基于移動應用和圖像識別的繼電保護信息管理系統設計

王 彥，張薇薇，張慶偉，付龍明，黃 輝

(1.貴州電網有限責任公司貴陽供電局，貴州 貴陽 550004；2.中恒博瑞數字電力科技有限公司，北京 100085)

0 引言

當前，隨著各個領域對電力系統研究的不斷深入，繼電保護設備的使用率大幅提升[1]。繼電保護設備運行維護的難度較大，產生的數據較多。利用傳統運維方式管理繼電保護設備信息時，工作量大、質量效果差，給后續信息查閱等工作帶來了一定的困難[2]。因此，相關領域專家紛紛對繼電保護設備信息管理系統展開了研究。張惠等[3]設計了一種電網繼電保護與故障信息管理系統。在繼電保護及故障信息管理系統主站設計中，將系統分為三個不同的層次：第一層是通信層，主要負責數據的整理、傳輸和共享；第二層是數據層，主要負責廠站端數據和其他系統數據的匯總、整理和分析；第三層是應用層，主要以支持系統為基礎開展資源管理和數據計算等工作。姚瑾等[4]設計了一種繼電保護設備管理信息系統。該系統主要包括工作統計管理模塊、運行缺陷管理和動作統計模塊、工作任務模塊、數據處理模塊、系統管理模塊。這些模塊既可以單獨工作，又可以協同工作，能更好地滿足用戶對信息的需求。以上系統雖能提高繼電保護的能力，但維護費用較高，圖像處理后的目標不清晰，圖像上傳時間、圖像識別時間、信息下載時間欠佳。

基于此，本文設計了一種基于移動應用和圖像識別的繼電保護信息管理系統。該設計將移動通信網絡與計算機圖像識別技術應用于繼電保護設備信息管理中，以提升繼電保護設備信息管理效果。

1 繼電保護信息管理系統設計

1.1 主站結構設計

本文以變電站內的繼電保護設備為研究對象，設計了基于移動應用和圖像識別的繼電保護設備信息管理系統。該系統通過采集管理對象的全部信息并對其作實時分析處理，向使用者提供操作、分析、查詢與報警等使用功能[5-6]。系統整體分為主站與子站兩部分，通過移動通信網將主站與子站連接為一個整體。系統主站結構如圖1所示。系統主站主要包括數據服務器A、磁盤陣列、數據服務器B、運行管理工作站、整定計算工作站和故障分析工作站等。

圖1 系統主站結構圖

數據服務器A和數據服務器B的主要功能是將系統主站獲取的數據經解析后存儲至數據庫內，供其他應用程序查閱使用。運行管理工作站的主要功能是管理系統內繼電保護設備運行與管理過程中設備基本信息，實現系統參數、設備運行管理與圖檔管理的標準化、數字化與智能化。整定計算工作站的主要功能是對系統數據的整定計算機進行校核。故障分析工作站的主要功能是獲取繼電保護設備運行的實時信息并完成信息顯示與存儲、系統歷史數據的匯總查詢與分析、繼電保護設備與錄波器數據應用以及設備故障定位等。

1.2 系統子站結構設計

當前，電力系統內的大部分變電站均實現了自動化監控，因此在系統子站結構設計中主要以移動巡檢測控模塊、繼電保護裝置與移動智能設備(如移動智能手機等)的接入方式為重點[7]。系統子站結構如圖2所示。

圖2 系統子站結構圖

1.2.1 繼電保護裝置的接入

在系統子站內，全部繼電保護裝置、移動巡檢測控應用和移動智能設備均由一個管理機進入。管理機利用移動通信網絡將信息傳輸至監控模塊內。這種繼電保護裝置的接入方式具有耗資低、變化小等特征，可應用于已經運行的變電站繼電保護信息管理系統中。

1.2.2 監控模塊設計

移動巡檢測控裝置通過移動智能設備與移動巡檢測控系統等完成繼電保護設備信息的采集，并通過自動糾錯功能檢測所采集信息的準確性，隨后將信息通過移動通信網絡傳入監控模塊的服務器內。

圖像處理流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

監控模塊工程師站內的圖像識別過程主要是對所采集的繼電保護設備圖像進行預處理、圖像分割、特征提取和選擇，以此確保移動巡檢測控裝置在獲取重要的場景后擁有充足的數據用于分析[8]。

在上述過程中，圖像預處理采用均值濾波算法對所輸入圖像進行濾波處理，實現圖像降噪。均值濾波根據初始圖像內的全部像素確定均值，以均值取代初始圖像內各像素值。該方法運算過程簡單，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上的灰度值；S為濾波模板面積；(x,y)為待處理的當前像素點；Z為濾波模板全部像素數量。

針對降噪后的圖像，采用最大類間方差法進行圖像分割。若濾波處理后的圖像為彩色圖像，需對其實施灰度化處理。

假設：M×N和T分別為灰度圖像尺寸和分割閾值;y0為目標的像素點所占圖像整體像素比值；y1為背景像素點所占圖像整體像素比值；φ0、φ1和φ分別為目標像素點、背景像素點和整體的灰度均值；N0為目標像素數量；N1為背景像素數量；H0為目標的灰度值總和；H1為背景的灰度值總和。以c為類間方差，對上述參數進行求解。

(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)

通過遍歷圖像內的全部像素值，能夠令h達到上限值的像素即為最優分割閾值。

針對圖像分割過程獲取的目標圖像，首先利用卷積神經網絡提取圖像特征，然后通過信息判斷得到最終的圖像識別結果，最后在保護模塊內對所有圖像識別結果進行匯總。

1.3 移動通信網絡協議結構

系統子站利用移動通信網絡與系統主站進行通信。移動通信網絡采用無線應用協議(wireless application protocol,WAP)。WAP協議棧如圖4所示。

圖4 WAP協議棧

以層級模式設計的WAP協議棧內，各層協議棧均有對應接口，不僅能夠被上層協議訪問，還能夠被其他服務與應用程序直接應用，以此提升系統開發設計的可伸縮性與可擴展性[9-10]。

WAP協議棧內共包含以下五個層級。

①包含無線應用環境的應用層。應用層的主要功能是為系統服務與應用程序提供交互操作環境，在靈活性最高的情況下將不同服務與應用程序接入各模塊。

②包含無線會話協議的會話層。會話層優化了低功率、長等待時間的網絡數據載體，并向應用層提供兩個會話服務的統一接口，分別是在事務層上操作的面向連接的服務和在傳輸層上的非連接服務。

③包含無線事務協議的事務層。事務層主要在數據服務上運行，主要針對移動終端數據傳輸，并且能夠優化移動終端。

④包含工業標準傳輸層安全協議的安全層。安全層以安全傳輸協議安全套接字協議(secure sockets layer,SSL)為基礎，優化WAP傳輸過程中應用的低帶寬通信信道，并提供不同應用之間的認證、隱私與安全，確保通信過程的完整性與安全性。

⑤包含無線數據報協議的傳輸層。傳輸層能夠單獨在底層的無線網絡中引用，主要功能是數據傳輸與信息的發送與接收，并向WAP上層協議提供服務支持，確保數據傳輸過程的透明性。傳輸層在傳輸接口與基本特征相同時通過中間網關達到整體工作的互用性，達成無線數據順利傳輸。

2 試驗分析

為驗證本文所設計的基于移動應用和圖像識別的繼電保護信息管理系統在實際電力系統繼電保護設備信息管理中的應用效果，選取某市電力系統作為應用對象，采用文獻[3]系統、文獻[4]系統以及本文系統對應用對象的繼電保護設備進行信息管理，從而測試本文系統在管理過程中的各項性能。

2.1 系統應用環境測試

考慮本文系統以移動與圖像識別技術為基礎，首先對系統應用環境進行測試。測試內容主要為系統在不同網絡環境下對于所采集的圖像進行上傳、識別與信息下載的時間。試驗從所采集的600個繼電保護設備圖像內隨機選取10個場景圖像作為測試目標，在不同網絡環境下獲取10個測試目標的平均時間。測試過程中，所選10個場景圖像的分辨率均為960×720像素。

應用測試結果如表1所示。

表1 應用測試結果

分析表1可知，從整體上來看，本文系統的客戶端應用時間消耗均低于文獻[3]系統以及文獻[4]系統。其中：本文系統在移動4G、移動5G和Wi-Fi網絡環境下的圖像上傳時間低于1 s；在移動4G、移動5G和Wi-Fi網絡環境下，圖像識別時間與信息下載時間低于1.25 s，但是在聯通網絡環境下圖像上傳時間、圖像識別時間與信息下載時間均高于移動網絡和Wi-Fi網絡。這主要是因為中國移動和中國聯通的無線頻率不同，本系統更適應中國移動的無線頻率。試驗結果表明，本文系統的圖像上傳時間、圖像識別時間、信息下載時間均優于文獻[3]系統和文獻[4]系統，且本文系統更加適用于移動網絡與Wi-Fi網絡環境。

2.2 圖像識別性能

圖像識別性能對于本文系統應用性能有重要影響。但在圖像采集過程中，受外界環境影響，所采集圖像易出現光照不均勻、目標與背景融合等問題。為此，還需在不同圖像采集環境中測試本文系統的圖像識別性能。

圖像采集環境和圖像測試效果如表2所示。

表2 圖像采集環境和圖像測試效果

分析表1與表2可知，光照條件、目標與背景融合度以及背景成本是影響圖像質量的主要因素。與文獻[3]系統以及文獻[4]系統相比，采用本文系統對不同圖像采集環境下所采集到的圖像進行處理后，除圖像編號7的采集環境外均可獲取清晰目標圖像。在圖像質量極差的條件下，本文系統仍可以確保目標邊緣信息完整，在背景無大面積噪點的條件下也能獲取較為準確的目標信息。試驗結果表明，本文系統能夠有效處理不同的繼電保護設備圖像，并獲取圖像內的有效信息。

2.3 信息管理性能測試

為測試繼電保護設備信息管理性能，本文將均方根誤差作為信息分析性能的評價指標。評價指標值越小，表示本文系統的信息分析性能越好，分析結果越精準。在應用對象內全部繼電保護設備中隨機選取25個設備，利用不同系統對所選設備信息實施分析與管理，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，本文系統與文獻[3]系統以及文獻[4]系統相比，信息分析的均方根誤差更低。其中，利用本文系統對所選繼電保護設備信息實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，本文系統可以準確地分析繼電保護設備運行信息，能夠對繼電保護設備運行產生積極影響，進而提升電力系統的安全性與穩定性。

2.4 系統應用測試

為測試本文系統在應用過程中的性能，選取某套繼電保護設備，分別采用文獻[3]系統、文獻[4]系統與本文系統進行應用測試，并統計在使用一年中各系統維護所需費用(包括人工費用、物料費用等)。

系統維護費用對比結果如圖5所示。分析圖5可知，本文系統與文獻[3]系統以及文獻[4]系統相比：本文系統的運行維護費用更低，每月的平均費用僅為1.25萬元；文獻[3]系統與文獻[4]系統的月平均費用分別為2.52萬元、2.48萬元。該結果充分說明采用本文系統進行繼電保護設備信息管理后，可有效節約繼電保護設備維護費用。

圖5 系統維護費用對比結果

3 結論

為了提高繼電保護設備信息管理的效益和降低運維成本，本文設計了一種基于移動應用和圖像識別的繼電保護信息管理系統。該系統利用圖像識別技術識別所采集到的繼電保護設備圖像信息，并利用移動通信網絡實現系統子站與主站間的信息通信。試驗結果表明，本文系統能夠準確識別圖像信息、降低繼電保護設備維護的費用，實際應用效果好。