融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監測

林 鵬，陳 聰，徐盛秋，蔡富裕，廖 華

（國網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江臺州 318000）

在天氣轉涼，室外食物減少的情況下，小動物會進入變電站開關柜、配電室、電纜溝等地方取暖過冬。它們之所以能夠順利進入這些變電區域內，一方面是由于變電體系在修建過程中，存在的洞隙可供出入；另一方面是由于監管不嚴，導致門窗閉合不嚴，小動物可以順利進入開關柜及配電室內部[1-2]。配電站內部的走線極為復雜，任何一根電纜及線路的損壞，都有可能導致大規模停電，甚至迫使整個電網體系陷入癱瘓狀態。而小動物進入開關柜及配電室后，不但會啃咬電纜造成電量外泄，還會損壞局部電力體系，引發停電事故或供電危機。

近年來，各大變電站體系主要采取感知哈希矩陣型檢測方法，監測小動物入侵行為。該方法在門、窗等特定位置放置動力感應探頭，且這些探頭之間始終保持串聯關系。利用探頭采集到的監控信息雖然能夠同步傳輸至核心控制主機中，但混雜程度較高，采集到圖像的清晰度受損[3]。一部分人主張在變電站外部加設低壓電網，通過施加傳輸電流的方式，對小動物起到警示作用。然而該方法的危險系數相對較高，極易誤傷路過行人。為解決上述問題，該文引入了紅外傳感器設備，并以此為基礎，設計一種工作效率較高且更安全的變電站異物入侵在線監測方法。

1 異物入侵行為采集

基于紅外傳感器設備，變電站異物入侵行為的采集主要由圖像融合、監測區域劃分兩部分共同組成，具體處理方法如下。

1.1 紅外傳感器設備

在變電站體系中，紅外傳感器設備負責采集小動物入侵行為圖像[4-5]。將采集到的信息參量，以數據流的形式反饋回核心監測主機中，具體結構示意圖如圖1 所示。

紅外傳感器設備常被置于變電站體系中的門、窗等位置處。在非通電情況下，該元件不具備監測與應用的能力。

1.2 入侵圖像融合

入侵圖像融合也叫紅外傳感圖像與小動物入侵行為圖像的融合。為使變電主機能夠準確監測異物入侵行為，在進行圖像融合時，應注重對紅外傳感器設備所采集圖像信息色度值水平的配比[6-7]。紅外傳感圖像色度值指監測結構采集到的圖像數據色溫差數值。一般來說，色溫差水平越高，則表示紅外傳感圖像的色度值越大。假設w表示監測節點的位置信息，dˉ表示紅外傳感圖像的色溫差均值。聯立上述物理量，可將紅外傳感圖像與小動物入侵行為圖像的融合標準條件表示為：

式中，p0表示色度值指標的初始配比系數，pw表示位置信息為w時的色度值指標配比系數。為使入侵圖像融合結果更貼近變電站異物入侵在線監測的實際應用需求，指標w的單次取值結果不應過大[8]。應采取少量多次增加的方式，使其取值結果由初始值上升至最大值。

1.3 監測區域劃分

在變電站體系中，小動物入侵行為的發生位置并不固定。為獲得更為準確的監測結果，應劃分入侵行為的所屬區域。若將已融合的紅外傳感圖像作為研究對象，則可認為在平面直角坐標系中，整個變電站體系由4 個基礎區域組成，且相鄰監測區域的橫、縱坐標并不能完全相同[9-10]。假設E1(x1,y1)、Q2(x2,y2)是兩個隨機選取的監測節點，且它們不屬于同一個坐標區域之中。規定H表示點E1、Q2之間的物理距離，聯立上述物理量，可將指標H表示為：

式中，λ表示由點E1指向點Q2的直線的斜率。設β表示紅外傳感器設備對于小動物入侵行為的監測權限。聯立式（1）-（2），可將監測區域劃分表達式定義為：

式中，ΩS表示紅外傳感器設備所能覆蓋的監測區域面積，ε表示基礎劃分權限。為保證變電站體系的安全運行能力，避免小動物入侵行為的發生，應在已知紅外傳感圖像融合條件的基礎上，對已知監測區域進行精準劃分。

2 變電站異物入侵的在線監測方法

根據已知的異物入侵行為采集結果，按照樣本集合確定、監測指標選取、權重值計算的處理流程，實現融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監測方法的設計與應用。

2.1 樣本集合確定

樣本集合是指能夠容納所有監測信息的數據集空間。由于小動物入侵行為具有迅速性與不確定性的特點，所以樣本集合的覆蓋空間必須足夠大，才有可能將所有監測圖像信息都包含在內[11-12]。設s1、s2、…、sn表示n個不同的小動物入侵行為監測圖像信息，在既定監測區域內，n個s指標的物理數值水平不可能完全相等。?表示基于紅外傳感器設備的入侵圖像查詢系數，χ表示監測圖像信息的度量條件，fmax表示變電站主機所能監測到的小動物入侵行為表現強度的最大值。在上述物理量的支持下，聯立式（3），可將融合圖像與紅外傳感的變電站異物監測樣本集合表示為：

一般情況下，樣本集合中所涉及的監測圖像信息存儲數值量越大，變電站主機所能監測到的小動物入侵行為表現形式也就越多。

2.2 監測指標選取

在樣本集合空間中，監測指標并不是獨立存在的物理變量，而是一類能夠真實反映小動物入侵行為表現能力的系數項指標。由于紅外傳感圖像的清晰度水平較高，所以在選取監測指標時，必須注重對行為變量間相似性的分辨[13-14]。設j1、j2表示兩個不相等的小動物入侵行為表現能力指標，在既定樣本集合空間中，j1＜j2的不等式條件恒成立。r表示與變電站主機匹配的檢測指征值，?表示小動物入侵行為特征的選取標準，D表示既定的紅外傳感圖像感應系數。在上述物理量的支持下，聯立式（4），可將變電站異物入侵在線監測指標的選取表達式定義為：

根據監測指標選取結果，能夠確定已知樣本集合的實用性價值，在此基礎上，按照權重值表達式計算紅外傳感融合圖像中的小動物入侵行為表現強度，可以實現對既定數據信息指標參量的實時在線監測。

2.3 權重值計算

權重值指標可用來衡量變電站主機監測小動物入侵行為的能力，對于已選取的監測指標而言，權重值指標計算結果越大，表示變電站主機監測小動物入侵行為的能力也就越強[15-16]。規定c、v表示兩個隨機選取的小動物入侵行為標度值，對于已采集到的紅外傳感融合圖像而言，c≠v的不等式條件恒成立。bc表示標度值為c時的監測權重項指標，bv表示標度值為v時的監測權重項指標。在上述物理量的支持下，聯立式（5），可將權重值計算式定義為：

式（6）中，M表示核心監測指標，表示異物入侵行為的表現特征。至此，完成相關指標參量的計算與處理，在確保不出現其他干擾條件的情況下，實現融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監測方法的順利應用。

3 實例分析

為突出說明融合圖像與紅外傳感在線監測方法的實際應用價值，設計如下對比實驗。按照圖2 所示原理對實驗組、對照組監測設備進行調試。其中，與實驗監測設備相連的控制主機搭載融合圖像與紅外傳感的變電站異物入侵在線監測方法，與對照組監測設備相連的控制主機搭載感知哈希矩陣檢測方法。

圖2 實驗設備調試原理示意圖

令小動物在變電站外部自由活動，當其進入監測主機的感知范圍內后，控制核心記錄元件，復原小動物入侵行為圖像。復原圖像分辨率能夠反映主控設備監測變電站異物入侵行為的能力。一般來說，復原圖像的分辨率水平越高，主控設備的監測能力也就越強，此時變電站體系的安全運行能力能夠得到較好地促進。

復原圖像分辨率由長度像素數X、寬度像素數Y兩個指標共同組成，在單位監測區域中，X指標與Y指標的取值結果越大，則表示復原圖像的分辨率水平越高，反之則越低。

表1 反映了實驗組、對照組長度像素數X的具體變化情況。

表1 長度像素數X

分析表1 可知，隨著單位監測區域面積的增大，實驗組、對照組長度像素數指標均呈現不斷增大的數值變化趨勢，但實驗組起始數值明顯高于對照組。整個實驗過程中，實驗組長度像素數均值為324.5 DPI，與實驗組指標均值298.6 DPI 相比，上升了25.9 DPI。

表2 反映了實驗組、對照組寬度像素數Y的具體變化情況。

表2 寬度像素數Y

分析表2 可知，與長度像素數相比，寬度像素數指標的數值水平相對較低。對于實驗組數據而言，當單位監測區域面積等于2.5 m2、4.0 m2時，其寬度像素數指標的取值結果相對較大，達到了75 DPI；當單位監測區域面積等于1.5 m2、2.0 m2、2.5 m2、3.5 m2時，其寬度像素數指標的取值結果相對較大為67 DPI，但依然小于實驗組的最大值。

綜上可知，當控制主機搭載融合圖像與紅外傳感的在線監測方法后，其所獲圖像的長度像素數、寬度像素數指標數值水平明顯提高，可以使圖像保持較高的分辨率水平。因此，可認為該方法既能維持變電站體系的安全運行能力，也可以抑制小動物入侵行為的出現，具有較強的實用性價值。

4 結束語

在小動物入侵檢測方法中，傳統感知哈希矩陣型檢測方法的應用能力相對有限，不但不能保證復原圖像的分辨率水平，也不能對變電站體系的安全運行起到促進性影響。該研究的方法準確劃分了監測區域，又通過在樣本集合中計算權重值指標的方式，分析所選取監測指標的有效性。從實用性角度來看，小動物入侵行為復原圖像的分辨率水平大幅提升，能夠在防止小動物入侵行為出現的同時，維護變電站體系的安全運行能力。