謝洪峰，毛俊強(qiáng)，羅冬明

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司江山市供電公司，浙江衢州 324000；2.衢州光明電力工程有限公司，浙江衢州 324000；3.杭州志迅科技有限公司，浙江 杭州 310010）

在電力系統(tǒng)與信息技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行離不開電網(wǎng)線路的及時(shí)檢修，電網(wǎng)線路的檢修流程包含很多線路檢修信息，一旦發(fā)生線路故障，電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生中斷，系統(tǒng)中的各類設(shè)備（例如檢修設(shè)備、變壓器、故障診斷設(shè)備等）將產(chǎn)生不同程度的損壞，給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患，因此，要實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)線路進(jìn)行檢修，如果出現(xiàn)安全隱患，及時(shí)預(yù)警，降低由于線路故障而造成的損失。電網(wǎng)線路預(yù)警系統(tǒng)可以在線路出現(xiàn)故障的第一時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，使線路維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路故障，并及時(shí)維修，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

文獻(xiàn)[3]開發(fā)了一種基于行波技術(shù)的電力線路絕緣故障預(yù)警系統(tǒng)，分析了絕緣子的劣化過(guò)程和污閃機(jī)理，查找線路問(wèn)題點(diǎn)，對(duì)局部放電的絕緣子定位精度高；文獻(xiàn)[4]為切實(shí)推行發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修方式，應(yīng)用了利用相似性原理的建模技術(shù)，闡述故障預(yù)警系統(tǒng)在線路狀態(tài)檢修中的有效應(yīng)用。

為了解決以上問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的控制與預(yù)警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 可知，該文提出的硬件在原基礎(chǔ)上加入了三個(gè)DMA，同時(shí)引入預(yù)警模塊和控制模塊完成信息控制。

1.1 采集電路設(shè)計(jì)

圖像采集電路中使用的數(shù)字圖像傳感器為三星公司生產(chǎn)的OV7620，該傳感器具有較高的分辨率與集成度，在該數(shù)字圖像傳感器的內(nèi)部設(shè)有A/D 轉(zhuǎn)換器。對(duì)電網(wǎng)線路進(jìn)行檢修時(shí)，采集大量的線路檢修圖像數(shù)據(jù)，因此，數(shù)字圖像傳感器需要采集的線路檢修圖像數(shù)據(jù)量較大，以此采用圖像緩存技術(shù)，將320×240 圖片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量由7.98 kB 擴(kuò)展為9.32 kB，在輸出像素點(diǎn)時(shí)可提升圖像輸出速度，大約提升40 ns[5-6]。采集電路圖如圖2 所示。

圖2 采集電路圖

觀察圖2 可知，采集電路圖內(nèi)部包含4 個(gè)SS14，同時(shí)設(shè)置4 個(gè)電阻，連接一個(gè)PWR2.5。預(yù)警系統(tǒng)中的控制器通過(guò)SCL 控制線對(duì)數(shù)字圖像傳感器進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)線路檢修預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)，電路中的模擬開關(guān)輸出水平同步信號(hào)，并將該信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，直至電路中輸? 個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)數(shù)字圖像傳感器的觸發(fā)器輸出端變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，傳感器寫入行像素?cái)?shù)據(jù)并讀取線路檢修圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)圖像采集電路中出現(xiàn)兩個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，表示一幀線路檢修圖像采集成功，讀取一幀圖像后，通過(guò)SDA 信號(hào)使指針復(fù)位，開始下一次的線路檢修圖像采集[7-8]。

1.2 單片機(jī)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的線路預(yù)警系統(tǒng)的單片機(jī)為TI 公司生產(chǎn)的PIC16F877 單片機(jī)，單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，該單片機(jī)可在片內(nèi)集成較多的外圍設(shè)備，功能較為強(qiáng)大，該單片機(jī)芯片具有40 個(gè)通道，分辨率為8 位，其片內(nèi)包含1 個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1 個(gè)存儲(chǔ)容量為8 kb 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)，該單片機(jī)具有多個(gè)引腳與I/O 端口，其中，2 個(gè)引腳為線路檢修數(shù)據(jù)輸入接口，3 個(gè)引腳為線路檢修數(shù)據(jù)輸出接口，I/O 端口主要為線路檢修數(shù)據(jù)的輸入與輸出提供20 A的電流，可以驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，并設(shè)有預(yù)警電路，預(yù)警電路采用聲音預(yù)警方式，聲音預(yù)警的集成芯片為TD 公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)，其功耗較低、瞬時(shí)電壓范圍大、具有多種預(yù)警音響，當(dāng)電路線路出現(xiàn)異常時(shí)，集成芯片的2 個(gè)管腳輸出異常電路線路電阻與音頻信號(hào)的頻率，以達(dá)到預(yù)警目的。該款單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，性能較為穩(wěn)定[9-11]。

將經(jīng)過(guò)放大后的線路預(yù)警信號(hào)輸入到單片機(jī)的輸入端，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)進(jìn)行分析與轉(zhuǎn)換，當(dāng)單片機(jī)的輸入端電壓小于輸出端電壓時(shí)，說(shuō)明線路正常，無(wú)短路或過(guò)載現(xiàn)象出現(xiàn)；當(dāng)單片機(jī)輸入端電壓高于輸出端電壓時(shí)，說(shuō)明線路出現(xiàn)異常，有故障發(fā)生時(shí)，可能出現(xiàn)線路短路或電流過(guò)載現(xiàn)象，這時(shí)，單片機(jī)通過(guò)輸入端的電阻進(jìn)行預(yù)警，通過(guò)輸出異常電壓進(jìn)行預(yù)警。

1.3 控制器設(shè)計(jì)

該文預(yù)警系統(tǒng)的控制器采用ST 公司生產(chǎn)的STM32F 微控制器，控制器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 STM32F微控制器結(jié)構(gòu)

觀察圖4 可知，控制器具有16 位ARM 內(nèi)核與存儲(chǔ)容量為256 kB 的閃存存儲(chǔ)器，控制器的芯片規(guī)格為STM32F103RBT6，其工作電壓為4.8 V，工作電流為1.3 A，在控制器內(nèi)部設(shè)有RS232 通信接口與外部時(shí)鐘，RS232 通信接口主要用來(lái)與單片機(jī)進(jìn)行異常線路數(shù)據(jù)的傳輸，其芯片為MAX232，可接收?qǐng)D像采集電路傳輸過(guò)來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)與異常線路數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)到閃存存儲(chǔ)器內(nèi)，以便線路檢修人員及時(shí)查看[12]。

當(dāng)電路線路出現(xiàn)短路或者其他異常情況時(shí)，電路線路的瞬時(shí)電壓為7.8 V，會(huì)超過(guò)控制器芯片的瞬時(shí)電壓，異常線路電流將由1.3 A 迅速上升到25 A，為了對(duì)異常線路進(jìn)行控制，利用32 位雙向總線收發(fā)器將7.8 V 電壓轉(zhuǎn)換為4.8 V 電壓，通過(guò)采樣電阻將異常線路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鞯妮敵龆?，利用光耦進(jìn)行隔離保護(hù)，隔離保護(hù)完成后調(diào)整控制器的外部時(shí)鐘頻率，由原來(lái)的18 MHz 調(diào)整到36 MHz，并對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，完成對(duì)異常線路電壓、電流的控制[13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在基于機(jī)器視覺(jué)的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 預(yù)警系統(tǒng)軟件流程

假設(shè)疑似線路異常點(diǎn)為n個(gè)，線路總數(shù)為k，在電網(wǎng)系統(tǒng)含有噪聲與干擾的環(huán)境下對(duì)k條線路進(jìn)行異常判斷，設(shè)判斷出的異常線路點(diǎn)為m，對(duì)疑似線路異常點(diǎn)與判斷出的異常線路點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)重疊異常線路點(diǎn)與非重疊異常線路點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，分別進(jìn)行異常定位，定位函數(shù)為：

式中，Wn表示采集到的異常線路像素點(diǎn)；δm表示拍攝到的異常線路點(diǎn)的形態(tài)信息；yn+1表示第n+1 個(gè)疑似異常線路點(diǎn)的誤差權(quán)值；x表示電路異常點(diǎn)。通過(guò)該線路異常點(diǎn)定位公式可定位出電路中存在的異常線路[14-16]。

第二步，判斷通信狀態(tài)。如果電網(wǎng)通信系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，則服務(wù)器顯示為正常，如果電網(wǎng)通信系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)，則服務(wù)器顯示為中斷。由于服務(wù)器會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)、線路等的影響，無(wú)法顯示電網(wǎng)通信系統(tǒng)的狀態(tài)，因此該文基于式（1）建立了電網(wǎng)通信系統(tǒng)狀態(tài)顯示公式：

式中，Zn表示電網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)的判斷結(jié)果；Am表示異常線路點(diǎn)為m時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)；Bk+1表示在k條線路下電網(wǎng)系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)。

第三步，對(duì)定位的異常線路進(jìn)行預(yù)警。在電網(wǎng)通信系統(tǒng)狀態(tài)處于運(yùn)行的條件下，對(duì)定位的異常線路進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警公式如下：

其中，T表示預(yù)警結(jié)果；U表示采集到的預(yù)警電壓，以此提示線路檢修人員及時(shí)對(duì)異常線路進(jìn)行維修，從而解決線路故障。

3 實(shí)驗(yàn)研究

記錄A、B 兩個(gè)變電站，設(shè)置變電站A 內(nèi)部的電容為10 000 pF，變電站B 的電容為5 000 pF，在兩個(gè)變電站之間安裝測(cè)量裝置，變電站之間的實(shí)驗(yàn)線路連接線長(zhǎng)度為45 m，在傳感器和其他裝置之間，用線路連接，保證線路長(zhǎng)度為15 m，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置連接圖如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)裝置連接圖

圖6 顯示了絕緣子并聯(lián)氣隙電路，用于模擬絕緣子在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)電路局部放電的真實(shí)性。絕緣子內(nèi)部采用并聯(lián)連接，空氣間隙示意圖如圖7 所示。

圖7 空氣間隙示意圖

根據(jù)圖7 可知，絕緣子下端與地面連接，上端為高壓端，這樣的連接方式不僅能夠更好地實(shí)現(xiàn)絕緣子的局部放電，同時(shí)能夠防止絕緣子在工作過(guò)程中出現(xiàn)貫穿閃絡(luò)。

在完成現(xiàn)場(chǎng)裝置布置后，對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)裝置電路電壓為110 kV，利用絕緣子實(shí)現(xiàn)局部放電。同時(shí)，使用基于機(jī)器視覺(jué)的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法三種系統(tǒng)進(jìn)行定位，在預(yù)警主機(jī)上觀察定位結(jié)果。

變電站A 的定位結(jié)果如圖8 所示。

圖8 變電站A定位結(jié)果

觀察圖8 可知，在第0.45 s，故障位置開始出現(xiàn)波動(dòng)，該文提出的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)能夠在0.45 s 預(yù)測(cè)到故障位置，然而傳統(tǒng)的文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法反應(yīng)時(shí)間過(guò)慢，無(wú)法在0.45 s 預(yù)測(cè)到故障位置發(fā)生變化。

變電站B 的定位結(jié)果如圖9 所示。

根據(jù)圖9 可知，該文提出的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)始終與實(shí)際故障位置相差較小，在1.1～1.6 s，定位故障與實(shí)際故障位置基本保持一致，定位能力極強(qiáng)。而文獻(xiàn)[4]方法定位誤差在0～0.5 s 與實(shí)際位置相差較大，在0.6 s 之后與實(shí)際位置相差在0.5 m 左右。文獻(xiàn)[3]方法始終與實(shí)際位置相差過(guò)大，難以滿足實(shí)際運(yùn)行要求。

圖9 變電站B定位結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該文將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)線路檢修預(yù)警領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)的線路檢修流程自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)線路數(shù)據(jù)的采集與控制，并對(duì)電網(wǎng)線路故障進(jìn)行了預(yù)警，在線路預(yù)警領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。