變電站電力系統中儀表讀數自動化新方法的分析和應用

陳 皓,陳炯聰,胡亞平,高 雅,曾憲立

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣東省智能電網新技術企業重點實驗室，510080；2.廣東電網公司電力科學研究院，510080）

0 引言

在電力系統的變電站中，儀表被普遍使用且在保證系統安全運行中發揮重要作用，其中不乏有數量頗多的指針式儀表，而指針式儀表讀數的遠程采集一直未能有較為全面的辦法。視頻識別技術在工業生產、交通管理等領域有著非常廣泛的應用，利用視頻對指針式儀表進行自動讀數在電力系統中也自然成為一種重要的應用方向。

現有的技術主要有一種基于物體輪廓的儀表監測方法、一種基于刻度查詢表的指針式儀表讀數方法等。前一種方法的基本方案是總控制端計算機基于存有物體輪廓的圓/橢圓/矩形搜索、檢測算法的遠程表檢測/讀取模塊，通過無線局域網控制變電站中的巡檢機器人，按照預先設定的巡檢路線，在設定的搜索空間范圍內通過搜索子程序鎖定儀表的空間位置，然后利用可見光攝像頭獲取儀表幾何圖像，通過無線局域網發回總控制端進行數據處理以達到遠程監控的目的。該方法需要精確地控制巡檢機器人的準確定位，以保證圖像采集的準確性，對表盤的尋找不具有魯棒性。后一種方法通過建立不同儀表的刻度查詢表，形成數據庫；采集儀表圖像，輸入儀表圖像并對其進行預處理，以提取儀表表盤的有效識別區域；從儀表表盤有效識別區域中，利用指針和刻度線筆劃特征，提取儀表的指針和刻度線；根據提取的指針和刻度線，將提取的刻度線與刻度查詢表數據庫中對應的刻度查詢表進行匹配，進行讀數自動識別。該方法相對于前一種方法有一定的改進，但這種方法只能適應于固定監控點，對表盤的尋找不具有魯棒性，尤其是要建立繁瑣的數據庫，前期工作量非常大。

針對現有方法存在的不足之處，本論文提供了一種適應能力更好的指針式儀表的讀數方法。相比現有的方法，本文的自動讀數方法有了明顯的改進：（1）該方法只需粗略標定表盤區域，就能快速準確的檢測多個指針目標，無需任何預估計處理（如指針表盤的顏色，位置等），準確率高。（2）按照給定的標定方法，可以形成通用的表盤刻度檢測，無需建立儀表刻度數據庫。（3）對環境變化不敏感、魯棒性更好。（4）內部參數設置較少，通用性更強。本文提出的技術將主要應用于廣東電網公司管轄的變電站，目前在這些變電站中對儀器儀表（特指普通指針式儀表）的讀數仍采用人工目測的方法。由于受每個讀表人員讀數方法及工作質量的不同，對于讀數的結果均會有一定的影響，很難保證讀數的精確度。在變電站推廣應用自動讀數技術以后，能進一步提高變電站在無人值守改造以后的自動化程度和運行安全性，繼而為打造堅強智能電網發揮實效。

1 本文改進的指針式儀表讀數方法

針對現有方法在指針式儀表讀數上的不足，本文提出了一種新的讀數方法，并將該方法成功應用于圓形表盤和方形表盤的讀數中，具體方法如下所述。

1.1 標定有效的表盤區域

（1-1）圓形表盤標注出起始刻度點，終止刻度點，校正點位置，并輸入起始位置值numb、終止位置刻度值nume、校正點的刻度值adjust，記錄以上所有標定和輸入的數據。

（1-2）校正圓心的位置，并記錄下來，如圖1所示。

如圖1所示，計算起始刻度點和終止刻度點的中垂線，然后通過校正點的位置和刻度值，在中垂線上與有效的表盤區域上計算圓心的位置。

1.2 讀取表盤讀數

（2-1）在有效的表盤區域內檢測所有的線段,如圖2所示。

圖2所示為線段檢測算法的實現框圖，具體操作步驟如下：

（a）對表盤區域進行高斯平滑，得到平滑圖像。

（b）按以下公式計算平滑圖像的梯度和邊緣線角度。

（c）建立搜索列表，將每個點的梯度幅值按從大到小的順序將此點的位置坐標投放到對應的BIN中。

圖2 線段檢測算法

其中q(2)是像素量化精度，τ(22.5)表示邊緣相似角度精度

（e）按搜索列表中的像素開始搜索，搜索規則：在BIN中從最大的梯度值開始，且標志為未使用。

第一步：將像素P置為種子像素，區域生長，生長規則有：具有相似的邊緣線角度，即邊緣角度在[Pma-τ,Pma+τ]；k(8)鄰域生長；設置生長成功的像素為已使用。

第二步：按以下公式計算生長成的矩形區域的中心和主方向矩形中心：

其中j在矩形區域內變化。

矩形的主方向：構建特征矩陣

計算其特征向量作為其矩形的主方向。

第三步：計算矩形塊邊緣角度的密度，如果密度大于閾值D(0.7)，則修剪矩形區域，重復計算邊緣角度密度。

密度計算公式：

其中k表示矩形區域內邊緣角度與矩形區域主方向相等的個數，area(rect)表示矩形區域的面積。

第四步：計算矩形塊中邊緣角度的誤報率作為驗證公式

其中

第五步：如果誤報率大于閾值e(1)，則修剪矩形區域，否則，將該矩形線段加入輸出隊列。

（2-2）設置規則參數，對檢測后的線段進行規則化挑選，過濾出儀表指針線段。

（a）圓形表盤指針過濾規則

規則一：指針線段斜率角保持在兩端點與圓心的斜率角之間

kp∈[kbegin-epsc，kend + epsc]，epsc(5° )

規則二：指針線段的長度必須大于半徑r的ratios(0.3)，即：

（b）方形表盤指針過濾規則

指針線段斜率角度保持在豎直方向上kp∈[90-epsr，90 + epsr]，epsr(5° )

（2-3）判斷表盤類型并采用相應的算法對儀表進行處理。

（a）圓形表盤

先對規則化后的指針線段做合并處理。對于任意兩條直線，當斜率角度kp1-kp2 ∈[-eps,+eps]，則兩條直線合并，Eps為8°；然后通過角度判別法讀取指針所對應的讀數。假設起始刻度位置與圓心形成線段的斜率角度θb，終止刻度位置與圓心形成線段的斜率角度θe，指針線段的角度θp，通過以下公式計算出指針所指向的刻度。

（b）方形表盤

先對規則化的指針線段做投影處理，尋找表盤刻度區域。將指針線段投影到y軸方向上，尋找投影數組上的最大值，并上下擴散尋找表盤區域的邊界；然后通過表盤區域尋找到指針區域。通過表盤區域邊界參數，向下平移找到儀表的指針區域；接著對指針區域做二值化處理，通過投影法找到指針的位置，對指針區域使用otsu算法對其二值化，然后投影到x軸上，通過極值法尋找x方向上指針的位置。最后通過距離判別法讀取指針所對應的讀數。假設起始位置xbegin，刻度值numb，終止位置xend，刻度值nume，指針位置xcur，通過以下公式計算出指針所指向的刻度。

2 實驗結果及分析

本系統在matlab平臺下仿真實現，同時在simulink下建立模型進行深入研究。針對晴天和陰天兩種環境下，分別對量程為0.2MP的圓形壓力表和量程為2kA的方形開關柜儀表抽取六個樣本做實驗，并將本文方法與基于物體輪廓的方法和基于刻度查詢表的方法進行比較，實驗結果如下：

第一種情況：晴天

表1 圓形壓力表測試數據對比

表2 方形開關柜儀表測試數據對比

第二種情況：陰天

表3 圓形壓力表測試數據對比

表4 方形開關柜儀表測試數據對比

以上實驗數據表明本文的方法具有比基于輪廓的方法和基于刻度的方法更好的性能。表1和表3是不同環境下圓形表盤數據的測試結果，從表中不難發現，本文方法的平均偏差：晴天為0.1667KPa，陰天為0.2333KPa，明顯地小于其它兩種方法在相同環境下的平均偏差。表2和表4是方形表盤數據的測試結果，同樣，相同環境下本文方法的平均偏差也要明顯地小于其它兩種方法的平均偏差。綜上，不管是圓形表盤還是方形表盤，本文的方法都要優于其它兩種方法，除此之外，算法在晴天測試的結果優于陰天測試的結果，從表中觀察到三種方法在陰天的平均偏差都有增大的趨勢，然而，相比而言，本文的方法具有最小的偏差，進一步說明本文方法具有更高的精確性和更好的魯棒性。

3 結語

本文設計了一種新的指針式儀表識別讀數方法，相比于現存的方法，該方法能夠自動適應各種表盤的物理輪廓并采用相應的算法，對指針的當前位置進行識別并計算相應的讀數，而無需預先建立儀表刻度數據庫，通用性強，適合于實際應用場合。

[1]李治瑋,郭戈.一種新型指針儀表識別方法研究[J].微計算機信息,2007,35:113-114.

[2]張劉勝,隋成華,童建平.基于圖像處理的模擬指針表的自動識別[J].浙江工業大學學報，2008,36(03):242-245.

[3]BERNSEN J.Dynamic thresholding of gray level images[J].IEEE Computer Society Press,1986:1251-1255.

[4]王娜,杜世培.基于數學形態學的細化算法[J].貴州工業大學學報（自然科學版）,2007,36(02):60-64

[5]魏鈺楊,耀權,陳衛.雙閾值Hough變換在指針式儀表示值自動判讀中的應用[J].中國儀器儀表,2004(10):11-13

[6]謝啟,陳飛,許仙珍,溫曉行.LabVIEW和IMAQ在指針式儀表自動讀數中的應用[J].微計算機信息,2007,23(7):191-193

[7]任光龍.指針式儀表圖像的快速分割法研究[J].計算機工程與設計,2005,26(3):170-792

[8]劉丹.彩色分割在多刻度線的指針儀表中的研究及應用[D].廣東工業大學，碩士，2008

[9]楊書生.基于圖像處理技術的指針式儀表自動判讀系統的研究[D].河海大學，碩士，2008