变电站刀闸确认视频图像分析研究

廖华 1 申晓杰 2 梁阳 3 陈方之 4

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心 广西南宁 530028

摘 要：变电站的刀闸种类繁多，且彼此之间存在一定的业务操作逻辑关系。为了完成各刀闸的任务，需要做一系列相关的工作，并依次进行操作。传统的手动操作方式不仅效率低下，而且存在着许多安全隐患。目前，一次设备在可靠性方面得到了提高，实现了全电动化，保护装置具有远程终端开关、开关等功能，远程通信、测量、控制和调整也得到了广泛的应用。因此，传统人工检查刀闸位置操作方式的不对称性和现代智能设备的不对称性逐渐显现，从而实现顺序操作成为一种可行的趋势。本文将图像识别技术引入到时序操作中，设计了一种鲁棒性高的智能识别算法，可自动地判断接地刀闸等设备的电流状态，验证设备在执行一定的时序操作后是否真正达到目标状态，并根据识别结论，给出是否按照操作顺序继续执行下一个动作序列的判据，从而有效地提高了设备状态判断的准确性。另外，通过图像采集和传输，以“眼见为实”的方式将远程设备的状态通过图像和视频同步显示给操作者，使操作者可以随时检查，事后追责。

关键词：变电站刀闸 视频图像 分析探究

1. 变电站刀闸确认视频图像分析概述

1. 1. 变电站开关系统设备概述

变电站隔离开关无论电路的工作状态如何，高压开关都可以进行开、关操作。开关负载电流、开关变压器空载电流、开关母线充电电流以及开合短路，这些操作具有不同的特点，其工作气可以用于通关。其中开合短路电流是一种最严重的工作状态，开合时要承受巨大的功率和高温之间的破坏。在进行开关的操作过程中，高压开关的开、关操作应远距离进行。开关时，应将控制开关的操作手柄拧到 "开 "或 "通 "的位置，并停留一定时间，直到发出表示操作完成的光信号。在进行变电站的合闸操作时，要注意合闸回路电流表的读数。当发生短路故障的强电流冲击时，或有三相异动合闸时，应采用控制开关迅速打开合闸，而不是等待继电保护动作跳闸。

在变电站的电力系统当中，刀闸主要分为隔离刀闸、接地短路刀闸和快分刀闸三种，隔离刀闸的目的是在断电设备和带电设备之间建立一个明确的断点，以保证设备检修的安全。隔离开关没有灭弧装置，所以只能用于无电流、无电压的空载电路的开闭，或无电流、无电压的断电设备的开闭。在少数情况下，隔离开关也可用于满足额定电流远小于小电流负荷的场合。

快分开关导电部分的结构与隔离开关无异。触点系统不允许在负荷下工作。本开关还可以对变压器的励磁电流和空载线路的充电电流进行通断操作。快拆开关主要用于高压侧没有开关的变电站。在这样的变电站中，快开开关安装在主变压器的电源侧，同时安装短路接地开关。短路接地开关的作用是。当电力变压器内部发生故障时，短路接地开关迅速闭合，在故障变压器电源侧形成人为的短路电流，下一级继电保护动作，迅速断开电源侧线路。在电源消失后，故障变压器通过快断开关与系统断开。然后，在自动重合闸装置的作用下，电源侧线路又投入运行。

在500kv 电网中，接地短路切割器可采用单相单极刀闸。当接地短路切断器制动器处于开启状态时，操作机构的弹簧紧固，为动作做好准备。为了使接地短路刀闸合闸，故障变压器继电保护装置对接地短路刀闸电磁操动机构给出合闸运行电流，通过杠杆反弹资金的作用来合闸电磁杠杆系统，使接地短路刀闸合闸。从关闭电磁铁的瞬间动作脉冲计算到地面短切刀完全关闭，一般总时间只有几秒钟。

隔离刀闸、快分刀闸和接地短路刀闸的绝缘子表面应保持清洁。由于空气中灰尘的沉积，绝缘子表面脏污，使放电电压。后绝缘子表面在雨天、露天或极度结露时可能发生闪络。在合闸和开闸操作过程中，后绝缘子要承受很大的机械负荷。为了避免绝缘子的破裂，在天气骤冷和严寒天气的情况下，由于瓷器、金属配件和混凝土等不同材料的热膨胀系数不同，柱式绝缘子内部可能会出现很大的应力，此时最好不要有操作方案。

1.2 变电站刀闸状态检测的重要性分析

在电气工程中，刀闸也称为电路系统中的隔离开关，是用来确保电路在使用或维护时完全断电的。这种开关经常在配电和工业应用中发现，高压刀闸用于变电站，用于保养断路器、变压器和输电线路等设备。刀闸通常不用于电路的正常控制，而只用于安全隔离。隔离开关可以手动或电动操作。刀闸缺乏抑制电弧的机制，当载有大电流的导体被电断开时，电弧就会发生。因此，它们是负载不足(放电高电压)或卸载装置，具有非常低的分断能力，只有在电流被其他控制装置中断后才能打开。而刀闸具有锁定标识的规定，因此不允许在变电站工作过程中出现操作。在高压或复杂系统中，这些锁可能是被困住的钥匙联锁系统的一部分，以确保正确的操作顺序。在某些设计中，刀闸具有接地隔离电路的额外能力，从而提供额外的安全性。这种安排将适用于互连电力分配系统的电路，其中电路的两端需要隔离。开关状态的识别是实现单键顺序控制的前提。该智能图像系统能够有效地检测出开关的状态，满足时序控制的第二要求。

2. 变电站刀闸确认视频处理图像分析系统的设计

2.1 变电站刀闸确认视频处理图像分析系统设计思路

变电站顺序操作是指自动化系统按照顺序操作指令或预先设定的操作顺序对装置进行的一系列操作。计算机控制系统自动生成操作指令，根据操作步骤和相关性，自动实现目标设备状态(运行、热备份、冷备份、维护)之间的自动转换，无需人工干预。为了达到这一目标，在完成每一步之后，需要确认: 1)被控设备是否已达到目标状态; 2)达到目标的可信度，3)在进入下一步之前，此操作是否成功; 4)如果此操作不成功，则立即发出警告信息，并自动运行处置计划。目前，变电站顺序操作已逐步被应用于非顺序操作。判断一个或两个电气间隔的设备运行状态是否达到目标状态，主要依据的是实时采集的数字信号、电信号等遥测和遥信信号，如果某些不可控因素(干扰、通信错误等)导致信号判据本身性能异常，就有可能造成事故。因此，需要引入更多的冗余，以进一步提高系统的整体可靠性标准。

2.2 变电站刀闸确认视频处理图像分析系统硬件系统构建

本文通过集成自动化系统的接口，可以实现操作过程的可视化。整个顺序操作不需要人工干预，图像开关与操作序列相匹配，并能及时记录视频和操作过程的进展，一方面实现报警联动，另一方面再现现场场景，帮助技术人员检查事故的发展过程，分析事故原因。图像识别模块的总体框架如图2所示。在变电站点，每个开关柜需要识别的对象包括一个接地开关和一个断路器。摄像机捕捉到的图像通过光纤网络传输到控制中心。当发出远程指令后，通过光纤上传数据，及时采集现场目标图像，避免了变电站存在的电磁干扰，保证了数据传输的质量。在车站控制点对图像进行预处理，利用图像识别算法提取目标特征，然后将识别结果自动报告给核心序贯操作调度模块，从而为序贯操作判断是否成功提供决策依据。

图1 图像识别模块示意图

2.3 变电站刀闸确认视频处理算法设计

在进行变电站刀闸状态确认算法的设计过程中，具体的设计思路如下：

首先，确定实时报警窗口信息和相关运维参数，根据每组预设视频行为特征集中的特征分布信息，对变电站刀闸监控设备中检测到的目标刀闸确认视频图像进行异常特征分析，进一步，将关联运维参数作为各异常特征分布信息的运维对比信息。其次，根据运维比对影响要素信息，分析异常报警对象对应的报警可靠性，得到第一报警可靠性参数，进一步地，通过分析目标开关确认视频图像的报警间隔信息，得到第二报警可靠性参数。最后，对第一报警可靠性参数和第二报警可靠性参数进行统计分析，得到报警可靠性参数集，并判断报警可靠性参数集是否符合预设的报警规则，若符合，则确定目标刀闸确认视频图像为预警训练样本。通过这种设计，最终的报警训练样本能够准确反映报警可靠性特征，进而提高后续样本训练的准确性。

在实际的操作过程中通过依据每组预设视频行为特征集中的特征分布片段信息进行研究和分析，进而对变电站刀闸监控设备中检测到的目标刀闸确认视频图像进行异常特征分析，得到分别与所述多组预设视频行为特征集对应的多个异常特征分布信息，在这一部分的算法设计当中具体包括如下的内容，首先是采集变电站刀闸监控装置检测到的与预设刀闸检测区域设置的每一组预设视频行为特征相对应的触发控制节点信息，以及与触发控制节点信息相对应的触发控制节点信息，其次是根据触发控制节点信息获取对应的触发监测信息中确定的特征分布段信息；根据变电站刀闸监测装置检测到的触发控制节点信息对应的触发监测信息和预设刀闸检测区域的关键特征点和关键分布移动方向，确定与变电站刀闸监测装置对应的多个分布单元。再次是对于每个分布单元，确定分布单元所包含的触发控制节点信息在对应的触发监控信息中的特征分布段信息，得到分布单元对应的特征分布段信息，通过对分布单元对应的触发监控信息中不同特征分布段信息进行分类，得到随机林号分类参数。最后是将随机林数分类参数与预设分类参数进行匹配，确定分布单元对应的目标刀闸确认视频图像；根据各分布单元对应的目标刀闸确认视频图像，确定与各组预设视频行为特征集相匹配的图像特征向量，并对目标刀闸确认视频图像进行异常特征分析，得到分别与多个预设视频行为特征集对应的多个异常特征分布信息。

2.4云服务平台的设计

本文还设计了一种变电站刀闸确认视频图像分析系统，包括云服务平台和变电站刀闸监控设备，所述云服务平台和所述变电站刀闸监控设备通信连接。在图像识别系统的设计过程中，影响图像识别性能的因素很多，如图像采集角度的变化、环境光照条件等。因此，在图像识别模块中，需要对摄像机位置进行检测和修正: 根据图像颜色聚合区域、形状和边缘点等锁定感兴趣区域的特征，比较从数据库中获取特征的距离，确定摄像机位置是否存在“显著”移动，并通过参数配置自动适应摄像机位置的变化。图像质量不仅与相机本身有物理关联，而且与照明条件等环境因素密切相关。为了克服光照对目标图像颜色特征的影响，常用的方法是基于颜色恒常性的彩色图像校正，其中典型算法包括 Retinex 、色域映射等。本文采用提取光照不变量的方法，即小波去噪模型，提取与光照无关、能反映物体表面反射颜色的特征。在图像识别的过程中，开关和接地开关在序列操作中具有明显的颜色特征，不同的状态具有不同的颜色特征，并且它们与背景颜色有很大的不同。因此，我们根据颜色特征对开关区域进行分离。然而，由于光照条件和摄像机角度不同，颜色范围可能发生变化，导致目标分割失败，因此，系统采用了基于学习和扩展的颜色分布范围提取方法。根据目标颜色分布的不同特点，在距离测量中，分别给出不同权重的 HSV 颜色模型。另一方面，为了避免由于原始图像质量差而无法识别图像的问题，我们将图像直方图的特征相似性与训练语料库中的直方图进行比较，如果相似性小于预设的范围，系统将无法识别，并给出信息。

2.5 设备现场试验

在现场试验过程中，断路器的特点如图所示：

图 2 开关刀闸状态识别示意图

经过多次试验，在断路器柜门关闭、摄像机照度相对稳定的情况下，断路器能够正确识别速率。然而，测试也表明了识别算法对光照的敏感性，即如果光照太强超过了系统的色彩分布范围的搜索范围，系统将给出拒绝识别的警告信息，从而出于安全的考虑，系统将暂停下一步，显示现场图像等待人工确认。此外，为了增强接地刀闸动作的目标特征，反射带粘贴在刀的金属杆上。实验结果表明，在正常的操作过程中，刀闸对目标图像采集的响应速度快，图像清晰，基于图像识别决策的辅助决策分析模块给出的目标状态能够准确地匹配实际的目标动作状态，识别率接近100% 。本实验也反映了识别结论的光照敏感性，并在开门、人工增加超强光照等情况下进行，其中识别拒绝发生较多，但不出现错误识别。在序贯操作系统的实际运行中，错误识别的后果十分严重，因此，建立一个训练库，首先比较图像的相似度，然后再进行图像识别，确定图像的质量，在很大程度上保证了系统的安全性。此外，在测试中不仅发现了接地刀闸的分离状态和闭合状态，而且还发现了“居间态” ，即非分离和非闭合状态。在分析中，我们发现接地叶片从原始状态切换到目标状态需要一定的时间，如果我们在动作执行过程中捕捉图像，它所收集的既不是封闭的也不是分离的状态，而是“居间态”为了避免断路器的误判，将图像采集时间放在第一个判据完成后，即在电信号显示装置达到目标状态后才开始采集图像，图像识别将作为第二个判据，此时接地刀闸的电气机构已完成实施，接地刀闸处于稳定状态，可有效防止误判。

3. 结束语

综上所述，在变电站刀闸确认工作过程中引入图像识别技术，自动识别设备的目标状态，增强了冗余判据，提高了操作的可靠性。同时，在一定程度上实现了野外作业的可视化，除了图像识别之外，操作人员还可以以“眼见为实”的方式观察目标装置的作业过程。通过现场试验，将图像识别程序化操作系统辅助判据应用于城区110KV 级 GIS 示范变电站，系统运行稳定。下一步将继续优化图像采集框架，减少延迟和干扰，并在不方便布线的环境中使用无线图像传输。同时，需要进一步优化图像识别处理和识别算法，使算法具有更强的自适应性和鲁棒性，并尝试基于运行过程中采集的样本进行自学习，使变电站的顺序运行达到更高的智能水平。

参考文献：

[1]崔大铭. 变电站视觉感知可视化系统应用研究[D].昆明理工大学,2018.

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[3]何书毅,何启远,郑丁,黄美琴,李强,汪金礼. 基于视频图像技术的变电站智能化应用系统研究[J]. 测试技术学报,2018,32(01):65-70.

[4]滕井玉,蒋正威,杜奇伟,刘永新,江波,金红华. 基于视频集成及智能分析的一键式程序化控制技术研究[J]. 电力系统保护与控制,2017,45(17):72-76.

作者简介：

廖华；出生年月：198108；性别：男；民族：汉；籍贯：广西玉林；单位：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心；职称：高级工程师；学历：硕士研究生；研究方向：变电运维；

申晓杰 出生年月：1989年3月 性别：男；民族：汉；籍贯：河南省安阳市；单位：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心；职称：工程师；学历：大学本科；研究方向：计算机科学与技术

梁阳；出生年月：1968年09月；性别：男；民族：壮族；籍贯：广西田阳；单位：南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心；职称：工程师；学历：大学本科生；研究方向：电力系统自动化主站运维；

陈方之；出生年月：197309；性别：男；民族：汉；籍贯：广西玉林市陆川县；单位：中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁监控中心；职称：工程师；学历：大学本科；研究方向：变电运维；

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