基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統設計分析

鄭業金，王爍焱，陳歡歡，高 媛

（山東棗礦中興電氣有限公司，山東 棗莊 277011）

0 引言

電網線路在電網系統中占據著重要地位，且線路檢修效率與質量會對系統運行安全性與穩定性產生較大影響，只有加強預警才能夠有效提升線路檢修效率，為此應根據研究結果分析如何在機器視覺的基礎上設計線路檢修流程自動預警系統。

1 機器視覺、線路檢修與自動預警概述

1.1 機器視覺

機器視覺技術是一門涉及人工智能、心理物理學、圖像處理、計算機科學以及模式識別等諸多領域的交叉學科，可以通過計算機模擬人的視覺功能并從客觀事物的圖像中提取關鍵信息，通過對信息的處理與分析進行相應的檢測與控制，具有功能多、信息量大、速度快等優勢。在應用該技術時需要充分發揮機器視覺系統的作用，即通過電荷耦合器件（charge coupled device, CCD）等機器視覺產品獲取被攝取目標的圖像信號，隨后通過圖像處理系統獲取目標的形態信息并根據像素分布等情況獲取目標的特征，最后根據判別結果控制現場的設備動作。

1.2 線路檢修

線路檢修指的是對線路進行巡視、檢測與試驗并根據發現的問題制定合適的方案，從而消除線路缺陷、預防線路出現事故、保障線路安全運行的過程。電網線路在運行過程中會受到運行環境、人為操作等諸多因素的影響，出現故障的可能性較大，而加強線路檢修可以及時發現線路的異常情況并且降低出現嚴重問題的概率[1]。

1.3 自動預警

預警即在問題發生前根據以往總結的規律或發現的前兆向相關人員發出緊急信號并報告危險情況，從而最大程度的減輕問題所造成的損失。自動預警指的是系統直接根據相關的數據信息以及分析結果發出預警信號，以便相關人員及時發現可能會出現的問題。

2 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統應用優勢

2.1 有利于提高線路檢修效率

在傳統檢修手段等因素的影響下，線路檢修的效率較低。而在機器視覺的基礎上設計線路檢修流程自動預警系統可以通過機器視覺產品直接獲取線路的圖像信息并根據圖像信息的處理結果自動判斷線路是否存在異常情況，且能夠通過聲音預警、燈光預警等信號進行相應的提示，有利于讓線路檢修人員及時發現線路異常，為后續檢修奠定基礎[2]。

2.2 有利于保障線路運行安全性

若線路出現故障將會產生一些安全隱患并對電網系統造成嚴重影響，科學設計基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統可以進一步優化線路檢修的流程以及方法，且可以為其他工作提供支持，有利于保障線路運行的安全性。

3 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統硬件設計

3.1 硬件結構設計

硬件設計是自動預警系統設計的重點內容，在設計過程中應綜合分析機器視覺的原理與特點以及自動預警系統的運行需求，之后優化整體的硬件結構。例如，可以將自動預警系統的硬件設計為三大模塊，即基礎模塊、中心模塊與關鍵模塊，將信息采集模塊、預警模塊與控制模塊納入基礎模塊中；將STM32F 微控制器、直接存儲器訪問（data memory access, DMA）DMA1、DMA2、DMA3、DMA4、DMA5 以 及 PIC16F877單片機納入中心模塊中；將數字信號處理器（digital signal processor, DSP）、按鍵、開關輸入模塊、開關輸出模塊以及中央處理器（central processing unit, CPU）模塊納入關鍵模塊中，從而完善硬件結構、加大信息控制力度。

3.2 采集電路設計

在進行基于機器視覺的自動預警系統設計時需要選擇合適的數字圖像傳感器并科學設計采集電路。首先，可以選擇OV7620 這種分辨率高、集成度高且內部含有A/D 轉換器的數字圖像傳感器。但進行線路檢修需要采集大量的圖像數據信息，對數字圖像傳感器的采集能力與存儲能力有較高的要求，因此在應用這種數字圖像傳感器時需要應用圖像緩存技術，通過這種技術手段擴展圖像數據存儲量、加快圖像輸出速度。其次，在明確數字圖像傳感器后需優化采集電路，例如，應在采集電路中設置4 個SS14 二極管、4 個電阻以及1 個PWR2.5 接口；通過SCL 控制線使控制器對數字圖像傳感器進行預設與控制；提高電路模擬開關的信號輸出水平，使開關能夠在接收到預警信號時輸出水平同步信號并將信號轉變為高電平；當數字圖像傳感器的觸發器輸出端轉變為低電平時，使傳感器自動寫入行像素數據并獲取檢修圖像數據；當采集電路中同時出現兩個脈沖信號就說明一幀線路檢修圖像采集成功。

3.3 單片機設計

單片機屬于集成電路芯片，是通過超大規模集成電路技術將中央處理器、隨機存儲器等硬件設施集成到一塊硅片上的微型計算機系統，在自動預警系統中的應用價值較高。在進行基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統硬件設計時應科學選擇單片機并優化具體設計。例如，在該系統中可以選擇PIC16F877 單片機，因為這種單片機將數模轉換器、數據存儲器等設備結合了起來，具有十分完善的功能，且具有40 個通道以及8 位分辨率。這種單片機的引腳以及I/O 端口相對較多，其中兩個引腳可以為輸入線路檢修數據提供接口，3 個引腳可以為輸出線路檢修數據提供接口，而I/O端口可以為線路檢修數據的輸入以及輸出提供電流并為固態繼電器提供驅動力。這種單片機也具有預警電路，可以通過聲音預警的方式進行提示，具有瞬時電壓范圍大、預警音響多、功耗低等優勢。一旦電網線路出現異常情況，集成芯片的管腳就會直接輸出異常線路的電阻以及音頻信號的頻率，從而進行預警。因此，在設計過程中需要在單片機的輸入端中輸入經過放大處理的線路預警信號，通過數模轉換器進行線路預警信號的分析與轉換，若分析結果為單片機的輸入端電壓小于輸出端電壓就說明電網線路處于正常運行狀態中，沒有出現短路或過載等問題；若分析結果為單片機的輸入端電壓大于輸出端電壓就說明電網線路處于異常運行狀態中，出現了短路或過載等問題[3]。

3.4 控制器設計

控制器在系統硬件中發揮著重要作用，而STM32F微控制器的結構較為合理、功能較為完善，所以在該自動預警系統中選擇這一款控制器[4]。從具體結構來看，STM32F 微控制器含有16 位ARM 內核以及存儲容量為256kB 的閃存存儲器，且其內部含有RS232 通信接口與外部時鐘，其中RS232 通信接口是與單片機相互連接的，可實現異常線路數據的傳輸。總之，STM32F 微控制器在運行過程中可有效接收由機器視覺系統傳輸的圖像數據并將這些數據與異常線路數據都存儲在閃存存儲器當中，線路檢修人員便可直接查看相關數據，增強線路檢修的準確性。但如果出現短路等異常情況，電網線路的瞬時電壓會達到7.8V，而這一電壓遠遠大于控制器芯片的瞬時電壓，且異常線路的電流也會在短時間內從1.3A 上升為25A。在這種情況下若想有效控制異常線路就需要將微控制器與32 位雙向總線收發器連接起來，通過收發器將7.8V 的電壓轉變為4.8V的電壓并通過采樣電阻將異常線路的電流信號轉變為電壓信號，之后將電壓信號輸送至控制器的輸出端，通過光耦實現隔離保護，最后再將控制器的外部時鐘頻率從18MHz 調整為36MHz 并通過手動復位這種方式對異常線路的電壓以及電流進行有效控制。

4 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統軟件設計

在完成系統硬件設計工作后需要進行軟件設計，增強系統的完善性與功能性。

4.1 軟件運行流程設計

在進行軟件設計時應先明確軟件運行流程，該系統軟件運行流程設計如圖1 所示。

4.2 異常線路定位設計

異常線路定位是軟件運行中的關鍵環節，所以在設計時應明確定位異常線路的原理。從實際情況來看，若假設有k 條線路、n 個疑似異常線路點，在電網系統中存在干擾與噪聲的環境中對這k 條線路進行異常判斷，假設所判斷出的異常線路點為m，在這種情況下對疑似異常線路點與判斷出的異常線路點進行對比分析并分別標注重疊與非重疊的線路點，隨后根據標注情況進行異常定位，該軟件可以通過定位函數進行異常線路的定位[5]。定位函數如式（1）所示。

式中：Wn——通過機器視覺系統所采集的異常線路像素點；δm——拍攝到的異常線路點的形態信息；x——線路異常點；yn+1——疑似異常線路點的誤差權值。

4.3 通信狀態判斷設計

一般情況下，需要根據服務器的顯示狀態判斷電網系統的通信狀態，即若服務器顯示正常則說明電網系統處于正常的通信狀態中，若服務器顯示中斷則說明電網系統的通信處于中斷的狀態中。但服務器會受到線路等諸多因素的影響，無法直接顯示電網系統的通信狀態，所以該自動預警系統需要根據式（2）進行通信狀態的判斷。

式中：Zn——電網系統通信狀態的判斷結果；Am——當異常線路點為m 時電網系統的通信狀態；Bk+1——在k條線路下電網系統的通信中斷狀態。

4.4 異常線路預警設計

若電網系統處于正常的通信狀態中，則該自動預警系統需要根據式（3）進行異常線路預警。

式中：T——異常線路預警結果；Zn——電網系統通信狀態的判斷結果；U——所采集的預警電壓。

在預警到異常線路后，線路檢修人員就要及時檢測異常線路的狀態并明確其具體故障，根據故障類型以及故障原因制定故障處理方案，避免造成嚴重后果。

5 基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統實驗驗證

為了驗證基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統，在兩個變電站中進行了實驗。其中一個變電站的電容為10000pF，另一個變電站的電容為5000pF，在實驗時在兩個變電站之間設置了測量裝置且將實驗線路連接線的長度控制在了40m 左右。在完成實驗現場的布置工作后將電路電壓調整為了110kV，隨后利用絕緣子進行局部放電并利用基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統進行異常線路的定位。在分析后發現，第一個變電站在實驗的第0.45s 時開始產生故障波動，而設計的自動預警系統可以在0.45s 時檢測到線路的故障位置。第二個變電站在實驗的第0.27s 時開展產生故障波動，而自動預警系統可以及時檢測到線路的故障位置。這就說明在機器視覺的基礎上設計線路檢修流程自動預警系統可有效采集線路的數據信息并及時對線路故障進行預警，在實際工作中發揮著重要作用[6]。

6 結語

機器視覺是一種較為先進的技術手段，可以為線路檢修流程自動預警系統提供技術支持，所以應深入研究機器視覺的應用并根據實際情況做好自動預警系統的硬件設計與軟件設計工作，完善系統的性能與功能，充分發揮這一系統在電網線路檢修中的作用，保障電網系統的穩定運行。