基于圖像處理和光電傳感技術的SF6氣體在線監測系統設計*

尚秋峰，劉薇，毛訓

（華北電力大學，河北 保定 071003）

0 引 言

在變電站中多采用SF6斷路器，SF6斷路器的絕緣性能和滅弧能力在很大程度上受到SF6氣體的壓力狀態影響［1］。SF6氣體壓力不足將引起斷路器拒動，造成嚴重的電力事故。傳統的監測手段是通過機械式指針儀表來測量設備中SF6氣體的密度，值班人員輪流定期查看，受人為和自然因素干擾大，操作繁瑣，檢測效率低。

目前對SF6氣體監測多利用紅外成像、聲波速度差、負離子式檢測原理，以上方法成本昂貴，而且需要修改高壓設備，因此有必要尋找與一次系統無接觸的低成本監測方法［2］。

文章提出利用光電傳感技術、無線傳輸技術、儀表圖像直讀算法構建SF6氣體在線監測系統。價格低廉，可以實時觀察。利用數字圖像處理技術，對所要研究的圖像進行采集、轉換、特征提取、算法分析、結果顯示等操作［3］。本文中所要研究的是顏色特征明顯的彩色儀表，彩色圖像的信息豐富，基于彩色圖像的分析處理可以保證檢測速度和精度，并且檢測方便。

提出了顏色強度的概念，來精確表示指針指示位置，可以避免各種儀表的顏色區域大小的不同、SF6壓力表上的數值的大小不同等一系列的問題，具有普適性。

1 SF6氣體在線監測系統結構

文中設計的SF6氣體在線監測系統結構如圖1所示。

圖1 SF6氣體在線監測系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of SF6 gas on-line monitoring system

該系統分為三個部分：

（1）SF6氣體壓力狀態監測部分

系統通過攝像頭采集 SF6儀表圖像，由以STM32為核心的裝置進行現場分析，通過儀表圖像直讀算法判斷斷路器的壓力狀態是處于正常、預警還是報警。

（2）監測數據無線傳輸部分

本系統采用 ZigBee無線通信技術［4］，STM32將壓力信息發送給ZigBee模塊，利用ZigBee模塊的自組網絡進行信息的傳遞。

（3）LabVIEW后臺監測部分

應用串口通信功能，將作為協調器的ZigBee模塊收到的壓力信息通過串口傳送到PC機上。通過PC機的LabVIEW軟件界面實時顯示壓力狀態［5］。PC機監測的數據可以保存，導出，顯示。可以根據歷史數據曲線對斷路器的狀態趨勢作出判斷。

系統的基本工作過程是：CMOS攝像頭采集終端儀表圖片，通過IO口傳遞給STM32模塊進行圖像處理，通過ZigBee模塊將本終端的編號及其SF6壓力表的信息打包通過ZigBee無線網絡傳遞給控制室內的ZigBee接收模塊。ZigBee接收模塊將信息通過RS232傳遞給PC機，LABVIEW程序對接收到的信息分析，判斷所接收到的信息是對應于哪個SF6壓力表的哪種狀態和具體強度，報警并顯示。

2 儀表圖像處理算法

本文在采集圖像后，利用中值濾波法對圖像預處理，減影法提取指針，對指針用最小二乘法直線擬合，利用兩條不同位置指針確定表盤圓心位置，從而找到指針末端。根據指針末端鄰域內的顏色信息判斷是否需要報警，根據顏色強度描述指針的具體位置。

2.1 采光問題

系統通過STM32上的攝像頭采集SF6儀表圖像。考慮到實際使用中的采光問題，陽光照射引起的反光和光線暗都會影響成像質量，系統外加了一個旋轉電機來驅動半圓的遮光片，并配有LED燈。圖像采集時，系統的旋轉電機將驅動遮光片旋轉180°遮住陽光，減少反光對圖像的影響，同時開啟LED燈，采集圖像完成后關閉LED燈，旋轉電機至原位。LED燈在采集圖像時提供照明輔助作用，在光線暗的時候尤其重要。

2.2 儀表圖像的中值濾波處理

電力指針式儀表圖像在獲取過程中，由于各種因素的影響，往往包含大量的噪聲，如果不做任何處理，噪聲會使圖像質量惡化，造成圖像模糊，甚至淹沒所需的特征［6］。對采集到的彩色圖像采用中值濾波去噪。中值濾波的基本原理是把數字圖像一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近的真實值，從而消除孤立的噪聲點。鄰域一般稱為窗口，當窗口在圖像中上下左右進行移動后，利用中值濾波算法就可以很好地對圖像進行平滑處理。

在二維圖像時的中值濾波算法定義為：

式中W為平面窗口，m為窗口水平尺寸，n為窗口垂直尺寸（這里m，n為奇數），Xi，j為目標中心點的像素，坐標為（i，j）；以Yi，j為中心，窗口W范圍內像素點灰度值的中值，即Xi，j的灰度值。

在對彩色圖像中值濾波時，先將彩色像素分解為RGB分量分別中值濾波，再通過圖像整合來復原彩色圖像。

2.3 減影法指針提取

將兩幅指針指示不同的圖像做減運算。像素值相同的區域，相減后像素值為（0，0，0），顯示為黑色背景。像素值不同的區域，相減后將像素值置為（255，255，255），顯示為白色指針。這樣即將表盤的背景減去，只留下不同位置處的指針［7］。將指針圖像灰度化處理，采用動態閾值法對灰度圖像進行圖像分割，得到二值圖像［8］。提取出的指針圖像中仍然會包含噪聲，包括背景區域中的孤立點。為了提高指針識別精度，對指針圖像再進行中值濾波處理，濾除背景中的細小雜點［9］。

為了提高指針圖像識別的精度和速度，采用中軸變換的方法對圖像細化處理，得到單像素寬度的表盤指針圖像。細化后的圖像可以有效突出直線特征，減小冗余信息［10］。

2.4 最小二乘法指針擬合

最小二乘法是一種分析數據的常用方法，是在已知多組數據情況下構造經驗公式的有效的數值方法。在將指針區域圖像細化后，可以得到寬度為一的骨架圖像，將各像素點的坐標值作為多組數據，由最小二乘法確定指針所在直線y＝ax+b。其中a，b為待定系數，a，b的選取應遵循使得離散像素點與擬合直線的距離的平方和最小。記做：

要確定Q（a，b）的最小值點，即求取Q（a，b）二元函數的駐點，可得下列方程：

解出這個方程組，即可確定最小二乘法直線擬合的系數a和b：

在X軸與待求的直線垂直時，數組中的所有像素點的橫坐標都幾乎相等。此時顯然上述公式已經不能滿足應用條件。所以在這種情況下，就對所有的橫坐標求取平均值，直線方程表示為x＝c，c為橫坐標的平均值。求出兩條不同位置指針的直線方程后，求兩條直線的交點，即為圓心。

2.5 顏色強度指針式識別法

確定圓心位置坐標（x0，y0）和指針直線方程y＝ax+b后，掃描指針，計算指針各像素點（xi，yi）到圓心（x0，y0）的距離使di最大的點即為指針末端。考慮到圖像中可能存在噪聲點，計算像素點偏離指針直線方程的動態范圍Δi＝｜yi-（axi+b）｜，確定一個閾值T，當 Δi＜T時，像素點（xi，yi）有效。否則無效。根據指針末端像素點P坐標（x′，y′）和圓心坐標（x0，y0），可以利用距離法求出指針長端的長度R。已知圓的圓心坐標和半徑，根據圓的參數方程x＝Rcosθ，y＝Rsinθ。以指針末端像素點 P的當前位置為起點，即θ＝0。順時針方向θ＝-2°位置處像素點M即為指針右側像素點，讀取M和其八鄰域像素點的像素值，將其取均值作為指針右側的像素信息。逆時針方向θ＝2°位置處像素點N即為指針左側像素點，讀取N和其八鄰域像素點的像素值，將其取平均作為指針左側的像素信息。利用不同顏色區域像素點的RGB分量信息不同，判斷像素點的顏色信息。例如若指針左側和右側都為紅色，則判斷指針落入紅色區域。若指針左側紅色，右側黃色，則說明指針剛好落在紅色區域和黃色區域的分界線上。

一旦判斷了指針所在的區域，則可以確定是否報警輸出。若指針落在紅色超標區域，則立即發出報警信號。

在對電力系統的日常監測中，僅僅知道各項設備是否出現了異常是遠遠不夠的。為了準確把握設備的工作狀態，在故障產生之前及時發現潛在趨勢。本文利用顏色強度來表示指針示值。

根據表盤的特點，定義紅色區域顏色強度為0～20，黃色區域顏色強度為20～40，紅色區域顏色強度為40～100。

在判斷表盤的時候，從指針位置出發，同時從順時針逆時針兩個方向以2°為步進單位進行掃描，判斷當前位置像素點的顏色信息［6］。如果不同像素點的顏色信息相同，說明仍在同一個區域內。如果顏色信息發生改變，說明到達不同區域的交界處。記錄下從逆時針，順時針方向分別到達兩條交界處所經歷的角度大小α、β，代表指針與其所在區域始端的角度為α，與終端的角度為β。

如果指針落在紅色區域，指針指示位置的顏色強度W計算如下：

如果指針落于黃色區域，指針指示位置的顏色強度W計算如下：

如果指針落于綠色區域，指針指示位置的顏色強度W計算如下：

采用顏色強度來表示彩色儀表指針指示位置，如果需要將儀表示數表示出來，只需要結合儀表不同顏色區域的刻度范圍，在后臺界面給出對應參數即可。該表示方法適用于不同的彩色儀表。

傳統的指針識別算法一般基于Hough變換，運算量大，需要存儲空間大。文中指針識別算法是基于最小二乘法運算和指針末端小區域像素點的統計，確定報警信息時只需要計算指針末端鄰域內像素均值，根據顏色信息快速確定是否需要報警輸出。運算量小，計算時間短，需要存儲空間小，適合于嵌入式系統編程實現。可以在指針指示異常時快速識別出來，進而發出報警信號，使工作人員對故障及時處理。

3 無線傳輸模塊

3.1 ZigBee無線通信網絡

監測數據的傳輸選用ZigBee無線通信網絡。ZigBee是介于無線標記技術與藍牙技術之間的一種新興的無線網絡技術［11］，主要用于近距離無線連接和通信，其協議依據IEEE 802.15.4標準，通過無線電波以接力方式將數據在不同傳感器間傳送，使傳感器之間實現相互協調的通信，通信效率高、所需硬件少，數據傳輸可靠，時延短，網絡容量大。

3.2 系統通信機制

系統中數據的傳輸有主動發送方式和主動查詢方式。在主動發送方式下，選取協調器作為時鐘同步的根節點，在所有壓力表的狀態都刷新一遍后發送一次時鐘同步信號。若有N臺設備，要求每2個小時能完全刷新一次各個儀表的狀態，這樣120／N分鐘便是每個設備的發送數據間隔，每臺圖像處理終端有各自的時間判斷間隔t，每隔時間t判斷一次儀表狀態，并保存到狀態寄存器，當各自的時間發送窗口到達時，就把對應的狀態發送過去。當所有的壓力表的狀態接收到了一遍，協調器就發送一次時鐘同步信號。

在主動查詢狀態下，被查詢的設備收到查詢指令后，將狀態寄存器的內容立即發送到協調器，不再考慮時間窗口的限制。主動查詢方式可以在需要的情況下很快的刷新監測數據，提高工作效率［12］。

3.3 系統通信距離測試

利用網絡丟包率對系統通信的距離進行測試。在間隔一堵墻的情況下，從六個ZigBee模塊，選取一個ZigBee發送模塊，一個接收ZigBee模塊，其余作為中間路由，以每10 s的間隔發送數據，結果如表1所示。

表1 有障礙物時通信距離測試Tab.1 Test of communication distance with obstacle

可見如果采用15m的間隔可以達到不丟失信息的要求。

4 LabVIEW后臺監測軟件

4.1 LabVIEW程序設計

后臺的LABVIEW程序判斷是否需要查詢指定終端的狀態，若需要，則發送查詢指令到該終端并等待15 s，若沒有返回數據，繼續發送查詢指令。如果無需查詢，則每15 s判斷是否需要查詢，其余時間等待接收數據。一旦接收到數據，立即進行分析顯示。

4.2 LabVIEW監測界面測試

將系統全部連上，ZIGBEE間隔取15 m對13臺斷路器進行實驗室組網測試。當5號斷路器為預警狀態，壓力強度顯示為40時，后臺顯示如圖2所示。

圖2 斷路器預警狀態界面顯示Fig.2 Interface display of circuit breaker in warning state

5 結束語

文章針對智能變電站中SF6斷路器中的SF6氣體壓力狀態檢測問題，設計了基于圖像處理和光電傳感技術的SF6氣體在線監測系統。該系統對SF6儀表進行監測，無需和一次設備直接接觸，成本低，利用儀表圖像直讀算法，可以在壓力狀態異常時快速報警，并在后臺直觀的顯示壓力狀態。