王 彥，張薇薇，張慶偉，付龍明，黃 輝

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局，貴州 貴陽(yáng) 550004；2.中恒博瑞數(shù)字電力科技有限公司，北京 100085)

0 引言

當(dāng)前，隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娏ο到y(tǒng)研究的不斷深入，繼電保護(hù)設(shè)備的使用率大幅提升[1]。繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的難度較大，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)較多。利用傳統(tǒng)運(yùn)維方式管理繼電保護(hù)設(shè)備信息時(shí)，工作量大、質(zhì)量效果差，給后續(xù)信息查閱等工作帶來(lái)了一定的困難[2]。因此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜壹娂妼?duì)繼電保護(hù)設(shè)備信息管理系統(tǒng)展開(kāi)了研究。張惠等[3]設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)繼電保護(hù)與故障信息管理系統(tǒng)。在繼電保護(hù)及故障信息管理系統(tǒng)主站設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)分為三個(gè)不同的層次：第一層是通信層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理、傳輸和共享；第二層是數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)廠站端數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯總、整理和分析；第三層是應(yīng)用層，主要以支持系統(tǒng)為基礎(chǔ)開(kāi)展資源管理和數(shù)據(jù)計(jì)算等工作。姚瑾等[4]設(shè)計(jì)了一種繼電保護(hù)設(shè)備管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括工作統(tǒng)計(jì)管理模塊、運(yùn)行缺陷管理和動(dòng)作統(tǒng)計(jì)模塊、工作任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊。這些模塊既可以單獨(dú)工作，又可以協(xié)同工作，能更好地滿足用戶對(duì)信息的需求。以上系統(tǒng)雖能提高繼電保護(hù)的能力，但維護(hù)費(fèi)用較高，圖像處理后的目標(biāo)不清晰，圖像上傳時(shí)間、圖像識(shí)別時(shí)間、信息下載時(shí)間欠佳。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)應(yīng)用和圖像識(shí)別的繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于繼電保護(hù)設(shè)備信息管理中，以提升繼電保護(hù)設(shè)備信息管理效果。

1 繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以變電站內(nèi)的繼電保護(hù)設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)應(yīng)用和圖像識(shí)別的繼電保護(hù)設(shè)備信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)采集管理對(duì)象的全部信息并對(duì)其作實(shí)時(shí)分析處理，向使用者提供操作、分析、查詢與報(bào)警等使用功能[5-6]。系統(tǒng)整體分為主站與子站兩部分，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)將主站與子站連接為一個(gè)整體。系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主站主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器A、磁盤(pán)陣列、數(shù)據(jù)服務(wù)器B、運(yùn)行管理工作站、整定計(jì)算工作站和故障分析工作站等。

圖1 系統(tǒng)主站結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)服務(wù)器A和數(shù)據(jù)服務(wù)器B的主要功能是將系統(tǒng)主站獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)解析后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，供其他應(yīng)用程序查閱使用。運(yùn)行管理工作站的主要功能是管理系統(tǒng)內(nèi)繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行與管理過(guò)程中設(shè)備基本信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行管理與圖檔管理的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化與智能化。整定計(jì)算工作站的主要功能是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整定計(jì)算機(jī)進(jìn)行校核。故障分析工作站的主要功能是獲取繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息并完成信息顯示與存儲(chǔ)、系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的匯總查詢與分析、繼電保護(hù)設(shè)備與錄波器數(shù)據(jù)應(yīng)用以及設(shè)備故障定位等。

1.2 系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，電力系統(tǒng)內(nèi)的大部分變電站均實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)控，因此在系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要以移動(dòng)巡檢測(cè)控模塊、繼電保護(hù)裝置與移動(dòng)智能設(shè)備(如移動(dòng)智能手機(jī)等)的接入方式為重點(diǎn)[7]。系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)子站結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 繼電保護(hù)裝置的接入

在系統(tǒng)子站內(nèi)，全部繼電保護(hù)裝置、移動(dòng)巡檢測(cè)控應(yīng)用和移動(dòng)智能設(shè)備均由一個(gè)管理機(jī)進(jìn)入。管理機(jī)利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至監(jiān)控模塊內(nèi)。這種繼電保護(hù)裝置的接入方式具有耗資低、變化小等特征，可應(yīng)用于已經(jīng)運(yùn)行的變電站繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)中。

1.2.2 監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)巡檢測(cè)控裝置通過(guò)移動(dòng)智能設(shè)備與移動(dòng)巡檢測(cè)控系統(tǒng)等完成繼電保護(hù)設(shè)備信息的采集，并通過(guò)自動(dòng)糾錯(cuò)功能檢測(cè)所采集信息的準(zhǔn)確性，隨后將信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳入監(jiān)控模塊的服務(wù)器內(nèi)。

圖像處理流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

監(jiān)控模塊工程師站內(nèi)的圖像識(shí)別過(guò)程主要是對(duì)所采集的繼電保護(hù)設(shè)備圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割、特征提取和選擇，以此確保移動(dòng)巡檢測(cè)控裝置在獲取重要的場(chǎng)景后擁有充足的數(shù)據(jù)用于分析[8]。

在上述過(guò)程中，圖像預(yù)處理采用均值濾波算法對(duì)所輸入圖像進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)圖像降噪。均值濾波根據(jù)初始圖像內(nèi)的全部像素確定均值，以均值取代初始圖像內(nèi)各像素值。該方法運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)單，能夠較好地抑制高斯噪聲。均值濾波式描述如下。

(1)

式中：h(x,y)為濾波后圖像在此點(diǎn)上的灰度值；S為濾波模板面積；(x,y)為待處理的當(dāng)前像素點(diǎn)；Z為濾波模板全部像素?cái)?shù)量。

針對(duì)降噪后的圖像，采用最大類間方差法進(jìn)行圖像分割。若濾波處理后的圖像為彩色圖像，需對(duì)其實(shí)施灰度化處理。

假設(shè)：M×N和T分別為灰度圖像尺寸和分割閾值;y0為目標(biāo)的像素點(diǎn)所占圖像整體像素比值；y1為背景像素點(diǎn)所占圖像整體像素比值；φ0、φ1和φ分別為目標(biāo)像素點(diǎn)、背景像素點(diǎn)和整體的灰度均值；N0為目標(biāo)像素?cái)?shù)量；N1為背景像素?cái)?shù)量；H0為目標(biāo)的灰度值總和；H1為背景的灰度值總和。以c為類間方差，對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行求解。

(2)

(3)

y0+y1=1

(4)

(5)

(6)

φ=φ0×y0+φ1×y1

(7)

c=y0×(φ-φ0)2+y1×(φ-φ1)2

(8)

將式(7)代入式(8)，可得：

c=y0×y1×(φ0-φ1)2

(9)

通過(guò)遍歷圖像內(nèi)的全部像素值，能夠令h達(dá)到上限值的像素即為最優(yōu)分割閾值。

針對(duì)圖像分割過(guò)程獲取的目標(biāo)圖像，首先利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征，然后通過(guò)信息判斷得到最終的圖像識(shí)別結(jié)果，最后在保護(hù)模塊內(nèi)對(duì)所有圖像識(shí)別結(jié)果進(jìn)行匯總。

1.3 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)子站利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)主站進(jìn)行通信。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線應(yīng)用協(xié)議(wireless application protocol,WAP)。WAP協(xié)議棧如圖4所示。

圖4 WAP協(xié)議棧

以層級(jí)模式設(shè)計(jì)的WAP協(xié)議棧內(nèi)，各層協(xié)議棧均有對(duì)應(yīng)接口，不僅能夠被上層協(xié)議訪問(wèn)，還能夠被其他服務(wù)與應(yīng)用程序直接應(yīng)用，以此提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的可伸縮性與可擴(kuò)展性[9-10]。

WAP協(xié)議棧內(nèi)共包含以下五個(gè)層級(jí)。

①包含無(wú)線應(yīng)用環(huán)境的應(yīng)用層。應(yīng)用層的主要功能是為系統(tǒng)服務(wù)與應(yīng)用程序提供交互操作環(huán)境，在靈活性最高的情況下將不同服務(wù)與應(yīng)用程序接入各模塊。

②包含無(wú)線會(huì)話協(xié)議的會(huì)話層。會(huì)話層優(yōu)化了低功率、長(zhǎng)等待時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)載體，并向應(yīng)用層提供兩個(gè)會(huì)話服務(wù)的統(tǒng)一接口，分別是在事務(wù)層上操作的面向連接的服務(wù)和在傳輸層上的非連接服務(wù)。

③包含無(wú)線事務(wù)協(xié)議的事務(wù)層。事務(wù)層主要在數(shù)據(jù)服務(wù)上運(yùn)行，主要針對(duì)移動(dòng)終端數(shù)據(jù)傳輸，并且能夠優(yōu)化移動(dòng)終端。

④包含工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳輸層安全協(xié)議的安全層。安全層以安全傳輸協(xié)議安全套接字協(xié)議(secure sockets layer,SSL)為基礎(chǔ)，優(yōu)化WAP傳輸過(guò)程中應(yīng)用的低帶寬通信信道，并提供不同應(yīng)用之間的認(rèn)證、隱私與安全，確保通信過(guò)程的完整性與安全性。

⑤包含無(wú)線數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議的傳輸層。傳輸層能夠單獨(dú)在底層的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中引用，主要功能是數(shù)據(jù)傳輸與信息的發(fā)送與接收，并向WAP上層協(xié)議提供服務(wù)支持，確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的透明性。傳輸層在傳輸接口與基本特征相同時(shí)通過(guò)中間網(wǎng)關(guān)達(dá)到整體工作的互用性，達(dá)成無(wú)線數(shù)據(jù)順利傳輸。

2 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的基于移動(dòng)應(yīng)用和圖像識(shí)別的繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)在實(shí)際電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備信息管理中的應(yīng)用效果，選取某市電力系統(tǒng)作為應(yīng)用對(duì)象，采用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)以及本文系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用對(duì)象的繼電保護(hù)設(shè)備進(jìn)行信息管理，從而測(cè)試本文系統(tǒng)在管理過(guò)程中的各項(xiàng)性能。

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境測(cè)試

考慮本文系統(tǒng)以移動(dòng)與圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，首先對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要為系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)于所采集的圖像進(jìn)行上傳、識(shí)別與信息下載的時(shí)間。試驗(yàn)從所采集的600個(gè)繼電保護(hù)設(shè)備圖像內(nèi)隨機(jī)選取10個(gè)場(chǎng)景圖像作為測(cè)試目標(biāo)，在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下獲取10個(gè)測(cè)試目標(biāo)的平均時(shí)間。測(cè)試過(guò)程中，所選10個(gè)場(chǎng)景圖像的分辨率均為960×720像素。

應(yīng)用測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

分析表1可知，從整體上來(lái)看，本文系統(tǒng)的客戶端應(yīng)用時(shí)間消耗均低于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)。其中：本文系統(tǒng)在移動(dòng)4G、移動(dòng)5G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的圖像上傳時(shí)間低于1 s；在移動(dòng)4G、移動(dòng)5G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，圖像識(shí)別時(shí)間與信息下載時(shí)間低于1.25 s，但是在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下圖像上傳時(shí)間、圖像識(shí)別時(shí)間與信息下載時(shí)間均高于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。這主要是因?yàn)橹袊?guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通的無(wú)線頻率不同，本系統(tǒng)更適應(yīng)中國(guó)移動(dòng)的無(wú)線頻率。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的圖像上傳時(shí)間、圖像識(shí)別時(shí)間、信息下載時(shí)間均優(yōu)于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)，且本文系統(tǒng)更加適用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

2.2 圖像識(shí)別性能

圖像識(shí)別性能對(duì)于本文系統(tǒng)應(yīng)用性能有重要影響。但在圖像采集過(guò)程中，受外界環(huán)境影響，所采集圖像易出現(xiàn)光照不均勻、目標(biāo)與背景融合等問(wèn)題。為此，還需在不同圖像采集環(huán)境中測(cè)試本文系統(tǒng)的圖像識(shí)別性能。

圖像采集環(huán)境和圖像測(cè)試效果如表2所示。

表2 圖像采集環(huán)境和圖像測(cè)試效果

分析表1與表2可知，光照條件、目標(biāo)與背景融合度以及背景成本是影響圖像質(zhì)量的主要因素。與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)相比，采用本文系統(tǒng)對(duì)不同圖像采集環(huán)境下所采集到的圖像進(jìn)行處理后，除圖像編號(hào)7的采集環(huán)境外均可獲取清晰目標(biāo)圖像。在圖像質(zhì)量極差的條件下，本文系統(tǒng)仍可以確保目標(biāo)邊緣信息完整，在背景無(wú)大面積噪點(diǎn)的條件下也能獲取較為準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠有效處理不同的繼電保護(hù)設(shè)備圖像，并獲取圖像內(nèi)的有效信息。

2.3 信息管理性能測(cè)試

為測(cè)試?yán)^電保護(hù)設(shè)備信息管理性能，本文將均方根誤差作為信息分析性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)值越小，表示本文系統(tǒng)的信息分析性能越好，分析結(jié)果越精準(zhǔn)。在應(yīng)用對(duì)象內(nèi)全部繼電保護(hù)設(shè)備中隨機(jī)選取25個(gè)設(shè)備，利用不同系統(tǒng)對(duì)所選設(shè)備信息實(shí)施分析與管理，獲取信息分析的均方根誤差。信息分析的均方根誤差如表3所示。

表3 信息分析的均方根誤差

由表4可知，本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)相比，信息分析的均方根誤差更低。其中，利用本文系統(tǒng)對(duì)所選繼電保護(hù)設(shè)備信息實(shí)施分析管理的均方根誤差值基本控制在0.12%以下，上、下限值分別為0.147%和0.000%，均值約為0.061%。由此可知，本文系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地分析繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行信息，能夠?qū)^電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生積極影響，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試

為測(cè)試本文系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中的性能，選取某套繼電保護(hù)設(shè)備，分別采用文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)在使用一年中各系統(tǒng)維護(hù)所需費(fèi)用(包括人工費(fèi)用、物料費(fèi)用等)。

系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用對(duì)比結(jié)果如圖5所示。分析圖5可知，本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)相比：本文系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用更低，每月的平均費(fèi)用僅為1.25萬(wàn)元；文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的月平均費(fèi)用分別為2.52萬(wàn)元、2.48萬(wàn)元。該結(jié)果充分說(shuō)明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)備信息管理后，可有效節(jié)約繼電保護(hù)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

圖5 系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)論

為了提高繼電保護(hù)設(shè)備信息管理的效益和降低運(yùn)維成本，本文設(shè)計(jì)了一種基于移動(dòng)應(yīng)用和圖像識(shí)別的繼電保護(hù)信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別所采集到的繼電保護(hù)設(shè)備圖像信息，并利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)子站與主站間的信息通信。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別圖像信息、降低繼電保護(hù)設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用，實(shí)際應(yīng)用效果好。