基于中線模型的隔離開關狀態檢測方法研究

公多虎, 詹仲強, 葛志杰，吳天博，陳文濤，陳大鵬

(1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.南京優能特電力科技發展有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

由于敞開式隔離開關所處的惡劣環境，在長期運轉后會出現分合不到位的情況，倒閘操作過程中可能導致左右刀閘臂之間產生電弧，造成火災，以致威脅設備及人身安全。目前變電站倒閘操作過程中，隔離開關狀態主要根據現場運行人員現場觀察進行識別，識別結果依賴運行人員經驗及位置和天氣情況等，存在檢測結果不可靠的問題[1]，不能滿足實際需求。文獻[2]中提出檢測刀閘臂邊緣線，根據刀閘臂邊緣線的角度判斷刀閘狀態，但是在進行邊緣檢測時，刀閘臂附近往往會檢測到多條邊緣線[3-4]。如何精確確定左右刀閘臂邊緣線直接影響狀態檢測精度[5-6]。本文提出一種基于中線模型的對開式隔離開關開合角度計算方法，利用對開式刀閘的運動特征和對稱性，確定左右刀閘臂邊緣線，精確計算左右刀閘臂間角度[7]，根據夾角實現對開式刀閘開合狀態自動檢測。

1 隔離開關中線模型

1.1 基本特征

對開式隔離開關是水平斷口、雙柱水平旋轉式隔離開關，雙柱指左右兩側豎直的絕緣子，中心斷口指左右刀閘臂在虛合或閉合狀態時的接觸位置。該類隔離開關在開合過程中左右刀閘臂以絕緣子上端點為旋轉點，左右刀閘臂同步對稱開合。圖1為對開式隔離開關，隔離開關裝配如圖2所示。

圖1 對開式隔離開關

圖2 左右刀閘臂邊緣線配對

1.2 刀閘臂中線的定義

對開式隔離開關完全閉合時，左右刀閘臂在同一直線上，左右中點連線的中點記作刀閘臂中點；對開式隔離開關完全打開時，左右刀閘臂在三維空間中是相互平行的。在射影幾何中，兩條平行的直線相交于無窮遠處一點，該點投影到圖像平面稱作消失點(滅點)，將刀閘臂中點和消失點的連線記作刀閘臂中線。

1.3 刀閘臂中線的性質

1)刀閘臂中線垂直于閉合狀態下左右刀閘臂所在直線，且過刀閘臂中點。

2)在刀閘開合過程中，任意狀態下左右刀閘臂所在的直線，其延長線的交點在刀閘臂中線上。

3)在刀閘開合過程中，左右刀閘臂對稱的任一點的運動軌跡的切線的交點在刀閘臂中線上。

1.3.1 證明(a)

由圖3可以看出，設刀閘臂中點為C，左中點為L1，右中點為R1，左右刀閘臂完全打開時的消失點為V，L1L2為完全打開的左刀閘臂，R1R2為完全打開的右刀閘臂，則有

圖3 刀閘臂簡化

L1L2∥R1R2

又由通過同一無窮遠點的所有直線平行，故

L1L2∥CV

CV⊥L1R1

可以看出，刀閘臂中線垂直于閉合狀態下左右刀閘臂所在直線，且過刀閘臂中點。

1.3.2 證明(b)

對于開合過程中任意狀態下的左右刀閘臂，L1L3和R1R3分別表示任意狀態下的左刀閘臂線段和右刀閘臂線段(見圖3)。由于對開式刀閘左右刀閘臂是對稱同步開合，故有

∠L3L1C=∠R3R1C

延長L1L3和R1R3相交于點D，三角形L1DR1為等腰三角形，因為C為底邊L1R1的中點，所以CD為三角形L1DR1底邊的中線，既等腰三角形的底邊中線和底邊的高互相重合，有

CD⊥L1R1

可以看出CD和刀閘臂中線為同一直線，左右刀閘臂邊緣線的延長線的交點D在刀閘臂中線上，當刀閘在開合過程中，任意狀態下左右刀閘臂所在的直線，其延長線的交點在刀閘臂中線上。

1.3.3 證明(c)

在刀閘開合過程中，左刀閘臂任一點的運動軌跡是以左中點為圓心，固定長度為半徑的圓上的一部分圓弧；右刀閘臂任一點的運動軌跡是以右中點為圓心，固定長度為半徑的圓上的一部分圓弧。設定左右刀閘臂任意對稱的兩個點為P1和Q1，在刀閘由合到開的過程中，左刀閘臂上的點P1的運動軌跡上的另外兩個點為P2和P3，右刀閘臂上的點Q1的運動軌跡上的另外兩個點為Q2和Q3，則P3和Q3關于中線對稱，所以P3Q3的連線的中點在中線上，記作F。由于L1和R1關于中線對稱，P3和Q3也關于中線對稱，刀閘臂中線垂直于P3Q3，同時垂直于L1R1，所以

L1R1//P3Q3

又M和N在L1R1上，所以

MN//P3Q3

∠MP3Q3=∠NQ3P3

∠EP3Q3=∠EQ3P3

三角形EP3Q3為等腰三角形，又F為P3Q3的連線的中點，所以EF為等腰三角形EP3Q3的底邊中線。等腰三角形的底邊中線和底邊的高互相重合，所以EF⊥P3Q3。刀閘臂中線過點F且垂直于P3Q3，EF和刀閘臂中線在同一直線上，點E為刀閘臂中線上的點，所以在刀閘開合過程中，左右刀閘臂對稱的任一點的運動軌跡的切線的交點在刀閘臂中線上。

2 確定隔離開關開合狀態

采集開式隔離開關圖像，利用LSD(line segment detector)邊緣檢測算法獲取目標圖像中刀閘臂所有邊緣線，由上述證明可知，在刀閘開合過程中，任意狀態下的左右刀閘臂所在直線的交點均在刀閘臂中線上，所以刀閘臂中線將刀閘一分為二，左刀閘臂位于刀閘臂中線左側，右刀閘臂位于刀閘臂中線右側，左右刀閘臂邊緣線延長線的交點在刀閘臂中線上，因此可利用刀閘臂中線確定左刀閘臂邊緣線和右刀閘臂邊緣線。

獲取左右刀閘臂邊緣線后，以左刀閘臂邊緣線和右刀閘臂邊緣線作為基準，設定左刀閘臂邊緣線相對于閉合狀態刀閘臂所在直線的角度為α1，右刀閘臂邊緣線相對于閉合狀態刀閘臂所在直線的角度為α2，左刀閘臂邊緣線和右刀閘臂邊緣線間的夾角為θ=|α2-α1|，該夾角即為左刀閘臂和右刀閘臂間的夾角，實際使用時根據用戶需求利用刀閘臂間的夾角判斷刀閘開合狀態。

3 實驗結果與分析

實驗中，根據隔離開關技術條件要求，將左右刀閘臂間的角度<3°的刀閘狀態判定為閉合狀態，將左右刀閘臂間的角度≥3°<15°的刀閘狀態判定為虛合狀態，而將左右刀閘臂間的角度>15°的刀閘狀態判定為打開狀態，實驗結果中包含左右中點連線、左右刀閘臂定位矩形框、左右刀閘臂的邊緣線、左右刀閘臂間的角度以及刀閘的開合狀態。圖4為刀閘閉合狀態的檢測結果，從圖中可以看出左右刀閘臂基本在同一直線上，計算得到左右刀閘臂間的角度為0.93°。圖5為刀閘虛合狀態的檢測結果，計算得到的左右刀閘臂間的角度為9.78°。圖6為刀閘打開狀態的檢測結果，計算得到的左右刀閘臂間的角度大于15°。圖7中檢測到的刀閘臂間的夾角為2.61°，刀閘狀態判斷為閉合。圖8中檢測到的刀閘臂間的夾角為1.13°，刀閘狀態判斷為閉合。圖9中檢測到的刀閘臂間的夾角為0.77°，隔離開關狀態判斷為閉合。

圖4 閉合狀態檢測結果

圖5 虛合狀態檢測結果

圖6 打開狀態檢測結果

圖7 閉合狀態檢測結果

圖8 閉合狀態檢測結果

圖9 閉合狀態檢測結果

4 結 論

本文提出一種對開式隔離開關的中線模型狀態檢測方法，刀閘臂中線垂直于閉合狀態下左右刀閘臂所在直線，且過刀閘臂中點，在刀閘開合過程中，任意狀態下左右刀閘臂所在直線的延長線的交點在刀閘臂中線上，左右刀閘臂對稱的任一點的運動軌跡的切線的交點在刀閘臂中線上，利用中線可幫助精確確定左右刀閘臂邊緣線，再計算刀閘臂間角度，根據角度判斷刀閘開合狀態。從實驗結果可以看出，本文提出的方法充分利用了刀閘本身的特征和運動特性，提出的中線方法可以幫助精確確定左右刀閘臂邊緣線，提高刀閘狀態識別精度。