鐘建英，劉煜，陳培軍，董華軍，庫照宇

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467000;2.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

隨著社會經(jīng)濟與科技的發(fā)展，電力系統(tǒng)在國家發(fā)展中的地位日益重要，對電力系統(tǒng)運行過程中的可靠性有更高的要求.斷路器作為電網(wǎng)中控制及保護系統(tǒng)安全可靠運行的電氣設(shè)備，其開斷能力對保證電力系統(tǒng)的安全運行有重要意義[1-3].斷路器主要機構(gòu)可分為觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)以及操動機構(gòu)三部分，操動機構(gòu)在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時是否可以實現(xiàn)可靠運動，是決定斷路器能否及時開斷電流的關(guān)鍵因素[4-6].操動機構(gòu)作為斷路器的儲能及控制元件，其分閘能力決定斷路器開斷電流的能力，如何精確測量操動機構(gòu)的分閘速度，是研究斷路器開斷能力的重要目標.

目前針對操動機構(gòu)分閘速度檢測的方法主要為傳感器法.傳感器可以分為傳統(tǒng)傳感器和光學(xué)傳感器.傳統(tǒng)傳感器常用的為電阻傳感器，電阻傳感器可以把應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號，可以對位移、加速度等進行精確檢測(最大誤差約為0.1 m/s)，廣泛應(yīng)用于實驗研究中，但其易受電場、磁場、氣流等的影響，不宜用于斷路器操動機構(gòu)的分閘速度檢測.學(xué)者們通過安裝位移傳感器的方法測量操動機構(gòu)的運動速度，但其精度難以保證，為提升精度，學(xué)者們進行大量研究，取得一定成果，但都存在一定的局限性[7-9].光學(xué)傳感器是依據(jù)光學(xué)原理進行測量的，具有非接觸、非破壞、高速傳輸、抗干擾能力強等優(yōu)點，其主要可分為激光傳感器和圖像傳感器，激光傳感器具有速度快、精度高等優(yōu)點，但是其對時間測量精度要求高，更適用于遠距離測量[10].圖像傳感器即感光元件，通過高速相機對目標進行圖像采集，并通過圖像處理方法得到較高精度的測量結(jié)果，但是，圖像處理往往需要通過復(fù)雜的編程來實現(xiàn)[11].綜上可知，通過圖像傳感器的方法可以有效識別運動過程中的運動參數(shù)，獲得較高精度的速度檢測結(jié)果，但是現(xiàn)有精度仍存在一定不足.

為有效提高操動機構(gòu)分閘速度的檢測精度，本文基于圖像處理檢測方法，并結(jié)合LabVIEW平臺提出一種新的速度檢測方法，并采用該方法對操動機構(gòu)分閘過程中的各個運動參數(shù)進行高精度檢測.研究結(jié)果為斷路器開斷性能特性研究提供技術(shù)參考.

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)計

操動結(jié)構(gòu)的分閘速度檢測系統(tǒng)可以分為兩部分，即圖像采集與圖像處理.圖像采集步驟，見圖1.該系統(tǒng)以操動機構(gòu)為核心，通過控制平臺和快速分閘觸發(fā)回路的協(xié)同作用實現(xiàn)斷路器的分閘運動，并使用高速相機對斷路器分閘過程中操動機構(gòu)的運動圖像進行采集.對采集的運動圖像進行分析，得到操動機構(gòu)分閘過程中的運動參數(shù)，其流程見圖2.

圖1 圖像采集

圖2 圖像處理

實驗采用的操動機構(gòu)為液壓操動機構(gòu)，可分為儲能元件(電機、油泵和儲能器)、控制元件(電磁鐵和閥系統(tǒng))、執(zhí)行元件和輔助元件(油箱、壓機開關(guān)和管路)四部分，具有輸出功大、動作時間短、操作平穩(wěn)無噪聲等特點，廣泛應(yīng)用于高壓輸電中[12].本實驗中操動機構(gòu)的最大工作電壓為1 750 V，斥力盤與緩沖裝置距離為10 mm.

實驗通過高速相機對操動機構(gòu)的運動狀態(tài)進行圖像采集，并基于LabVIEW操作平臺對采集的動態(tài)圖像進行分析處理.

實驗中圖像采集所用的相機根據(jù)傳感器的不同可分為CCD相機和CMOS相機，CCD相機比CMOS相機成像質(zhì)量和色彩更好，但CMOS高速相機具有快速采集、抗干擾能力強、功耗低以及可靠性高等優(yōu)點，更滿足本實驗的要求，因此選用CMOS相機[13].

實驗選用德國Lavision公司的高速相機，最大分辨率為1 080×720，滿幅拍攝頻率為12.68 kHz，由于直接針對滅弧室中的觸頭運動進行圖像采集比較困難，而操動機構(gòu)的斥力裝置為斷路器的動力元件，其運動狀態(tài)可以反映動觸頭的運動狀態(tài)，因此本實驗采用高速相機針對操動機構(gòu)的斥力裝置進行圖像采集，為提升圖像處理中的數(shù)據(jù)精度，對斥力裝置進行標記，其實驗布置示意圖見圖3.

圖3 實驗布置示意圖

1.2 實驗步驟及原理

1.2.1 實驗步驟

具體實驗過程可以大致分為開始實驗、圖像采集、圖像處理和數(shù)據(jù)分析四步.通過控制平臺控制實驗設(shè)備進行實驗，利用CMOS高速相機采集操動機構(gòu)的運動圖像，并對采集的運動圖像進行處理，提取相關(guān)運動數(shù)據(jù)并分析.

在實驗時，為保證實驗的安全性、有效性和可靠性，需要對實驗回路的充電電流、電壓以及斷路器故障電壓等參數(shù)進行實時監(jiān)控和控制，并保證實驗中電流、電壓等條件應(yīng)與斷路器在實際工作中的條件相匹配.因此，需要在實驗前的準備工作中調(diào)試控制系統(tǒng)，并對實驗環(huán)境進行安全檢查.系統(tǒng)調(diào)試完畢且符合安全標準后方可進行圖像采集，圖像采集具體步驟如下：

(1)啟動DaVis控制平臺并在初始化后將相機設(shè)為采集模式；

(2)設(shè)置圖像采集參數(shù)(包括采集頻率、采集時間等)并調(diào)整采集目標在圖像中的位置；

(3)同步觸發(fā)高速相機圖像采集開關(guān)及操動機構(gòu)分閘開關(guān)，對操動機構(gòu)分閘過程進行圖像采集；

(4)保存并導(dǎo)出采集圖像，關(guān)閉相機，為下次實驗做準備.

1.2.2 圖像處理步驟及原理

基于LabVIEW的圖像處理，其實質(zhì)是通過LabVIEW操作平臺中的VISION模塊對圖像進行處理[14-16].其主要步驟可分為初始化操作、圖像導(dǎo)入、灰度化、二值化、邊緣檢測以及數(shù)據(jù)分析六步.

圖像處理的第一步就是操作平臺的初始化，通過初始化設(shè)置將可能影響分析精度的因素消除，并對實驗所有的參數(shù)進行賦值.

第二步，將CMOS相機采集的操動機構(gòu)運動圖像導(dǎo)入Vision Builder for Automated Inspection(VBAI)模塊，并對其進行初步分析，分析發(fā)現(xiàn)操動機構(gòu)在分閘周期內(nèi)出現(xiàn)無規(guī)律的往復(fù)運動，該現(xiàn)象對精確定位操動機構(gòu)的實時位置產(chǎn)生一定影響，需要對運動圖像進行進一步的處理.

第三步，在VBAI模塊中對運動圖像進行灰度化處理.灰度化處理可以有效減少圖像的原始數(shù)據(jù)量，排除干擾，提升計算效率，其灰度化圖像，見圖4.

圖4 灰度化圖像

第四步，對灰度圖進行二值化處理.灰度化可以減少原始數(shù)據(jù)提升效率，但其并不能將復(fù)制的圖像簡化，為進一步減少背景及其他因素對數(shù)據(jù)分析的影響，凸顯出感興趣的目標輪廓，將獲得的灰度圖進行二值化處理，其二值化圖像見圖5.

圖5 二值化圖像

第五步，邊緣檢測.圖像邊緣是圖像的重要特征之一，邊緣檢測是圖像處理的不可或缺的步驟，可以有效提升計算效率.本實驗通過邊緣檢測提取標記目標的邊緣，通過標記物左右邊緣與固定端的實時距離來計算動觸頭的實時位置.邊緣強度、邊緣極性、搜索間距等參數(shù)的設(shè)置如下：最小邊緣強度為120，邊緣極性為從白到黑，算子尺寸及投影寬度分別設(shè)置為3和9.基于上述設(shè)置，對目標區(qū)域所有像素點進行檢測，可以得到提取的邊緣間距.

實驗發(fā)現(xiàn)，對二值化圖像直接進行邊緣檢測時，邊緣檢測效果不理想，為提高檢測數(shù)據(jù)的精度，在對目標區(qū)域檢測時引入邊緣檢測算子.根據(jù)導(dǎo)數(shù)階數(shù)的不同，邊緣檢測算子可分為一階算子和二階算子，Laplace邊緣檢測算子為常用的二階算子，Prewitt邊緣檢測算子、Sobel邊緣檢測算子和Robert邊緣檢測算子為常用的一階算子[17-18].在對圖像進行邊緣檢測時應(yīng)考慮不同算子的適用范圍，其中Sobel和Prewitt算子可以有效地增強圖像沿水平和垂直方向上的灰度變化，但是其檢測精度較差.Robert算子通過局部差分的方法尋找邊緣，其對噪聲少的圖像處理效果較好，但是Robert算子提取的邊緣信息不夠平滑，會出現(xiàn)邊緣信息缺失的現(xiàn)象.使用Laplace邊緣檢測算子檢測到的邊緣更平滑、準確，可以有效提升邊緣檢測的精度.圖6給出了四種邊緣檢測算子對目標區(qū)域處理的效果圖.

圖6 邊緣檢測算子效果圖

由圖6可知，Sobel和Prewitt邊緣檢測算子的處理效果較差，邊緣較模糊，Robert和Laplace邊緣檢測算子處理后目標區(qū)域的邊緣更加清晰，但Robert算子在部分邊緣存在邊緣缺失的現(xiàn)象，因此本文選用Laplace邊緣檢測算子對序列圖像進行邊緣檢測.Laplace算子為2階微分算子，其卷積算子如式(1)所示.

(1)

式中：Δf1為基礎(chǔ)Laplace算子；Δf2為精確的Laplace算子.

由式(1)可知，Laplace算子公式中各項系數(shù)之和為0，其中心系數(shù)為正數(shù)，相鄰系數(shù)為非正數(shù).因此，該算子具有更強的邊緣檢測及定位能力，在進行圖像邊緣檢測時可以獲得更準確、銳化效果更好的邊緣.

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

斷路器分閘速度檢測的基本原理是：對序列圖像中目標點的位移進行計算，并通過尺寸標定的算法將圖像位移轉(zhuǎn)化為實際位移.在開關(guān)分斷之前，標定初始階段操動機構(gòu)斥力盤位置，在分閘過程中通過高速相機對斥力盤的運動狀態(tài)圖像進行高精度采集.并利用邊緣檢測算子對序列圖像中斥力盤的位置實時追蹤，由于高速相機采集時間間隔很短，故用幀間平均速度代替觸頭瞬時速度，即：v=Δs/Δt.其中Δs為相鄰兩幀圖片中斥力盤的實際位移，Δt為相鄰兩幀圖片間的時間間隔.

計算相鄰幀圖像對應(yīng)點坐標的差值，并對所有差值取均值，即可得到斥力盤的幀間位移N，其單位為像素，通過式(2)可將像素單位與毫米單位進行轉(zhuǎn)化，得到斥力盤的實際位移.

(2)

式中：Δs是實際位移，mm，D為斥力盤直徑，mm，N'為斥力盤像素個數(shù).本實驗通過檢測斥力盤圖像兩側(cè)邊緣位置計算其實際位移.

根據(jù)上述分析方法對一個分閘周期中采集的100幀圖像進行分析，分析發(fā)現(xiàn)，由于幀間時間間隔存在一定誤差，計算速度時，其速度曲線擬合誤差較大，經(jīng)實驗驗證，每隔5幀圖像計算一次斥力盤位移，計算得到的分閘速度更接近真實的速度曲線.為充分了解電壓對操動機構(gòu)運動速度的影響，本實驗分別對A,B,C,D四種不同電壓下操動機構(gòu)的運動特性進行研究(其中，B=2A,C=2.36A,D=2.7A)，運動特性分析數(shù)據(jù)曲線見圖7.

(a) 行程曲線

由圖7可知，操動機構(gòu)斥力盤在分閘階段的運動是一個非線性的運動，即操動機構(gòu)的分閘運動是一個非線性的運動.分閘期間斥力盤的運動大體可視為往復(fù)運動，斥力盤在2 ms內(nèi)速度不斷提高并在達到峰值后極速下降，即斥力盤在達到最大位移后便進行逐漸復(fù)位，在復(fù)位階段，斥力盤出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象，其復(fù)位速度出現(xiàn)多次波動.

由圖7和表1分析可知，操動機構(gòu)工作電壓大小對斥力盤的運動特征存在明顯影響.工作電壓為A時，斥力盤運動速度在1 ms內(nèi)由零升至速度峰值v，并在0.5 ms內(nèi)降至0點，該過程中斥力盤的最大行程為s，并未與緩沖裝置產(chǎn)生接觸，隨后斥力盤進入復(fù)位階段.出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是工作電壓為A時，斥力盤的驅(qū)動力較小，不會與緩沖墊產(chǎn)生機械碰撞，在達到最大行程后，斥力盤在油壓的作用下回復(fù)原位.工作電壓為B時，其最大速度與行程分別為2.79v，2.09s；工作電壓為C時，其最大速度與行程分別為3.06v，3.45s；工作電壓為D時，斥力盤的最大速度為4.42v，最大行程為3.75s.在達到最大行程后，斥力盤行程出現(xiàn)小規(guī)模的往復(fù)現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是斥力盤在于緩沖裝置發(fā)生碰撞后，斥力盤繼續(xù)運動至驅(qū)動力小于緩沖裝置反作用力后回彈，并在與緩沖裝置分離后由驅(qū)動力再次驅(qū)動至緩沖裝置接觸的狀態(tài).

表1 不同工作電壓下的運動數(shù)據(jù)

綜上可知，操動機構(gòu)在分閘階段的運動狀態(tài)為非線性運動，其工作電壓的大小對斥力盤的運動狀態(tài)有明顯影響，工作電壓越高，則斥力盤受到的驅(qū)動力越大，其速度變化越劇烈.

3 結(jié)論

本文針對操動機構(gòu)運動速度檢測問題，提出了一種基于LabVIEW圖像處理技術(shù)獲取速度曲線的方法，并對其進行分析，得到以下結(jié)論：

(1)本文提出的測速方法可以精確地對操動機構(gòu)運動圖像進行處理，得到斥力盤的實時位置信息，為分析斷路器分閘速度提供技術(shù)支持.

(2)液壓操動機構(gòu)在分閘過程的運動是非線性的，在驅(qū)動力、油壓以及自身振顫的影響下，其運動速度會出現(xiàn)一定波動.

(3)液壓操動機構(gòu)的工作電壓大小與斥力盤的運動速度、運動行程呈正相關(guān).

(4)該方法可以實現(xiàn)瞬時響應(yīng)，在操動機構(gòu)運動狀態(tài)波動時可以及時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其運動狀態(tài)進行實時分析.