基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)設(shè)計

謝洪峰，毛俊強，羅冬明

（1.國網(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)定運行離不開電網(wǎng)線路的及時檢修，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)在運行過程中會發(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)帶來安全隱患，因此，要實時對電網(wǎng)線路進行檢修，如果出現(xiàn)安全隱患，及時預警，降低由于線路故障而造成的損失。電網(wǎng)線路預警系統(tǒng)可以在線路出現(xiàn)故障的第一時間進行自動預警，使線路維修人員及時發(fā)現(xiàn)線路故障，并及時維修，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。

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

為了解決以上問題，該文設(shè)計了基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)，以實現(xiàn)對故障線路的控制與預警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

圖1 線路檢修流程自動預警系統(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DMA，同時引入預警模塊和控制模塊完成信息控制。

1.1 采集電路設(shè)計

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。對電網(wǎng)線路進行檢修時，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)存儲量由7.98 kB 擴展為9.32 kB，在輸出像素點時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SS14，同時設(shè)置4 個電阻，連接一個PWR2.5。預警系統(tǒng)中的控制器通過SCL 控制線對數(shù)字圖像傳感器進行設(shè)置，當線路檢修預警系統(tǒng)發(fā)出預警信號時，電路中的模擬開關(guān)輸出水平同步信號，并將該信號變?yōu)楦唠娖剑敝岭娐分休敵? 個脈沖信號，當數(shù)字圖像傳感器的觸發(fā)器輸出端變?yōu)榈碗娖綍r，傳感器寫入行像素數(shù)據(jù)并讀取線路檢修圖像數(shù)據(jù)，當圖像采集電路中出現(xiàn)兩個脈沖信號時，表示一幀線路檢修圖像采集成功，讀取一幀圖像后，通過SDA 信號使指針復位，開始下一次的線路檢修圖像采集[7-8]。

1.2 單片機設(shè)計

該文設(shè)計的線路預警系統(tǒng)的單片機為TI 公司生產(chǎn)的PIC16F877 單片機，單片機結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 單片機結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3 可知，該單片機可在片內(nèi)集成較多的外圍設(shè)備，功能較為強大，該單片機芯片具有40 個通道，分辨率為8 位，其片內(nèi)包含1 個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1 個存儲容量為8 kb 的數(shù)據(jù)存儲器，同時，該單片機具有多個引腳與I/O 端口，其中，2 個引腳為線路檢修數(shù)據(jù)輸入接口，3 個引腳為線路檢修數(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)動固態(tài)繼電器，并設(shè)有預警電路，預警電路采用聲音預警方式，聲音預警的集成芯片為TD 公司生產(chǎn)設(shè)計，其功耗較低、瞬時電壓范圍大、具有多種預警音響，當電路線路出現(xiàn)異常時，集成芯片的2 個管腳輸出異常電路線路電阻與音頻信號的頻率，以達到預警目的。該款單片機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能較為穩(wěn)定[9-11]。

將經(jīng)過放大后的線路預警信號輸入到單片機的輸入端，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)進行分析與轉(zhuǎn)換，當單片機的輸入端電壓小于輸出端電壓時，說明線路正常，無短路或過載現(xiàn)象出現(xiàn)；當單片機輸入端電壓高于輸出端電壓時，說明線路出現(xiàn)異常，有故障發(fā)生時，可能出現(xiàn)線路短路或電流過載現(xiàn)象，這時，單片機通過輸入端的電阻進行預警，通過輸出異常電壓進行預警。

1.3 控制器設(shè)計

該文預警系統(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)核與存儲容量為256 kB 的閃存存儲器，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 通信接口與外部時鐘，RS232 通信接口主要用來與單片機進行異常線路數(shù)據(jù)的傳輸，其芯片為MAX232，可接收圖像采集電路傳輸過來的圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)與異常線路數(shù)據(jù)一并存儲到閃存存儲器內(nèi)，以便線路檢修人員及時查看[12]。

當電路線路出現(xiàn)短路或者其他異常情況時，電路線路的瞬時電壓為7.8 V，會超過控制器芯片的瞬時電壓，異常線路電流將由1.3 A 迅速上升到25 A，為了對異常線路進行控制，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，通過采樣電阻將異常線路電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將電壓信號傳輸?shù)娇刂破鞯妮敵龆耍霉怦钸M行隔離保護，隔離保護完成后調(diào)整控制器的外部時鐘頻率，由原來的18 MHz 調(diào)整到36 MHz，并對其進行手動復位，完成對異常線路電壓、電流的控制[13]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用機器視覺技術(shù)對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計，系統(tǒng)軟件流程如圖5 所示。

圖5 預警系統(tǒng)軟件流程

假設(shè)疑似線路異常點為n個，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k條線路進行異常判斷，設(shè)判斷出的異常線路點為m，對疑似線路異常點與判斷出的異常線路點進行對比分析，對重疊異常線路點與非重疊異常線路點進行標注，分別進行異常定位，定位函數(shù)為：

式中，Wn表示采集到的異常線路像素點；δm表示拍攝到的異常線路點的形態(tài)信息；yn+1表示第n+1 個疑似異常線路點的誤差權(quán)值；x表示電路異常點。通過該線路異常點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)處于正常的運行狀態(tài)，則服務器顯示為正常，如果電網(wǎng)通信系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)，則服務器顯示為中斷。由于服務器會受到網(wǎng)絡(luò)、線路等的影響，無法顯示電網(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表示異常線路點為m時電網(wǎng)系統(tǒng)處于運行狀態(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，對定位的異常線路進行預警。在電網(wǎng)通信系統(tǒng)狀態(tài)處于運行的條件下，對定位的異常線路進行預警，預警公式如下：

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

3 實驗研究

記錄A、B 兩個變電站，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，在兩個變電站之間安裝測量裝置，變電站之間的實驗線路連接線長度為45 m，在傳感器和其他裝置之間，用線路連接，保證線路長度為15 m，實驗現(xiàn)場裝置連接圖如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場裝置連接圖

圖6 顯示了絕緣子并聯(lián)氣隙電路，用于模擬絕緣子在實際環(huán)境中的工作狀態(tài)，保證實驗電路局部放電的真實性。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現(xiàn)絕緣子的局部放電，同時能夠防止絕緣子在工作過程中出現(xiàn)貫穿閃絡(luò)。

在完成現(xiàn)場裝置布置后，對電源電壓進行調(diào)節(jié)，設(shè)置現(xiàn)場裝置電路電壓為110 kV，利用絕緣子實現(xiàn)局部放電。同時，使用基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)、文獻[3]方法、文獻[4]方法三種系統(tǒng)進行定位，在預警主機上觀察定位結(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，該文提出的自動預警系統(tǒng)能夠在0.45 s 預測到故障位置，然而傳統(tǒng)的文獻[3]方法和文獻[4]方法反應時間過慢，無法在0.45 s 預測到故障位置發(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，該文提出的自動預警系統(tǒng)始終與實際故障位置相差較小，在1.1～1.6 s，定位故障與實際故障位置基本保持一致，定位能力極強。而文獻[4]方法定位誤差在0～0.5 s 與實際位置相差較大，在0.6 s 之后與實際位置相差在0.5 m 左右。文獻[3]方法始終與實際位置相差過大，難以滿足實際運行要求。

圖9 變電站B定位結(jié)果

4 結(jié)束語

該文將機器視覺技術(shù)應用于電網(wǎng)線路檢修預警領(lǐng)域中，設(shè)計了基于機器視覺的線路檢修流程自動預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了電網(wǎng)線路數(shù)據(jù)的采集與控制，并對電網(wǎng)線路故障進行了預警，在線路預警領(lǐng)域具有較高的應用價值。