雙目視覺技術(shù)在變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別中的應(yīng)用研究

黃德華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司肇慶供電局，廣東 肇慶 526060）

0 引 言

隔離開關(guān)（俗稱“刀閘”）是高壓開關(guān)電器中使用最多的一種電器，工作原理及結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。由于使用量大和工作可靠性要求高，它對(duì)變電所、電廠的設(shè)計(jì)、建立以及安全運(yùn)行的影響較大[1]。目前，倒閘操作是變電站日常運(yùn)行中最重要的運(yùn)維內(nèi)容之一。倒閘操作的成功與否直接關(guān)乎到電網(wǎng)的安全運(yùn)行[2]。現(xiàn)階段，多采用人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和主觀判斷的手段，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且效率低，尤其是位置偏遠(yuǎn)的變電站，且易受到觀測(cè)者的主觀影響。本文使用雙目視覺技術(shù)識(shí)別刀閘狀態(tài)，使圖像識(shí)別由定性分析演變?yōu)槎糠治?，可為變電站智能化操作提供可靠判?jù)，推動(dòng)變電站的無人化進(jìn)程。

1 雙目視覺技術(shù)原理

雙目立體視覺基于視差原理，由多幅圖像獲取物體三維幾何信息[3]。實(shí)際操作中，雙目視覺一般由兩個(gè)攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲取被測(cè)目標(biāo)的兩幅數(shù)字圖像。兩個(gè)攝像機(jī)和被測(cè)目標(biāo)三者之間構(gòu)成一個(gè)完整的三角形。已知兩個(gè)攝像機(jī)的空間位置，通過三角幾何原理計(jì)算和重構(gòu)，獲取兩個(gè)攝像機(jī)公共視場(chǎng)內(nèi)任意目標(biāo)物體的三維幾何信息。

圖1為簡(jiǎn)單的雙目視覺技術(shù)原理圖。兩攝像機(jī)的投影中心連線的距離，即基線距離B。左右相機(jī)在同一時(shí)刻觀看時(shí)空物體的同一特征點(diǎn)P，相當(dāng)于人的“左眼”和“右眼”獲取了點(diǎn)P的圖像。點(diǎn)P在左右相機(jī)的成像點(diǎn)坐標(biāo)分別為Pleft（Xleft，Yleft）和Pright（Xright，Yright）。將兩攝像機(jī)固定在同一平面上，則點(diǎn)P的成像坐標(biāo)的Y坐標(biāo)是相同的，即Yleft=Yright=Y。根據(jù)三角幾何原理，視差是同一個(gè)空間點(diǎn)在兩個(gè)相機(jī)成像中對(duì)應(yīng)的X坐標(biāo)的差值，即Disparity=Xleft-Xright，則點(diǎn)P在左相機(jī)坐標(biāo)系下的位置可以表示為：

因此，對(duì)于空間中任意一點(diǎn)，只要左攝像機(jī)像面上的任意一點(diǎn)能在右攝像機(jī)像面上找到對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)，就完全可以計(jì)算該目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的運(yùn)算，像平面上所有點(diǎn)只要存在相應(yīng)的匹配點(diǎn)，就可以參與上述運(yùn)算，從而獲取對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)。

圖1 雙目視覺技術(shù)原理

2 基于雙目視覺的變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別

基于雙目視覺的變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別的前端采集裝置，是兩個(gè)高清攝像頭組成的雙目視覺裝置，通過固定架安裝在隔離開關(guān)附近的預(yù)設(shè)位置上。在采集刀閘及其靶標(biāo)的左右攝像頭圖像后，通過交換設(shè)備傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集到的圖像輸入到設(shè)置在總控室的計(jì)算分析系統(tǒng)，然后系統(tǒng)對(duì)所述刀閘和靶標(biāo)圖像進(jìn)行計(jì)算處理。通過提取刀閘圖像上的目標(biāo)靶標(biāo)位置，尋找兩個(gè)攝像頭圖像當(dāng)中的同名點(diǎn)并建立對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)關(guān)系，從而計(jì)算兩個(gè)同名點(diǎn)之間的距離。圖2為刀閘靶標(biāo)位置示意。

圖2 刀閘靶標(biāo)位置示意

獲得同名點(diǎn)之間的距離后，判斷點(diǎn)距是否落在刀閘閉合距離區(qū)間、刀閘開啟距離區(qū)間或不處于開閉任一距離區(qū)間，從而獲得一個(gè)刀閘開閉狀態(tài)或異常狀態(tài)信息作為后續(xù)狀態(tài)投票依據(jù)。最終，結(jié)合多個(gè)點(diǎn)距獲取多個(gè)狀態(tài)信息后，以狀態(tài)投票方式?jīng)Q定得票數(shù)最高的狀態(tài)為最終輸出狀態(tài)，從而辨識(shí)隔離開關(guān)的合閘狀態(tài)是否開合正常。

3 基于雙目視覺的變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別在試點(diǎn)變電站中的應(yīng)用

3.1 試點(diǎn)變電站基本情況

選取某一35 kV小型敞開式變電站作為試點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)圖像識(shí)別作為輔助判據(jù)，確保刀閘設(shè)備分合到位。該變電站占地面積約3 000 m2，分為主變區(qū)域（2臺(tái)主變，總?cè)萘?0 MVA）、35 kV高壓區(qū)域（單母線分段接線，終期10個(gè)間隔，現(xiàn)有8個(gè)間隔，其中2回線路間隔，各間隔地刀、空開均為手動(dòng)操作）、繼保室區(qū)域、10 kV設(shè)備室區(qū)域以及電容器等其他區(qū)域。

3.2 刀閘狀態(tài)雙目圖像識(shí)別流程

以單組刀閘為例，刀閘狀態(tài)雙目識(shí)別流程如下。

（1）調(diào)度員向調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)倒閘操作指令，待操作指令完成后，調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)向視頻平臺(tái)下發(fā)刀閘圖像識(shí)別任務(wù)。

（2）視頻綜合管理平臺(tái)自動(dòng)觸發(fā)預(yù)設(shè)好的與倒閘操作一一對(duì)應(yīng)的刀閘巡視任務(wù)。

（3）聯(lián)動(dòng)的攝像機(jī)到達(dá)對(duì)應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)，抓拍指定刀閘A、B、C共3組圖片，隨后將抓拍圖片通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到智能分析服務(wù)器。

（4）智能分析服務(wù)器對(duì)刀閘狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、分析，狀態(tài)包括開、合、其中一或兩項(xiàng)未動(dòng)作或無法分析，并將分析結(jié)果發(fā)送至視頻綜合管理平臺(tái)。

①當(dāng)?shù)堕l三相狀態(tài)分析結(jié)果同時(shí)為“開”狀態(tài)，分析結(jié)果存儲(chǔ)為“開”；

②當(dāng)?shù)堕l三相狀態(tài)分析結(jié)果同時(shí)為“關(guān)”狀態(tài)，分析結(jié)果存儲(chǔ)為“關(guān)”；

③除了以上兩種情況以外，其他情況的分析結(jié)果存儲(chǔ)均為“異?！?。

（5）視頻綜合管理平臺(tái)根據(jù)智能分析服務(wù)器的分析結(jié)果自動(dòng)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)應(yīng)用，聯(lián)動(dòng)信息發(fā)送動(dòng)環(huán)主機(jī)，聯(lián)動(dòng)報(bào)警輸出。

（6）環(huán)境采集單元根據(jù)視頻綜合管理平臺(tái)分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為一一對(duì)應(yīng)的硬接點(diǎn)信號(hào)，開（0.1）、合（1，0）以及異常（0，0），并發(fā)送到測(cè)控裝置。

（7）測(cè)控裝置檢測(cè)硬接點(diǎn)信號(hào)并按規(guī)則分類，將分類后結(jié)果發(fā)送至調(diào)度系統(tǒng)作為輔助判據(jù)信息存儲(chǔ)。

3.3 刀閘狀態(tài)雙目圖像識(shí)別運(yùn)行測(cè)試

在變電站初步改造完畢后，以是否能夠有效判別刀閘狀態(tài)對(duì)變電站進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)一鍵式調(diào)度。

當(dāng)?shù)堕l狀態(tài)更改時(shí)，設(shè)備列表將顯示對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的A、B、C共3個(gè)刀閘的狀態(tài)。未進(jìn)行倒閘操作前，對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的A、B、C刀閘狀態(tài)均顯示“閉合”。完成倒閘操作后，對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的A、B、C隔離開關(guān)狀態(tài)均顯示“開啟”。

本次完成的倒閘操作驗(yàn)證了雙目視覺技術(shù)在變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別中的實(shí)用性。通過雙目視覺技術(shù)，結(jié)合目標(biāo)靶標(biāo)識(shí)別，建立坐標(biāo)分析計(jì)算的方法，精確識(shí)別測(cè)量刀閘動(dòng)靜觸頭的相對(duì)距離，為判斷刀閘開合是否處于要求范圍提供了強(qiáng)有力的判斷依據(jù)。相比于單純使用圖像識(shí)別技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)，這樣能夠大幅提高視覺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，降低誤判的可能性。

作為視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)圖像傳輸顯示，運(yùn)維人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀閘閉合的實(shí)際情況，無需到變電站現(xiàn)場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)刀閘的監(jiān)控與管理。在刀閘發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)識(shí)別、測(cè)量并報(bào)告狀態(tài)，運(yùn)維人員可通過實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行人工二次確認(rèn)，進(jìn)而提高變電站日常運(yùn)行管理維護(hù)的效率，降低發(fā)生事故的概率。

4 結(jié) 論

本文研究雙目視覺技術(shù)在變電站刀閘狀態(tài)圖像識(shí)別方面的應(yīng)用。通過雙目視覺裝置提取變電站內(nèi)刀閘狀態(tài)實(shí)時(shí)畫面，提取刀閘上靶標(biāo)三維位置進(jìn)行計(jì)算同組圖像中兩個(gè)靶標(biāo)的點(diǎn)距，并比對(duì)系統(tǒng)中刀閘絕對(duì)打開和絕對(duì)閉合狀態(tài)點(diǎn)距，輸出刀閘實(shí)時(shí)狀態(tài)，有效提升了圖像識(shí)別的有效性和準(zhǔn)確性。選取某變電站作為試點(diǎn)變電站，對(duì)該變電站進(jìn)行定制化改造。通過站內(nèi)實(shí)際測(cè)試，證明了此項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)識(shí)別刀閘狀態(tài)，進(jìn)一步提高了圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性，為變電站智能化操作提供了可靠判據(jù)，有效推動(dòng)了變電站的無人化進(jìn)程。