù)端通過視頻設(shè)備每隔2秒鐘獲取高壓開關(guān)柜內(nèi)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，獲取到每一幀圖像數(shù)據(jù)后，采用圖像分析技術(shù)計(jì)算出該幀圖像的亮度值。如計(jì)算得到的亮度值過大，說明高壓開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生了異常亮光現(xiàn)象，將該異常亮光告警發(fā)送到系統(tǒng)客戶端，將告警信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)將該幀圖像保存起來，供歷史告警信息查看，具體流程如圖2所示。

3.2 圖像亮度算法實(shí)現(xiàn)

常用的顏色空間模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、Lab模型和YUV模型等。系統(tǒng)采用RGB顏色空間作為算法實(shí)現(xiàn)方法。圖像亮度本質(zhì)上是每個(gè)像素的亮度，每個(gè)像素的亮度本質(zhì)上是RGB值的大小，RGB值為0的像素點(diǎn)為黑色，RGB都為255時(shí)像素點(diǎn)最亮，為白色。在RGB模型中，每種顏色出現(xiàn)在紅、綠、藍(lán)的原色光譜分量中，這個(gè)模型基于笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)，所考慮的彩色子空間是圖3所示的立方體。圖3中，R、G、B位于3個(gè)角上；青、深紅和黃位于另外3個(gè)角上，黑色在原點(diǎn)處，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的角上。在該模型中，灰度等級(jí)沿這兩點(diǎn)的連線分布[5]。

檢測(cè)亮度方法是計(jì)算圖片在灰度圖上的均值和方差。當(dāng)存在亮度異常時(shí)，均值會(huì)偏離均值點(diǎn)（可以假設(shè)為128），方差也會(huì)偏小；通過計(jì)算灰度圖的均值和方差，就可評(píng)估圖像是否存在過亮或者過暗，代碼如下：

for（int i=0；iheight；i++） {

for（int j=0；jwidth；j++） {

scalar = cvGet2D（gray，i，j）；

sum += （scalar.val[0]- 128）；

int x= （int）scalar.val[0]；

ls[x]++；

}

}

avg = sum/（gray->height * gray->width）；

for（int i=0；i<256；i++） {

total += abs（i-128-avg）* ls[i]；

}

mean = total/（gray->height * gray->width）；

double cast = abs（avg/mean）

將圖像灰度化后，得到圖像指針 IplImage * gray；遍歷圖像，cast為計(jì)算出的偏差值，小于1表示較正常，大于1表示存在亮度異常；當(dāng)cast異常時(shí)，avg大于0表示過亮，avg小于0表示過暗 。

3.3 通信協(xié)議

系統(tǒng)使用http 協(xié)議和UTF-8格式傳輸數(shù)據(jù)，HTTP協(xié)議承載于TCP協(xié)議之上，有時(shí)也承載于TLS或SSL協(xié)議層之上。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為UTF-8格式后再轉(zhuǎn)發(fā)。下面給出http 消息的C構(gòu)造方法：

int BuildHttpRequestMsg（PHTTPMSG hmsg，char *req，char *host，char *body，int bsize）

{

hmsg->type = HTTPPOST；

strcpy（hmsg->req，req）；

hmsg->reqsize = strlen（hmsg->req）；

hmsg->version = HTTP11；

strcpy（hmsg->host，host）；

hmsg->hostsize = strlen（hmsg->host）；

strcpy（hmsg->content_type，"application/xml"）；

hmsg->content_typesize = strlen（hmsg->content_type）；

strcpy（hmsg->connection，"Keep-Alive"）；

hmsg->connectionsize = strlen（hmsg->connection）；

hmsg->bodysize = bsize；

strcpy（hmsg->body，body）；

return 0；

}

PHTTPMSG 為http 消息結(jié)構(gòu)體。

3.4 多線程異步通信

由于開關(guān)柜變電站高壓開關(guān)柜數(shù)量龐大，且需要同時(shí)對(duì)這些開關(guān)柜進(jìn)行圖像分析，因此，系統(tǒng)采取多線程方式來處理這些事務(wù)，以此提升整體處理性能。采用多線程異步通信方式，服務(wù)端會(huì)循環(huán)獲取高壓開關(guān)柜視頻圖像。每獲取一幀圖像，就將該圖像拋給事先準(zhǔn)備好的線程池作視頻分析。圖像分析完成后，再將分析結(jié)果分發(fā)給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程及發(fā)送到客戶端線程，以提高視頻分析效率。多線程工作模式如圖4所示。

3.5 視頻采集方案

系統(tǒng)使用SDK方式采集前端視頻。SDK是監(jiān)控卡廠家提供的開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一組庫(kù)函數(shù)。使用SDK庫(kù)函數(shù)，用戶可以在不了解視頻壓縮、回放、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)前提下進(jìn)行視頻程序開發(fā)。為了兼容多個(gè)廠家的視頻設(shè)備，系統(tǒng)對(duì)SDK進(jìn)一步封裝，形成新的SDK開發(fā)包以訪問多個(gè)廠家視頻設(shè)備。

4 應(yīng)用層客戶端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，使用VS2008開發(fā)。為了更加及時(shí)觀測(cè)到告警信息，客戶端采用聯(lián)動(dòng)告警技術(shù)，將接收到的告警信息連同視頻信息顯示在客戶端界面?？蛻舳司哂邢到y(tǒng)配置、實(shí)時(shí)告警信息展示、歷史信息查詢、實(shí)時(shí)視頻顯示等功能?？蛻舳斯δ苋鐖D5所示。

4.1 告警聯(lián)動(dòng)

當(dāng)客戶端接收到服務(wù)端發(fā)送的告警信息時(shí)，客戶端解析出是哪個(gè)開關(guān)柜產(chǎn)生的告警信息，進(jìn)而自動(dòng)打開開關(guān)柜視頻。同時(shí)，發(fā)生異常強(qiáng)光告警的圖像信息也會(huì)發(fā)送到客戶端顯示。監(jiān)控室工作人員根據(jù)異常強(qiáng)光圖像和實(shí)時(shí)視頻判斷是否需要對(duì)該高壓開關(guān)柜進(jìn)行維修。

4.2 基于組態(tài)的圖形化展示

客戶端提供友好的圖形化人機(jī)界面，當(dāng)有告警信息時(shí)，開關(guān)柜上方監(jiān)控指標(biāo)前的黃點(diǎn)會(huì)閃爍。右擊攝像頭圖標(biāo)，點(diǎn)擊“打開視頻”菜單，可預(yù)覽開關(guān)柜內(nèi)實(shí)時(shí)視頻。

5 結(jié)語

高壓開關(guān)柜是必不可少的電力設(shè)備，是輸電網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行的前提。本文針對(duì)弧光短路故障導(dǎo)致工作人員傷亡和變電站高壓開關(guān)柜設(shè)備受損問題，采用圖像分析技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取高壓開關(guān)柜內(nèi)圖像，計(jì)算圖像亮度，進(jìn)而判斷是否有弧光等異常強(qiáng)光現(xiàn)象。構(gòu)建了基于圖像分析的高壓開關(guān)柜內(nèi)異常強(qiáng)光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到有異常強(qiáng)光現(xiàn)象，立即將告警信息發(fā)送到客戶端，監(jiān)控人員立即作出相應(yīng)維修決策。通過檢測(cè)弧光信息還可提供故障定位功能，以幫助尋找故障點(diǎn)并進(jìn)行維修，盡快恢復(fù)供電。本系統(tǒng)對(duì)變電站開關(guān)柜的故障診斷及維護(hù)具有較大幫助，具有預(yù)警作用，可降低經(jīng)濟(jì)損失。

參考文獻(xiàn)：

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