電能表射頻電磁場抗擾度自動檢測系統

丁 琦 ，蔡晉輝 ，李 明 ，陳春宇

（1.中國計量大學 計量測試工程學院，杭州 310018；2.浙江省計量科學研究院，杭州 310000；3.浙江三花制冷集團，紹興 312000）

近些年來，國家電網公司加速發展，智能電表的運用也越加廣泛，其組成部分包括計量芯片、通訊芯片、微處理器、晶振電路、開關電源等。由于生活中存在著較多射頻電磁場的干擾，如果電能表芯片的布局不合理，開關電源質量不合格，晶振穩定性差，都會影響智能電表與電磁場的兼容性[1]，從而影響電能表的正常工作和準確計量。因此，根據國家GB/T17626.3—2016《電磁兼容試驗和射頻電磁場輻射抗擾度試驗》的要求，對電能表進行射頻電磁場輻射抗擾度試驗十分必要。

目前，如何正確、有效、快速地對電能表進行射頻電磁場抗擾度試驗性能檢測，成為研究熱點之一。文獻[2]應用電波暗室產生射頻電磁場，對電能表進行試驗并開發自動測試軟件，通過計算機控制電磁場場強變化，但是電波暗室的建造成本和難度都很高，故不宜推廣。文獻[3]運用GTEM橫電磁波傳輸室進行電能表射頻電磁場的試驗，但是在電能表空載時，需要人工記錄液晶屏上的數據，工作效率低且容易出錯。對此，文中提出采用GTEM室代替傳統的電波暗室，進行電能表射頻電磁場抗擾度試驗的方法，運用網絡攝像機、圖像處理技術和BP神經網絡對試驗過程中電能表液晶屏上的數字進行實時識別和記錄，以解決試驗過程中由于人工觀察記錄數據所帶來的問題。

1 自動測試系統平臺構成

電能表射頻電磁場輻射抗擾度試驗自動測試系統的組成，如圖1所示。

圖1 自動測試系統組成Fig.1 Automatic detection system composition

（1）信號發生器

信號發生器配有標準的GPIB智能儀表接口卡，可執行脫機、聯機操作，即手動、自動操作。聯機操作時可接收計算機發出的命令，并執行相應的頻率、相位及輸出電壓操作。該系統選用IFR公司的2023標準信號發生器，輸出頻率為9 kHz～2.05 GHz。

（2）功率放大器

功率放大器用于完成信號的放大處理，并將其送到GTEM室。采用美國AR公司的10 W 1000C型功率放大器。

（3）GTEM 室

根據同軸及非對稱矩形傳輸線原理設計GTEM室，綜合了電波暗室裝置、開闊場地測量、屏蔽室與半屏蔽室等的優點，具有良好的高低頻特性，以極高的性價比進行輻射敏感度及輻射發射試驗。GTEM室接收功率放大器的輸出信號，形成所需的電磁場，場強可由場強探頭測出。為避免內部電磁波的反射及產生高階模式的諧波，將其設計成尖劈形，尖劈底部為長方形，內部可以放置電能表進行試驗[4]。其結構如圖2所示。

圖2 GTEM室結構Fig.2 GTEM cell structure

（4）測試探頭

測試探頭用于檢測GTEM室內的電磁場場強，并將此三維場強信號的電平值（模擬信號），通過專用插頭與電纜傳送到場強測量儀進行分析。

（5）場強測量儀

場強測量儀用于接收測試探頭輸入的模擬信號，對信號加工處理，在液晶屏上顯示GTEM腔體中探頭位置處的動態場強值。它可以通過GPIB接口與計算機相連，將其場強的數據值送計算機進行處理。

（6）網絡攝像頭

網絡攝像頭用于采集電能表液晶屏上的圖像信息，通過RJ45網口與計算機相連。計算機可以通過局域網接收網絡攝像頭采集到的實時流數據。該系統采用大華DH-PTZ81230F型攝像頭。

信號發生器、場強測量儀的GPIB接口，通過電纜級連的方式匯入GIPB接口板的GIPB接口上，系統在不同的GIPB地址區分這幾種儀器。

GIPB是一種并行的與儀器相接的小型標準接口系統，總線用24芯的標準接口插座，其中有16條信號線、8條地址線。在16條信號線中，有8條數據線、5條管理線、3條信號交互線或稱掛鉤線。GIPB標準將總線接口功能分為10種，分別定義了其工作方式和定時關系，以三線掛鉤的方式工作，可以很方便地控制儀器的工作狀態和從儀器讀取數據[4]。

計算機通過GIPB卡控制信號源產生一定類型、頻率和幅值的信號，信號源產生的信號通過功率放大器放大，通過同軸電纜饋入GTEM小室，在GTEM室能建立電磁場。GTEM小室內的場強由場探頭變為電信號，通過場強測量儀測量它的大小，場強測量儀通過GIPB接口將場強數據輸入計算機內。測量的場強值和標準規定的數值進行比較，通過信號源調整它的大小直至達到標準規定的數值。

2 電能表數字識別系統原理

2.1 電能表液晶屏數字識別流程

電能表數字自動識別流程如圖3所示，整個系統流程包括圖像的獲取、流媒體的格式轉換、數字識別。其中，流媒體的格式轉換是為了實現系統的實時性，先將原始的碼流通過回調函數輸出為YUV色度圖像，然后轉換為可供后續處理的RGB圖像格式，并放入計算機緩存空間，再運用數字識別算法，對電能表液晶屏上的數字進行實時讀取[5]。

圖3 系統流程Fig.3 System flow chart

2.2 圖像預處理

由于被檢電能表的類型不同，采用自動分割的方式獲得電能表的顯示區域，尚不能完全實現自動分割。為了實現更強的兼容性，該程序使用人工選取的方式對需要進行數字識別的區域分割出來。

首先，劃分采集到的視頻圖像，用鼠標選取被識別區域（即電能表液晶屏中需要被識別的數字），并保存該區域的坐標，以便實時獲得該區域圖像信息。數字區域的定位結果如圖4（a）所示。

得到數字區域后，再對圖像進行高斯濾波，以去除圖像中的噪聲。為了方便后續的圖像處理，使得后續處理更加快速，再對圖像進行二值化處理，結果如圖4（b）所示。

通過高斯濾波和二值化處理，雖然可以去除或減輕部分噪聲，但不能完全濾除。在此，采用二值形態學的基本運算，以去除這些圖像中殘留的噪聲。先對圖像進行閉合運算，可以濾除字符中的黑色噪聲，再運用1×7的矩形結構元素對其進行膨脹運算，由此填補圖像中的空洞，得到的圖像如圖4（c）所示。

圖4 圖像的預處理Fig.4 Image preprocessing

2.3 數字區域的分割

數字分割采用檢測連通域的方法進行分割，運用opencv中的findContours函數檢測圖像中的所有連通域，檢測出的連通域會以一系列的點來描述，獲取最外層的輪廓。然后，遍歷所有檢測到的輪廓，用BoundingRect函數獲得每1個輪廓的最小外接矩形，結果如圖5所示。

圖5 數字分割結果Fig.5 Digital segmentation result

因為尋找輪廓算法，得到的并不是根據數字位置排列好的有序輪廓，分割出來的數字是亂序的。因此，需要對數字的排列位置進行重新排序：在提取輪廓時，按照數字X坐標的大小對提取出的輪廓進行有序的命名和存儲，以便后續數字識別。

2.4 基于BP神經網絡的數字識別

BP神經網絡又稱為誤差反向傳遞神經網絡，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播2個過程組成。其體系結構如圖6所示，分為輸入層、隱藏層還有輸出層[6]。

圖6 BP神經網絡體系結構Fig.6 BP neural network architecture

圖中，輸入層各神經元負責接收來自外界的輸入信息，并傳遞給隱藏層；隱藏層是內部信息處理層，負責信息的變換，根據信息變換的需求，中間層可以設計為單隱藏層或者多隱藏層結構；最后1個隱藏層將信息傳遞到輸出層，就完成了一次信息的正向傳播，由輸出層向外界輸出信息處理結果。

如果實際輸出與期望的輸出不相符，則進入誤差的反向傳播階段：誤差通過輸出層，按誤差梯度下降的方式修正各層的權值，向隱層、輸入層逐層反傳，經過不斷地正向傳播和反向調整，使得輸出的結果與期望的結果盡可能得接近。當輸出層的誤差減小到可以接受的程度，訓練結束。

2.4.1 BP神經網絡的設計

BP神經網絡的具體實現需要確定輸入輸出神經元數、隱藏層數、隱藏層中神經元數。

1）輸入層神經元數。輸入層神經元的數根據待識別的數字網格像素決定。該系統對數字都進行了歸一化處理為25×45的像素，故取其輸入層數為1125個。

2）輸出層神經元數。該系統要識別的是0—9這10個數字，采用8421碼對其進行分類，即對于輸出“0”，用輸出向量（0.0.0.0）表示；對于輸出“1”，用輸出向量（0.0.0.1）表示；依此類推，對于輸出“9”，用輸出向量（1.0.0.1）表示，由此可以確定輸出層的神經元數為4個。

3）隱藏層數。隱藏層的層數越多，神經網絡的訓練速度就越慢。根據kolmogorov定理，在合理的神經結構和恰當的權值條件下，1個3層BP神經網絡就可以對任意非線性函數進行逼近，基于此文中采用1個3層隱藏層的BP神經網絡。

4）隱藏層神經元數。隱藏層神經元數根據神經網絡收斂性好壞來決定。在總結了大量網絡結構的基礎上，得出經驗公式

式中：m為輸入層神經元數，個；n為輸出層神經元數，個；a為1～10之間的調節常數。依據此公式，選取隱藏層的神經元數為36個。

2.4.2 BP神經網絡的訓練

文中使用OPENCV的layerSizes函數，設置了含有3個隱藏層的網絡結構：輸入層、3層隱藏層、輸出層。其中，輸入層有1125個神經元，隱藏層有36個神經元，輸出層有4個。學習函數使用sigmoid函數，允許的輸出誤差為0.02～0.2。訓練結束后，可將學習過程中得到的信息存儲在連接權中，進行數字識別時直接調用這些連接權值，從而縮短識別周期并準確識別每一個數字。

3 系統軟件

電能表射頻電磁場抗擾度自動檢測軟件，主要驅動程序開發模塊、庫管理模塊、測試模塊、數字圖像處理識別模塊、數據管理模塊組成。其軟件界面如圖7所示。

圖7 軟件界面Fig.7 Software interface

驅動程序開發模塊負責底層與硬件的通信，程序通過GPIB卡向儀器發送命令，實現儀器控制、狀態查詢和數據讀取，處于其上層的是儀器的程控命令。不同GPIB卡的驅動程序不同，不同儀器的控制命令也不同，如果將某種GPIB驅動和某一儀器的控制命令直接寫入程序，則在更改GPIB卡和儀器時必須修改主程序，而不具有通用性。因此，在GPIB卡和儀器程序程控命令上，利用驅動開發測試模塊屏蔽掉硬件的差別，以動態鏈接庫的形式為測試模塊提供標準和統一接口的儀器驅動程序。

測試模塊為可執行的程序，通過儀器驅動程序實現儀器的控制、數據采集。通過此模塊設置試驗需要的射頻電磁場場強和頻率范圍。

數字圖像處理識別模塊完成對試驗過程中電能表液晶屏上的數字識別，并保存試驗過程中的液晶屏數值。

數據管理模塊可以將測試結果按照用戶要求以Microsoft word格式輸出，用戶既可以在計算機上瀏覽以前的報告，也可以選擇打印測試結果。

4 結語

自動檢測系統將計算機視覺技術引入到檢測過程中，改變了傳統的電能表射頻電磁場抗擾度試驗方法，不僅極大地減輕了試驗過程中的工作量，還提高了試驗數據的準確性，且該系統具有開發成本低，配置靈活，維護升級容易等諸多優點。

參考文獻：

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