基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統設計

謝洪峰，毛俊強，羅冬明

（1.國網浙江省電力有限公司江山市供電公司，浙江衢州 324000；2.衢州光明電力工程有限公司，浙江衢州 324000；3.杭州志迅科技有限公司，浙江 杭州 310010）

在電力系統與信息技術不斷發展的背景下，電網的安全穩定運行離不開電網線路的及時檢修，電網線路的檢修流程包含很多線路檢修信息，一旦發生線路故障，電網系統在運行過程中會發生中斷，系統中的各類設備（例如檢修設備、變壓器、故障診斷設備等）將產生不同程度的損壞，給電網系統帶來安全隱患，因此，要實時對電網線路進行檢修，如果出現安全隱患，及時預警，降低由于線路故障而造成的損失。電網線路預警系統可以在線路出現故障的第一時間進行自動預警，使線路維修人員及時發現線路故障，并及時維修，保證電網系統的安全穩定運行[1-2]。

文獻[3]開發了一種基于行波技術的電力線路絕緣故障預警系統，分析了絕緣子的劣化過程和污閃機理，查找線路問題點，對局部放電的絕緣子定位精度高；文獻[4]為切實推行發電設備狀態檢修方式，應用了利用相似性原理的建模技術，闡述故障預警系統在線路狀態檢修中的有效應用。

為了解決以上問題，該文設計了基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統，以實現對故障線路的控制與預警。

1 系統硬件設計

線路檢修流程自動預警系統硬件結構如圖1所示。

圖1 線路檢修流程自動預警系統硬件結構

根據圖1 可知，該文提出的硬件在原基礎上加入了三個DMA，同時引入預警模塊和控制模塊完成信息控制。

1.1 采集電路設計

圖像采集電路中使用的數字圖像傳感器為三星公司生產的OV7620，該傳感器具有較高的分辨率與集成度，在該數字圖像傳感器的內部設有A/D 轉換器。對電網線路進行檢修時，采集大量的線路檢修圖像數據，因此，數字圖像傳感器需要采集的線路檢修圖像數據量較大，以此采用圖像緩存技術，將320×240 圖片的數據存儲量由7.98 kB 擴展為9.32 kB，在輸出像素點時可提升圖像輸出速度，大約提升40 ns[5-6]。采集電路圖如圖2 所示。

圖2 采集電路圖

觀察圖2 可知，采集電路圖內部包含4 個SS14，同時設置4 個電阻，連接一個PWR2.5。預警系統中的控制器通過SCL 控制線對數字圖像傳感器進行設置，當線路檢修預警系統發出預警信號時，電路中的模擬開關輸出水平同步信號，并將該信號變為高電平，直至電路中輸出1 個脈沖信號，當數字圖像傳感器的觸發器輸出端變為低電平時，傳感器寫入行像素數據并讀取線路檢修圖像數據，當圖像采集電路中出現兩個脈沖信號時，表示一幀線路檢修圖像采集成功，讀取一幀圖像后，通過SDA 信號使指針復位，開始下一次的線路檢修圖像采集[7-8]。

1.2 單片機設計

該文設計的線路預警系統的單片機為TI 公司生產的PIC16F877 單片機，單片機結構如圖3 所示。

圖3 單片機結構

根據圖3 可知，該單片機可在片內集成較多的外圍設備，功能較為強大，該單片機芯片具有40 個通道，分辨率為8 位，其片內包含1 個數模轉換器、1 個存儲容量為8 kb 的數據存儲器，同時，該單片機具有多個引腳與I/O 端口，其中，2 個引腳為線路檢修數據輸入接口，3 個引腳為線路檢修數據輸出接口，I/O 端口主要為線路檢修數據的輸入與輸出提供20 A的電流，可以驅動固態繼電器，并設有預警電路，預警電路采用聲音預警方式，聲音預警的集成芯片為TD 公司生產設計，其功耗較低、瞬時電壓范圍大、具有多種預警音響，當電路線路出現異常時，集成芯片的2 個管腳輸出異常電路線路電阻與音頻信號的頻率，以達到預警目的。該款單片機結構簡單，操作方便，性能較為穩定[9-11]。

將經過放大后的線路預警信號輸入到單片機的輸入端，在數模轉換器內進行分析與轉換，當單片機的輸入端電壓小于輸出端電壓時，說明線路正常，無短路或過載現象出現；當單片機輸入端電壓高于輸出端電壓時，說明線路出現異常，有故障發生時，可能出現線路短路或電流過載現象，這時，單片機通過輸入端的電阻進行預警，通過輸出異常電壓進行預警。

1.3 控制器設計

該文預警系統的控制器采用ST 公司生產的STM32F 微控制器，控制器結構如圖4 所示。

圖4 STM32F微控制器結構

觀察圖4 可知，控制器具有16 位ARM 內核與存儲容量為256 kB 的閃存存儲器，控制器的芯片規格為STM32F103RBT6，其工作電壓為4.8 V，工作電流為1.3 A，在控制器內部設有RS232 通信接口與外部時鐘，RS232 通信接口主要用來與單片機進行異常線路數據的傳輸，其芯片為MAX232，可接收圖像采集電路傳輸過來的圖像數據，圖像數據與異常線路數據一并存儲到閃存存儲器內，以便線路檢修人員及時查看[12]。

當電路線路出現短路或者其他異常情況時，電路線路的瞬時電壓為7.8 V，會超過控制器芯片的瞬時電壓，異常線路電流將由1.3 A 迅速上升到25 A，為了對異常線路進行控制，利用32 位雙向總線收發器將7.8 V 電壓轉換為4.8 V 電壓，通過采樣電阻將異常線路電流信號轉換成電壓信號，再將電壓信號傳輸到控制器的輸出端，利用光耦進行隔離保護，隔離保護完成后調整控制器的外部時鐘頻率，由原來的18 MHz 調整到36 MHz，并對其進行手動復位，完成對異常線路電壓、電流的控制[13]。

2 系統軟件設計

在基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統硬件設計的基礎上，采用機器視覺技術對系統軟件進行設計，系統軟件流程如圖5 所示。

圖5 預警系統軟件流程

假設疑似線路異常點為n個，線路總數為k，在電網系統含有噪聲與干擾的環境下對k條線路進行異常判斷，設判斷出的異常線路點為m，對疑似線路異常點與判斷出的異常線路點進行對比分析，對重疊異常線路點與非重疊異常線路點進行標注，分別進行異常定位，定位函數為：

式中，Wn表示采集到的異常線路像素點；δm表示拍攝到的異常線路點的形態信息；yn+1表示第n+1 個疑似異常線路點的誤差權值；x表示電路異常點。通過該線路異常點定位公式可定位出電路中存在的異常線路[14-16]。

第二步，判斷通信狀態。如果電網通信系統處于正常的運行狀態，則服務器顯示為正常，如果電網通信系統處于中斷狀態，則服務器顯示為中斷。由于服務器會受到網絡、線路等的影響，無法顯示電網通信系統的狀態，因此該文基于式（1）建立了電網通信系統狀態顯示公式：

式中，Zn表示電網系統狀態的判斷結果；Am表示異常線路點為m時電網系統處于運行狀態；Bk+1表示在k條線路下電網系統處于中斷狀態。

第三步，對定位的異常線路進行預警。在電網通信系統狀態處于運行的條件下，對定位的異常線路進行預警，預警公式如下：

其中，T表示預警結果；U表示采集到的預警電壓，以此提示線路檢修人員及時對異常線路進行維修，從而解決線路故障。

3 實驗研究

記錄A、B 兩個變電站，設置變電站A 內部的電容為10 000 pF，變電站B 的電容為5 000 pF，在兩個變電站之間安裝測量裝置，變電站之間的實驗線路連接線長度為45 m，在傳感器和其他裝置之間，用線路連接，保證線路長度為15 m，實驗現場裝置連接圖如圖6 所示。

圖6 現場裝置連接圖

圖6 顯示了絕緣子并聯氣隙電路，用于模擬絕緣子在實際環境中的工作狀態，保證實驗電路局部放電的真實性。絕緣子內部采用并聯連接，空氣間隙示意圖如圖7 所示。

圖7 空氣間隙示意圖

根據圖7 可知，絕緣子下端與地面連接，上端為高壓端，這樣的連接方式不僅能夠更好地實現絕緣子的局部放電，同時能夠防止絕緣子在工作過程中出現貫穿閃絡。

在完成現場裝置布置后，對電源電壓進行調節，設置現場裝置電路電壓為110 kV，利用絕緣子實現局部放電。同時，使用基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統、文獻[3]方法、文獻[4]方法三種系統進行定位，在預警主機上觀察定位結果。

變電站A 的定位結果如圖8 所示。

圖8 變電站A定位結果

觀察圖8 可知，在第0.45 s，故障位置開始出現波動，該文提出的自動預警系統能夠在0.45 s 預測到故障位置，然而傳統的文獻[3]方法和文獻[4]方法反應時間過慢，無法在0.45 s 預測到故障位置發生變化。

變電站B 的定位結果如圖9 所示。

根據圖9 可知，該文提出的自動預警系統始終與實際故障位置相差較小，在1.1～1.6 s，定位故障與實際故障位置基本保持一致，定位能力極強。而文獻[4]方法定位誤差在0～0.5 s 與實際位置相差較大，在0.6 s 之后與實際位置相差在0.5 m 左右。文獻[3]方法始終與實際位置相差過大，難以滿足實際運行要求。

圖9 變電站B定位結果

4 結束語

該文將機器視覺技術應用于電網線路檢修預警領域中，設計了基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統，實現了電網線路數據的采集與控制，并對電網線路故障進行了預警，在線路預警領域具有較高的應用價值。