蔡 杰，陳富國,2，陳 亮，張浩哲

(1.平高集團有限公司，河南平頂山 467001；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西西安 712000 )

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)中對電壓和電流進行變換，接收及分配電能的場所，是電力系統(tǒng)的核心節(jié)點[1]。GIS(氣體絕緣金屬封閉開關，gas insulated metal enclosed switchgear)是變電站的重要高壓設備，采用全封閉結構，具有占地小、安裝方便、可靠性能高、開斷性能好等優(yōu)點，但設備容錯率低，故障點不易定位。在變電站實際運行中，由于GIS隔離開關觸頭合閘不到位而引起的絕緣擊穿事故時有發(fā)生。因此，電力用戶希望在倒閘操作時，能觀測并記錄隔離開關觸頭的運動過程，一方面作為分合是否到位的輔助判別手段，另一方面，可以在GIS發(fā)生內部故障時，迅速定位故障點[2-3]。

目前，大部分GIS設備在隔離開關觸頭位置留有人工觀察孔，但有些觀察孔處于高位，不便于人工巡視。整個變電站觀察孔數(shù)量多，人工檢查方法耗時耗力，極不方便。為解決上述問題，亟需研制一種監(jiān)測系統(tǒng)，在進行倒閘操作時，代替人眼觀察，并利用人工智能技術，對隔離開關分合位置狀態(tài)進行分析，輸出分析結果。

1 系統(tǒng)架構

基于機器視覺的隔離開關觸頭狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構分3層：采集層、網(wǎng)絡層、監(jiān)控層。系統(tǒng)架構見圖1。

采集層：每個GIS隔離開關觀察窗口安裝一個傳感執(zhí)行單元進行視頻圖像的采集。采集視頻進行H.264/H.265壓縮，以方便網(wǎng)絡傳輸。傳感執(zhí)行單元配置嵌入式邊緣計算模塊，以完成視頻圖像預處理、視頻圖像壓縮、智能分析、故障預警、網(wǎng)絡通信等功能。同時，為了保證密閉空間內圖像采集效果，每個傳感執(zhí)行單元配置補光裝置。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構圖

網(wǎng)絡層：采集層數(shù)據(jù)采用無線自組網(wǎng)方式傳輸，末端接入自組網(wǎng)網(wǎng)關，再以有線以太網(wǎng)方式，接入站控層交換機。硬盤錄像機從站控層網(wǎng)絡獲取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)視、錄像、回放、報警、控制、密碼授權等功能。為滿足靈活應用的需要，同時考慮不同的電磁場景，在需要視頻及聯(lián)動數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，支持有線以太網(wǎng)、光纖、WiFi等方式；在不需要視頻傳輸情況下，支持RS485、開關量等方式。

監(jiān)控層：由觸頭狀態(tài)監(jiān)測主機及其應用軟件組成，完成智能聯(lián)動、視頻數(shù)據(jù)管理、分析結果展示、預警信息管理等功能。

一個完整的工作流程是：當進行隔離開關遙控操作時(包括普通遙控和順控遙控操作)，在Ⅰ區(qū)主輔設備監(jiān)控主機向測控裝置下發(fā)遙控選擇指令前，應同時自動向Ⅳ區(qū)觸頭狀態(tài)監(jiān)測主機發(fā)送一次設備的遙控預置聯(lián)動信號，接收到聯(lián)動信息后觸發(fā)視頻攝像頭打開拍攝，同時開啟補光裝置。操作完成后，向Ⅳ區(qū)觸頭狀態(tài)監(jiān)測主機發(fā)送設備變位遙信信號，收到聯(lián)動信息觸發(fā)攝像頭和補光裝置關閉，并啟用智能分析。分析完成后，以協(xié)議方式輸出分析結果，同時傳輸給Ⅰ區(qū)主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)和Ⅳ區(qū)觸頭狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2 關鍵技術及實現(xiàn)

2.1 傳感執(zhí)行單元設計

傳感執(zhí)行單元采用一體化設計，是集CCD圖像采集處理、H.264/H.265壓縮、智能分析、補光控制、數(shù)據(jù)傳輸于一體的嵌入式裝置，其功能框圖如圖2所示，結構示意圖如圖3所示。

圖2 傳感執(zhí)行單元功能框圖

圖3 傳感執(zhí)行單元結構示意圖

視頻采集采用彩色CCD圖像傳感器，適應低照度環(huán)境，支持1080P@60、720P@60等分辨率，可實現(xiàn)彩色/單色自適應。視頻壓縮采用H.264/H.265實時編碼壓縮技術，支持CBR、VBR視頻編碼，傳輸帶寬需求可降至500 Kbps以下。

傳感執(zhí)行單元搭載智能分析模型，根據(jù)隔離開關分、合狀態(tài)圖像中所提取的特征，對隔離開關觸頭的實際位置進行智能分析。特別地，如果在隔離開關動、靜觸頭制造階段，通過特殊工藝對分閘到位、合閘到位的位置進行標記，就可以利用智能分析技術對分合閘是否到位做出精確判斷。

通信接口主要包括板載100M/1000M Ethernet、RS485接口和硬接點I/O接口。在電磁環(huán)境相對安全且不適合布線情況下，可以采用無線自組網(wǎng)模塊；而在電磁環(huán)境惡劣且需要傳輸視頻數(shù)據(jù)情形下，可利用光電轉換模塊實現(xiàn)光纖通信，分析結果和故障報警則通過硬接點形式輸出。

由于GIS隔離開關處于密閉殼體內，為了保證視頻采集質量，需要在視頻拍攝時，透過觀察窗加以補光。補光系統(tǒng)分2部分：一是傳感執(zhí)行單元內置補光燈，二是獨立補光裝置，二者分別安裝于兩個不同的觀察窗，在邏輯上實現(xiàn)聯(lián)動控制。如圖4所示，獨立補光裝置安裝于觀察窗活動蓋板內側，當活動蓋板關合時，接近開關檢測到信號，光源電源接通，補光燈打開，同時傳感執(zhí)行單元內置補光燈關閉；當需要人工目檢時，活動蓋板打開，接近開關檢測不到信號，光源電源斷開，補光燈關閉，同時傳感執(zhí)行單元內置補光燈打開。

圖4 聯(lián)動補光裝置安裝示意圖

GIS本體有2個隔離開關觀察窗，鑲嵌直徑為77 mm圓形加厚耐壓屏蔽有機玻璃，攝像頭拍攝光路與補光光路共用相對狹小的空間，補光光路對拍攝光路會形成很大干擾，從而影響視頻拍攝質量。為盡量減少和消除補光反射，對光路結構進行特殊設計。LED透過合理布置的正交偏振片改變平行光入射角度，同時，采用導光環(huán)將點光源改變?yōu)槊婀庠?，盡可能將補光導向觀察窗外沿，從而最大限度地減少有機玻璃中心部位(攝像頭安裝處)的反射光。

2.2 安裝結構設計

為了方便在現(xiàn)有結構上改造，傳感執(zhí)行單元的安裝利用GIS原有觀察窗，不需改變原有設計，只需重新設計觀察窗蓋板，增加其深度即可。安裝工裝結構如圖5所示，分為合頁支座、傳感器安裝蓋板2部分。

圖5 傳感執(zhí)行單元安裝結構示意圖

合頁支座部分包括轉動合頁、可拆卸螺栓，實現(xiàn)傳感器安裝蓋板的開合，可拆卸螺栓能方便完成手動鎖定和解鎖。傳感器安裝蓋板設置安裝傳感器的固定孔，用于傳感執(zhí)行單元的固定。傳感器安裝蓋板采用導電屏蔽密封圈、密封膠，實現(xiàn)整體的密封，防護等級可達到IP67。攝像頭最前部設置屏蔽玻璃。電氣接口采用航空連接器，方便現(xiàn)場連接。

2.3 電磁抗干擾設計

傳感執(zhí)行單元采用多級屏蔽結構，包括組件級屏蔽(電源及濾波組件)、PCB板級(視頻處理板)等，從結構設計和元件選型入手，采用多種電磁屏蔽措施。

2.3.1 電源電磁抗干擾設計

電源電磁抗干擾設計如圖6所示，主要設計要點如下：

(1)電源輸入套接高頻磁環(huán)和防波套管，減少VFTO帶來的瞬態(tài)高壓脈沖尖峰雜波干擾；

(2)AC/DC模塊前端接入隔離器，并設置高頻濾波網(wǎng)絡降低電源線傳導干擾；

(3)主控板直流供電及信號通過串接高頻磁珠，消除瞬態(tài)脈沖有可能對電路造成的損害；

(4)機殼地與信號地分離。

圖6 電源抗干擾設計示意圖

2.3.2 PCB電磁抗干擾設計

PCB電磁抗干擾設計要點如下：

(1)功能框圖布局，電源流向明晰，避免輸入、輸出交叉布局；

(2)先防護、后濾波，防護通道線寬≥50 MIL；

(3)一次直流在滿足安全規(guī)范需要的前提下，并行、相鄰布線，在相鄰層鋪銅；

(4)從一次直流輸入到二級DC/DC的輸入側，除對應 24 V/BGND/PGND 的平面外，所有電源、地平面挖空，接口電源對應區(qū)域無其他走線，尤其是共模線圈下方不準有任何走線、平面穿過；

(5)VCC輸出濾波電路靠近DC/DC的輸出布置；

(6)板內分支電源采用∏形濾波、LC濾波或DC/DC變換。

2.3.3 電磁屏蔽設計

系統(tǒng)從結構設計和元件選型入手，采取的主要電磁屏蔽措施包括：

(1)傳感執(zhí)行單元采用全封閉結構。鏡頭前為屏蔽玻璃，外殼為金屬，封口、封蓋采用導電橡膠帶；

(2)金屬殼可靠接地；

(3)接插件采用航空接頭，電源輸入采用軍用級濾波組件；

(4)信號輸入、輸出采用光隔離、磁隔離；

(5)采用光纖通信方式。

2.4 位置狀態(tài)判別算法

本系統(tǒng)傳感執(zhí)行單元配置視覺處理器，搭載智能分析模型[4-5]，能就地實現(xiàn)隔離開關分合閘位置判別，并以協(xié)議或硬接點方式反饋分析結果?；趫D像處理的位置狀態(tài)判別原理如圖7所示。

圖7 基于圖像處理的位置狀態(tài)判別原理示意圖

處理過程如下：

(1)針對訓練樣本，進行圖像預處理，包括灰度化處理、高斯濾波、低帽變換，其中：低帽變換可以檢測到圖像中的谷值，對補光燈下拍攝的圖像有較好的處理效果，可弱化背景特征，增強隔離開關觸頭部分紋理信息，預處理前的圖像如圖8所示，預處理后的圖像如圖9所示。

圖8 預處理前圖像

圖9 預處理后圖像

(2)在預處理圖像的基礎上，采用LBP算法提取紋理特征，并應用SVM或者其他機器學習算法，得到基于LBP特征的分類模型[6]。該分類模型，可以根據(jù)訓練樣本的不斷增加進行迭代優(yōu)化。

(3)分類模型裝載至硬件系統(tǒng)，當實時圖像采集至系統(tǒng)后，智能分析功能啟動。按照步驟(1)方式對待分析圖形進行預處理，然后按照步驟(2)方式對處理后的圖形提取LBP特征，最后調用分類器完成圖像分類，并按照程序輸出分析結果。

由于隔離開關觸頭的結構、觀察窗的位置是固定的，加之圖像背景單一(主要是封閉筒體內壁)，因此所采集的圖像相對穩(wěn)定。在位置狀態(tài)判別時，關鍵是提取觸頭位置的紋理特征，本文采用LBP特征向量進行提取[7]。其計算如式(1)所示。

(1)

式中：(xc,yc)為中心像素坐標；pc為其灰度值；pi為其相鄰像素的灰度值；S為符號函數(shù)算子。

S的表達式為

(2)

一個簡單的算例如圖10所示。

圖10 LBP算例

LBP主要實現(xiàn)步驟如下：

(1)首先將檢測窗口劃分為16×16的小區(qū)域(cell)。

(2)對于每個cell中的1個像素，將相鄰的8個像素的灰度值與其進行比較，若周圍像素值大于中心像素值，則該像素點的位置被標記為1，否則為0。這樣，3×3鄰域內的8個點經(jīng)比較可產(chǎn)生8位二進制數(shù)，即得到該窗口中心像素點的LBP值。

(3)然后計算每個cell的直方圖，即每個數(shù)字(假定是十進制數(shù)LBP值)出現(xiàn)的頻率；然后對該直方圖進行歸一化處理。

(4)最后將得到的每個cell的統(tǒng)計直方圖進行連接成為一個特征向量，也就是整幅圖的LBP紋理特征向量。

在完成特征向量提取以后，便可利用SVM或者其他機器學習算法進行分類[8-13]。

本文采用 LBP功能之間的誤差平方和(歸一化處理)來測量待識別圖像與目標模型之間的相似性，誤差平方和越小表示與目標模型的相似度越高。選用前文處理后的圖形，利用Matlab仿真，結果如圖11所示。直紋柱狀圖表示待分析圖像與分閘圖像的擬合，斜紋柱狀圖是待分析圖像與合閘圖像的擬合。對比發(fā)現(xiàn)：待分析圖像與合閘圖像的總體誤差平方和更低，說明待分析圖像的特征向量與合閘的特征向量更相似，可據(jù)此判斷待分析圖像為合閘狀態(tài)。這個仿真結果與實際結果是完全一致的，基于LBP紋理特征進行分合狀態(tài)判別是完全可行的。

2.5 通信方式設計

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，可靈活選用有線或無線方式。對于改造站，為避免現(xiàn)場電纜敷設帶來的施工困難問題，優(yōu)先選用無線自組網(wǎng)通信方式。自組織數(shù)據(jù)鏈設備連接現(xiàn)場傳感執(zhí)行單元，使其接入無線自組網(wǎng)并具備網(wǎng)絡路由功能，在網(wǎng)絡中承擔數(shù)據(jù)采集、中繼和網(wǎng)關的任務。特別地，在光纖網(wǎng)絡和電力專網(wǎng)無法直接覆蓋的盲區(qū)布置自組織數(shù)據(jù)鏈設備，可將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸至無線自組網(wǎng)網(wǎng)關。如果距離較遠，自組織數(shù)據(jù)鏈設備節(jié)點可先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線自組網(wǎng)中繼節(jié)點，再跳傳到無線自組網(wǎng)網(wǎng)關，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡盲區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。

采用自組網(wǎng)中的網(wǎng)狀傳輸方案，每個傳感執(zhí)行單元配置自組網(wǎng)傳輸設備，各單元之間通過自組網(wǎng)傳輸設備進行通信以及數(shù)據(jù)的傳輸，各單元采集的信息(包括監(jiān)控視頻、預警報警信息等)通過相鄰單元的自組網(wǎng)傳輸設備，將數(shù)據(jù)信息逐點回傳到自組網(wǎng)網(wǎng)關，最后接入監(jiān)控中心[14]。采用無線自組網(wǎng)技術，具有以下特點：

(1)高帶寬：最高帶寬1 750 Mbps，輕松實現(xiàn)300路1080P高清視頻和音頻并發(fā)傳輸。

(2)自組網(wǎng)，無基站，不需要主節(jié)點，無需任何流量費。

(3)強加密：集成2 048 bit隨機加密芯片，通過國密、軍密雙重認證，信息安全。

(4)部署方便：無需布線，有效解決施工難、布線難的問題，避免光纖插頭長期運行因振動造成的接觸不良、通訊中斷的問題。

(5)支持系統(tǒng)拓展：未來擴展接入方便，增加或刪除節(jié)點時，不影響其他節(jié)點的接入，可隨意選擇任何一個節(jié)點接入到自組網(wǎng)網(wǎng)關。

2.6 管理系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)主要流程如圖12所示。管理系統(tǒng)部署于安全Ⅳ區(qū)觸頭狀態(tài)監(jiān)測主機，功能上實現(xiàn)智能聯(lián)動、狀態(tài)監(jiān)視、告警管理、歷史記錄查看、設備管理、用戶管理等功能[15-17]。

圖12 軟件系統(tǒng)主要流程圖

3 工程應用及效果

該系統(tǒng)已在1 000 kV GIS產(chǎn)品上應用，GIS隔離開關外形如圖13所示。在隔離開關筒體外部，觸頭高度位置有2個觀察窗，分別安裝補光裝置、傳感執(zhí)行單元，安裝實物如圖14所示。在隔離開關操作過程中，能自動開啟本系統(tǒng)，對操作過程全程實時監(jiān)測；當分合結束后，系統(tǒng)啟動智能分析，并反饋判別結果，如圖15所示。

圖13 1 000 kV GIS隔離開關外形圖

圖15 觸頭分合位置監(jiān)測結果

4 結論

本文針對變電站GIS隔離開關觸頭位置監(jiān)測難度大，人工檢查效率低的問題，設計了智能聯(lián)動型觸頭狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用傳感執(zhí)行單元進行視頻圖像的采集，搭載智能分析模型，對隔離開關狀態(tài)進行自動分析判別。無線自組網(wǎng)的技術的應用和多級屏蔽措施，保證了系統(tǒng)在強電磁干擾環(huán)境中施工便捷，工作穩(wěn)定。系統(tǒng)在1 000 kV GIS產(chǎn)品上成功應用。該系統(tǒng)以直觀的視頻實時展示的方式，實現(xiàn)隔離開關運動過程全監(jiān)視；以智能的方式，利用AI智能識別算法準確反饋分合狀態(tài)，可作為“第二判據(jù)”，支持一鍵順控高級應用；以全面的方式記錄隔離開關運行履歷，方便故障定位和過程溯源。綜上所述，該系統(tǒng)能顯著地提高GIS智能運維水平，具有較大的應用價值。