基于機器視覺的隔離開關分合閘判別系統設計與應用

陳富國　陳曉東　蔡杰　陳亮　鄧冠男

摘 要：本文設計了一套基于機器視覺的隔離開關分合閘位置判別系統，實現隔離開關分合閘狀態的精確判別，與傳統輔助開關接點實現隔離開關分合閘位置的方式形成非同源的位置“雙確認”判據，為一鍵順控操作提供輔助判別支撐，同時針對變電站現有隔離開關分合閘位置判別設計了改造方案?，F場運行證明，本文設計的系統具有較好的穩定性、準確性和可靠性，對一鍵順控技術的實施起到了一定的推動作用。

關鍵詞：隔離開關;分合閘位置雙確認;機器視覺;一鍵順控操作

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0006-04

Design and Application of Discriminating System for Opening and

Closing of Disconnector Based on Machine Vision

CHEN Fuguo1 CHEN Xiaodong2 CAI Jie1 CHEN Liang1 DENG Guannan3

（1. Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;2. Ganzi Power Supply Company of State Grid Sichuan Electric Power Company，Kangding Sichuan 626000;3. School of Sciences， Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012）

Abstract： In this paper， a position discrimination system based on machine vision sensing is designed to accurately identify the opening and closing status of the disconnector， and a non-homologous position "double confirmation" criterion is formed by realizing the opening and closing position of the disconnector with the traditional auxiliary switch contacts， which provid auxiliary discrimination support for one-key sequential operation， at the same time， a retrofit scheme is designed for the discrimination of the opening and closing positions of the existing isolating switches in the substation. The field operation shows that the system designed in this paper has good stability， accuracy and reliability， which plays a certain role in promoting the implementation of one-key sequence control technology.

Keywords： disconnector;double confirmation of opening and closing positions;machine vision;one-key sequence control operation

國內高壓隔離開關位置常采用遙控信號及現場人工觀測判斷分合是否到位[1-2]，這種方法容易受到觀測者的主觀影響，工作效率低。對于無人值守站來說，遙控操作現場通常無法進行人工確認。目前，一些站采用圖像識別、壓力傳感等方法輔助判斷隔離開關位置狀態，但上述位置監測方法在穩定性、準確性及適應性等方面仍存在較多問題，例如，壓力傳感法設備安裝困難、無法實現不停電部署及更換，微動開關法觸頭易磨損、氧化。現有隔離開關分合閘位置監測方法具有一定的局限性，人們需要尋找新的技術方法和技術手段，實現分合閘位置的精確判斷。

隨著科學技術的不斷發展，機器視覺及人工智能技術不斷取得突破，其在交通、安防、無人機、機器人和虛擬現實等領域廣泛應用，表現卓越，為隔離開關分合閘位置判別提供了一種新的重要思路。本文基于機器視覺技術設計了一套隔離開關分合閘位置判別系統，實現隔離開關分合閘狀態的準確判別，為一鍵順控操作的實施提供支撐。

1 系統架構設計

一鍵順控是指操作項目軟件預制、操作任務模塊式搭建、設備狀態自動判別、防誤聯鎖智能校核、操作步驟一鍵啟動、操作過程自動順序執行的變電站設備操作模式[3-5]。依據《電力監控系統安全防護總體方案》（國能安全〔2015〕36號）中的電力監控系統安全防護總體方案規定，本系統采用隔離裝置實現與I區的數據傳輸，保證數據可靠傳輸。老舊站改造時，新增或升級監控主機具備一鍵順控功能，新增或升級智能防誤主機具備一鍵順控校驗功能，新增或升級遠動網關機為主站側遠方一鍵順控做預留，新增智能判據系統，利用視頻圖像分析結果形成輔助判據，并以硬接點開入形式接入綜合測控裝置[6-7]。一鍵順控系統結構如圖1所示。

新增的智能判據系統部署在Ⅳ區，開關設備預操作時，一鍵順控主機通過正向隔離裝置下發視頻聯動信號。監控主機內置的防誤校驗與智能防誤主機形成防誤雙校驗。一鍵順控功能架構如圖2所示。

順控操作開始前，人們可以通過判據系統的視頻圖像對所有待操作設備進行操作前的狀態確認;順控操作開始后，每一步操作結果由監控系統將變位信號通知到智能判據系統，判據系統綜合圖像分析結果和傳感器電機電流曲線分析結果，給出“遙視+遙測”的綜合輔助判據，再回傳至監控系統，結合原有測控裝置遙信判據，形成開關、刀閘位置雙確認，以便自動執行下一步操作。

順控操作過程中，當判據條件不滿足時，系統會自動終止順控操作流程;當前端設備操作異常時，支持人工手動終止順控操作流程。另外，智能判據系統還可以對原有變電站視頻輔助監控系統的攝像機（滿足生產用視頻監視要求）進行利舊[8-9]。

2 基于機器視覺的隔離開關位置監測系統設計

2.1 基于機器視覺的順控流程設計

2.2 視頻分析設計

斷路器翻字牌、開關刀閘等一次設備狀態可通過視頻識別算法進行自動識別，并將識別結果通過隔離裝置發送給調度主站，實現數據交互，完成視頻確認功能。

組合電器式隔離開關分析的對象為翻字牌，人們可以通過攝像頭獲得操作機構翻字牌的圖像，由于翻字牌一般很小，所以抓拍圖片時要確保能完整清晰地看到翻字牌信息，上下左右偏角要小于30°。如圖5所示，首先放大圖像，然后對包含翻字牌的信息進行截圖，分析只包含翻字牌的最小區域，再分析翻字牌圖像，最后根據翻字牌是綠底白面的“分”字還是紅底白面的“合”字進行分析，如為前者則判斷狀態為“分”，如為后者則判斷狀態為“合”，若是中間狀態則判斷狀態為“異常”，若未分析識別則結果為“未識別”，結果保存圖片和返回值到指令。

刀閘視頻分析方法根據刀閘臂兩邊的絕緣子來框定分析區域，進而獲得刀閘臂的狀態。若兩個絕緣子間的刀閘臂組成一條直線，則判斷刀閘現在的狀態為連通，即為“合”;若絕緣子間沒有刀閘臂組成的直線，則判斷刀閘狀態為斷開，即為“分”;若是中間狀態，則判斷狀態為“異?！?若未分析識別，則結果為“未識別”，結果保存圖片和返回值到指令。在分析過程中，人們可以運用運動目標姿態測量技術，有效提高刀閘臂開合角度測量的準確度。隔離開關分析過程如圖6所示。

2.3 信號交互方式

圖像識別、普通視頻作為刀閘分合輔助判據，不需要對運行設備進行停電處理，減少人員現場再次確認，可實現靜態、動態實時遠程監視，提高設備的遠程監管水平。調度主機與順控視頻監控系統間的數據交互方式采用通信協議實現，具體流程如圖7所示。

2.4 判別邏輯設計

隔離開關位置遙信作為主要判據，采用分/合雙位置輔助接點，視頻圖像遙視判據作為輔助判據，隔離開關的狀態確認判斷邏輯如圖8、圖9所示。

3 工程應用設計

以遼寧省某110 kV變電站隔離開關雙確認改造為例，該站開關設備采用封閉式組合電器（GIS），視頻雙確認工程實施范圍主要涉及隔離開關的攝像頭立桿安裝，交換機、順控視頻主機及工作站的安裝。

3.1 布點原則

攝像機部署的點位選擇需要考慮攝像機布置的位置、高度，確保攝像機能完整地監視隔離開關的翻字牌等目標點，背景要求單一，不出現其他易干擾的物體，攝像機與翻字牌上下偏角不能小于30°，便于實現視頻分析功能。

另外，攝像機在對翻字牌進行抓圖時對對象的環境特別是光線有特別的要求，在進行抓拍時，若光線不足，則需要補光。具體要求如下：布點盡量選擇背光位置，云臺攝像機點位盡量通過不同預置位兼顧到2個以上隔離開關，形成隔離開關的監控點位互備;AIS隔離開關A、B、C三相監控畫面要求，分合閘操作過程中，視頻完整監控到隔離開關導電臂全景，監控畫面中隔離開關傾斜角度控制在30°～45°;翻字牌占攝像機畫面的比例應盡量大，畫面應清晰，能看清分/合字體。

該110 kV變電站隔離開關雙確認改造工程實施時采用固定槍機或微型攝像機對GIS隔離開關分合指示進行一對一監控，即可輔助人工遠方確認設備位置狀態，還可基于深度學習視頻分析算法，自動判斷隔離開關分合指示位置，將其作為一鍵順控輔助判據之一。現場攝像機安裝示意圖如圖10所示。

3.2 立桿原則

立桿時，要盡量與一次設備保持安全帶電距離，同時不能妨礙主通道的通行。桿塔要求采用熱鍍鋅材質，直徑≥40 mm，高<3 000 mm，壁厚≥2 mm，螺絲螺母均采用不銹鋼材質。

3.3 電源設計

順控視頻系統采用集中供電，從變電站的交流站用電屏引接兩路不同站用變的電源，每路電源均應滿足整套系統供電容量的要求，兩路電源應具備自動切換功能、互為備用，為順控視頻系統的各設備和裝置提供可靠的工作電源。AC220 V電源接入集中供電模塊后，輸出AC24V@5A，為攝像機提供可靠電源。順控視頻站端主機電源應引接變電站不間斷電源（UPS）電源。

4 系統特點分析

本文設計的基于機器視覺的隔離開關分合閘位置判別系統采用圖像判據，為順控操作開始前的待操作設備狀態確認提供依據，順控操作開始后，通過基于深度學習神經網絡分析算法對設備動作后的狀態進行識別，滿足遠方一鍵順控或站控層一鍵順控的雙確認要求。另外，智能判據系統可以在1區或3區靈活部署，通過串口與監控系統通信，通信效率高，判據回傳延遲小。智能判據系統還可以對原有變電站輔助視頻監控系統的攝像機（滿足生產用視頻監視要求）進行利舊，改造性價比高。

5 結語

為滿足國家電網公司第三代智能變電站技術發展需求，支撐一鍵順控操作的實施，本文從工程應用角度出發，設計了一套基于機器視覺的隔離開關分合閘位置判別系統，實現隔離開關狀態的精確判別與智能分析，保障變電站隔離開關狀態轉換的安全開展。

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