樂堅浩

摘 要：分析了變電站高壓開關柜弧光產(chǎn)生原因，構(gòu)建了基于圖像分析的高壓開關柜電弧光實時監(jiān)測及預警系統(tǒng)。闡述了異常強光的圖像分析算法、系統(tǒng)整體設計方案以及各個子系統(tǒng)的設計方法。對變電站高壓開關柜內(nèi)電弧光等異常強光實時監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)異常強光時發(fā)送告警信息，具有較高的實用價值。

關鍵詞：開關柜；弧光；圖像分析；實時監(jiān)測

DOIDOI：10.11907/rjdk.171054

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）007-0103-03

0 引言

高壓開關柜是電網(wǎng)運行系統(tǒng)中起通斷、控制或保護作用的重要電器設備，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著重要作用。大功率用電造成的事故原因是高壓開關柜由于溫度過高以及弧光故障使系統(tǒng)短路。高壓開關柜內(nèi)部電弧燃燒產(chǎn)生的巨大能量可引起火災、輻射等安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。對高壓開關柜內(nèi)弧光進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常狀況及時預警和告警，實現(xiàn)對無人值守變電站高壓開關柜運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，以提高高壓開關柜的運行可靠性，及早發(fā)現(xiàn)和處理設備異常情況 [2]，降低和避免停電事故發(fā)生。

1 開關柜弧光產(chǎn)生原因

開關柜運行中發(fā)生的大量電弧光故障，多是由于環(huán)境條件影響，使絕緣材料受潮，設備絕緣表面產(chǎn)生凝露和附著污穢，使設備絕緣水平下降 [3]。在產(chǎn)生嚴重的電弧光之前，開關柜內(nèi)部存在一些放電現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是溫度測量發(fā)現(xiàn)不了的。因此對開關柜放電進行監(jiān)測，對于開關柜的故障綜合診斷、前期預警以及電弧光監(jiān)測，保護人員和設備安全具有非常重要的意義[4]。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，分為前端設備層、服務層和應用層3層。

前端設備主要是高壓開關柜和視頻采集設備，如攝像機及所需傳感器。由攝像機采集的實時圖像經(jīng)由IP網(wǎng)絡傳輸?shù)椒諏印７諏又饕撠熞曨l圖像的檢測分析，分析結(jié)果的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、控制以及與客戶端的通信。應用層為中心平臺部署的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對所有變電站高壓開關柜狀態(tài)進行統(tǒng)一管理、實時監(jiān)控、告警聯(lián)動處理、歷史事件回放等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)服務層設計

3.1 服務端流程

服務端通過視頻設備每隔2秒鐘獲取高壓開關柜內(nèi)實時圖像數(shù)據(jù)，獲取到每一幀圖像數(shù)據(jù)后，采用圖像分析技術(shù)計算出該幀圖像的亮度值。如計算得到的亮度值過大，說明高壓開關柜內(nèi)發(fā)生了異常亮光現(xiàn)象，將該異常亮光告警發(fā)送到系統(tǒng)客戶端，將告警信息存儲到數(shù)據(jù)庫，同時將該幀圖像保存起來，供歷史告警信息查看，具體流程如圖2所示。

3.2 圖像亮度算法實現(xiàn)

常用的顏色空間模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、Lab模型和YUV模型等。系統(tǒng)采用RGB顏色空間作為算法實現(xiàn)方法。圖像亮度本質(zhì)上是每個像素的亮度，每個像素的亮度本質(zhì)上是RGB值的大小，RGB值為0的像素點為黑色，RGB都為255時像素點最亮，為白色。在RGB模型中，每種顏色出現(xiàn)在紅、綠、藍的原色光譜分量中，這個模型基于笛卡兒坐標系統(tǒng)，所考慮的彩色子空間是圖3所示的立方體。圖3中，R、G、B位于3個角上；青、深紅和黃位于另外3個角上，黑色在原點處，白色位于離原點最遠的角上。在該模型中，灰度等級沿這兩點的連線分布[5]。

檢測亮度方法是計算圖片在灰度圖上的均值和方差。當存在亮度異常時，均值會偏離均值點（可以假設為128），方差也會偏??；通過計算灰度圖的均值和方差，就可評估圖像是否存在過亮或者過暗，代碼如下：

for（int i=0；iheight；i++） {

for（int j=0；jwidth；j++） {

scalar = cvGet2D（gray，i，j）；

sum += （scalar.val[0]- 128）；

int x= （int）scalar.val[0]；

ls[x]++；

}

}

avg = sum/（gray->height * gray->width）；

for（int i=0；i<256；i++） {

total += abs（i-128-avg）* ls[i]；

}

mean = total/（gray->height * gray->width）；

double cast = abs（avg/mean）

將圖像灰度化后，得到圖像指針 IplImage * gray；遍歷圖像，cast為計算出的偏差值，小于1表示較正常，大于1表示存在亮度異常；當cast異常時，avg大于0表示過亮，avg小于0表示過暗 。

3.3 通信協(xié)議

系統(tǒng)使用http 協(xié)議和UTF-8格式傳輸數(shù)據(jù)，HTTP協(xié)議承載于TCP協(xié)議之上，有時也承載于TLS或SSL協(xié)議層之上。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為UTF-8格式后再轉(zhuǎn)發(fā)。下面給出http 消息的C構(gòu)造方法：

int BuildHttpRequestMsg（PHTTPMSG hmsg，char *req，char *host，char *body，int bsize）

{

hmsg->type = HTTPPOST；

strcpy（hmsg->req，req）；

hmsg->reqsize = strlen（hmsg->req）；

hmsg->version = HTTP11；

strcpy（hmsg->host，host）；

hmsg->hostsize = strlen（hmsg->host）；

strcpy（hmsg->content_type，"application/xml"）；

hmsg->content_typesize = strlen（hmsg->content_type）；

strcpy（hmsg->connection，"Keep-Alive"）；

hmsg->connectionsize = strlen（hmsg->connection）；

hmsg->bodysize = bsize；

strcpy（hmsg->body，body）；

return 0；

}

PHTTPMSG 為http 消息結(jié)構(gòu)體。

3.4 多線程異步通信

由于開關柜變電站高壓開關柜數(shù)量龐大，且需要同時對這些開關柜進行圖像分析，因此，系統(tǒng)采取多線程方式來處理這些事務，以此提升整體處理性能。采用多線程異步通信方式，服務端會循環(huán)獲取高壓開關柜視頻圖像。每獲取一幀圖像，就將該圖像拋給事先準備好的線程池作視頻分析。圖像分析完成后，再將分析結(jié)果分發(fā)給數(shù)據(jù)存儲線程及發(fā)送到客戶端線程，以提高視頻分析效率。多線程工作模式如圖4所示。

3.5 視頻采集方案

系統(tǒng)使用SDK方式采集前端視頻。SDK是監(jiān)控卡廠家提供的開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一組庫函數(shù)。使用SDK庫函數(shù)，用戶可以在不了解視頻壓縮、回放、網(wǎng)絡傳輸?shù)燃夹g(shù)前提下進行視頻程序開發(fā)。為了兼容多個廠家的視頻設備，系統(tǒng)對SDK進一步封裝，形成新的SDK開發(fā)包以訪問多個廠家視頻設備。

4 應用層客戶端設計

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，使用VS2008開發(fā)。為了更加及時觀測到告警信息，客戶端采用聯(lián)動告警技術(shù)，將接收到的告警信息連同視頻信息顯示在客戶端界面?？蛻舳司哂邢到y(tǒng)配置、實時告警信息展示、歷史信息查詢、實時視頻顯示等功能?？蛻舳斯δ苋鐖D5所示。

4.1 告警聯(lián)動

當客戶端接收到服務端發(fā)送的告警信息時，客戶端解析出是哪個開關柜產(chǎn)生的告警信息，進而自動打開開關柜視頻。同時，發(fā)生異常強光告警的圖像信息也會發(fā)送到客戶端顯示。監(jiān)控室工作人員根據(jù)異常強光圖像和實時視頻判斷是否需要對該高壓開關柜進行維修。

4.2 基于組態(tài)的圖形化展示

客戶端提供友好的圖形化人機界面，當有告警信息時，開關柜上方監(jiān)控指標前的黃點會閃爍。右擊攝像頭圖標，點擊“打開視頻”菜單，可預覽開關柜內(nèi)實時視頻。

5 結(jié)語

高壓開關柜是必不可少的電力設備，是輸電網(wǎng)絡有效運行的前提。本文針對弧光短路故障導致工作人員傷亡和變電站高壓開關柜設備受損問題，采用圖像分析技術(shù)，實時獲取高壓開關柜內(nèi)圖像，計算圖像亮度，進而判斷是否有弧光等異常強光現(xiàn)象。構(gòu)建了基于圖像分析的高壓開關柜內(nèi)異常強光監(jiān)測系統(tǒng)，當檢測到有異常強光現(xiàn)象，立即將告警信息發(fā)送到客戶端，監(jiān)控人員立即作出相應維修決策。通過檢測弧光信息還可提供故障定位功能，以幫助尋找故障點并進行維修，盡快恢復供電。本系統(tǒng)對變電站開關柜的故障診斷及維護具有較大幫助，具有預警作用，可降低經(jīng)濟損失。

參考文獻：

[1] 張杰，馬宏偉.礦用高壓開關柜的弧光監(jiān)測與保護系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（11）：141-144.

[2] 楊 奕，廖仕利，張柏年，等.一種新型高壓開關柜弧光檢測與保護方案設計[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015，29（9）：111-115.

[3] 歐居勇，張?zhí)K川，陳 琳，等.基于開關柜局部放電智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[J].華中電力，2012，25（3）：8-10.

[4] 劉柳.高壓開關柜故障診斷系統(tǒng)研究[D].成都： 西南交通大學，2012.

[5] 于勇.基于局部放電監(jiān)測的高壓開關柜狀態(tài)檢修的應用與研究[D].北京：華北電力大學，2013.endprint