隨著無人值守變電站管理模式的全面推廣，在監(jiān)控中心通過現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)對所屬變電站實現(xiàn)遠程實時視頻監(jiān)控、遠程故障和意外情況告警處理，可提高變電站運行和維護的安全性及可靠性，并可逐步實現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度，使電網(wǎng)調(diào)控運行更為安全、可靠。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）開關(guān)的分合狀態(tài)為開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對其的監(jiān)測可提高GIS設(shè)備運行的安全性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GIS中開關(guān)觸頭位置監(jiān)測系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，第一層為傳感器層，安裝在GIS本體上用于采集觸頭位置的圖像信息；第二層為信息集成層，用于獲取所有傳感器的監(jiān)測信息，并把監(jiān)測信息傳送的后臺；第三層為后臺監(jiān)測層，用于處理所有傳感器的信號，并通過圖像識別手段，識別觸頭圖像并進行數(shù)字化處理，實現(xiàn)對觸頭位置的自動監(jiān)測與告警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 傳感器層

傳感器層由安裝在GIS外殼上面，正對開關(guān)觸頭位置的視頻傳感器組成，負責采集開關(guān)觸頭位置的視頻圖像信息，視頻信息通過電纜傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器上。傳感器安裝圖如圖2所示。

1.2 信息集成層

信息集成層由視頻服務(wù)器和交換機組成，視頻傳感器數(shù)量為一個或者一個以上，傳感器與視頻服務(wù)器采用電纜相連接，視頻服務(wù)器與交換機連接，交換機與后臺系統(tǒng)連接。視頻傳感器安裝在GIS殼體上的，通過觀察窗采集GIS內(nèi)部視頻信號，然后通過電纜把視頻模擬信號送入視頻服務(wù)器，視頻服務(wù)器把模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過交換機使用TCP/IP（網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議）把視頻數(shù)據(jù)送入視頻監(jiān)測后臺系統(tǒng)，后臺系統(tǒng)通過解碼和圖像分析把監(jiān)測畫面及分析結(jié)果展現(xiàn)出來，并提供觸頭位置異常報警。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器安裝位置示意圖

1.3 后臺監(jiān)測層

后臺監(jiān)測層由數(shù)據(jù)服務(wù)器組成，負責處理、分析和管理視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)器通過網(wǎng)口與視頻服務(wù)器相連接，如果有多個視頻服務(wù)器，就需要使用網(wǎng)絡(luò)交換機進行組網(wǎng)。視頻監(jiān)測后臺系統(tǒng)可以接收多個視頻服務(wù)器的信號，并對信號進行分析和處理，然后展現(xiàn)在以主接線為表現(xiàn)形式的人機交互界面上。該系統(tǒng)具有用戶管理功能、視頻解碼功能、視頻截圖功能、視頻錄像功能、觸頭位置圖像處理、位置異常報警和數(shù)據(jù)檢索等功能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 視頻傳感器設(shè)計

傳感器要解決安裝在GIS殼體上的密封和照明的問題，并采集GIS觸頭的視頻信號進行編碼和輸出，實現(xiàn)對GIS殼體內(nèi)部觸頭的視頻監(jiān)測，為GIS中開關(guān)觸頭位置監(jiān)測提供了有效的監(jiān)測手段。

GIS視頻傳感器包括傳感器外殼、光學觀察窗、連接法蘭、接插件、CMOS感光芯片、MCU、光源模塊、隔離電源模塊、浪涌保護器和連接接插件。傳感器殼體與光學觀察窗采用螺紋連接，接插件安裝在連接法蘭上，使用螺釘把連接法蘭和傳感器殼體連接。

傳感器的電子元件安裝在傳感器殼體內(nèi)部，通過光學觀察窗采集視頻信號，并把信號通過接插件送出傳感器殼體。GIS設(shè)備內(nèi)部視頻監(jiān)感器的原理圖如圖3所示。視頻傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 視頻傳感器原理圖

圖4 視頻傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2 后臺軟件設(shè)計

GIS觸頭位置視頻監(jiān)測系統(tǒng)后臺軟件，包括主程序模塊、用戶管理模塊、信息交互模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、信號解碼處理模塊、信息采集模塊和數(shù)據(jù)庫等幾個部分。圖像信號通過TCP/IP協(xié)議傳入，經(jīng)過信號解碼處理單元對視頻信號進行分類和解碼和圖像識別，分析后的數(shù)據(jù)傳入主程序模塊；主程序模塊負責協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行，它接受用戶的登錄和操作，協(xié)調(diào)視頻信息的顯示和存儲，所有的監(jiān)測信息都被保存在數(shù)據(jù)庫中方便調(diào)用。軟件原理圖如圖5所示。

GIS中開關(guān)觸頭位置監(jiān)測系統(tǒng)采用主接線的形式實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的管理，符合電力系統(tǒng)運行的一般要求。

圖5 GIS觸頭位置視頻監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備帶電檢測方法與診斷技術(shù)

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2.3 觸頭圖像識別算法研究

（1）圖像識別計算過程

圖6為觸頭圖像處理原理圖，詳細地說明了觸頭圖像的處理過程：①首先，在圖像識別之前，需要預(yù)先獲取合閘到位的標準合閘圖像和分閘到位的標準分圖像，然后對圖像進行灰度處理，把圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；②其次，使用合閘灰度圖像與分閘灰度圖像進行求差處理，獲得只有動觸頭的灰度圖像；③最后，在獲得觸頭灰度圖像后，對灰度圖像進行二值化處理，并進行濾波，獲得觸頭二值化后的圖像，再對觸頭二值化圖像進行輪廓識別獲取動觸頭輪廓圖。觸頭圖像處理的原理圖如圖7所示。

圖6 觸頭圖像處理原理圖

圖7 觸頭圖像處理原理圖

圖8所示為高壓開關(guān)觸頭合位標識線圖。在觸頭合到位后，兩條黑色的觸頭合到位標識線就會露出動觸頭屏蔽罩，通過識別這兩條合位識別線，就可以確定觸頭是否合到位。

圖8 合閘標識線

（2）關(guān)鍵計算方法

（3）圖像求差分割

用觸頭圖像與標準觸頭分圖像進行求差處理，獲得除去背景以外的觸頭的圖像，并使用閥值法對圖像進行二值化處理。處理效果如圖9所示。

圖9 圖像求差分割過程

（4）提取輪廓

使用邊界閉合求取觸頭輪廓技術(shù)，分別獲得標準閉合圖像的輪廓圖、標準分圖像的輪廓圖和當前圖像的輪廓圖。并把輪廓圖存儲在內(nèi)存中待用。

利用邊界技術(shù)提取觸頭圖像輪廓，主要分為兩個步驟：①檢測邊緣點，采用一階微分算子Roberts邊緣檢測算子進行邊緣處理，分離出觸頭的圖像；②組成目標邊界，（使用梯度法連接邊界）提取輪廓效果如圖10所示。

圖10 輪廓提取過程

（5）圖像識別

根據(jù)當前觸頭圖像的輪廓圖與標準合時的輪廓圖進行對比，得到當前觸頭的分合狀態(tài)，并輸出分析結(jié)果，計算方法如圖11所示。

（6）標識線識別方法

標識線識別方法采用上述（1）—（4）的計算方法，計算方式和識別效果如圖12所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已經(jīng)在GIS項目上進行了應(yīng)用，可實現(xiàn)對隔離開關(guān)、接地開關(guān)和快速接地開關(guān)觸頭位置的實時監(jiān)測和告警，可滿足現(xiàn)場運行需求。圖13為傳感器安裝圖。圖14為后臺軟件監(jiān)測畫面。

圖11 計算結(jié)果

圖12 標識線的計算方法

圖13 傳感器安裝圖

圖14 后臺軟件監(jiān)測畫面

結(jié)論

本文通過使用視頻監(jiān)測技術(shù)、圖像識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)，實現(xiàn)了對GIS設(shè)備的觸頭位置的實時監(jiān)測和告警，為GIS設(shè)備觸頭位置分合異常監(jiān)測提供了有效的監(jiān)測方法。