基于GIS融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法

摘 要：變電缺陷運(yùn)檢是智慧變電站的重要組成部分，其可以智能化識(shí)別定位變電缺陷，為變電維修提供依據(jù)。使用現(xiàn)行方法運(yùn)檢效果不佳，不僅缺陷漏檢比例比較高，而且缺陷定位相對(duì)偏差比較大，因此本文提出基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法。利用無(wú)人機(jī)搭載工業(yè)相機(jī)和GIS設(shè)備，感知變電圖像和地理信息數(shù)據(jù)，對(duì)圖像進(jìn)行均衡化、歸一化預(yù)處理，利用圖像閾值分割識(shí)別變電缺陷，采用GIS技術(shù)定位變電缺陷，完成基于GIS融合的智能變電缺陷運(yùn)檢。試驗(yàn)證明應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法，變電缺陷漏檢比例和定位相對(duì)偏差不超過(guò)1%，在智能變電缺陷運(yùn)檢方面應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：GIS融合；智能變電缺陷；運(yùn)檢；無(wú)人機(jī)；工業(yè)相機(jī)

中圖分類號(hào)：TM 726" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

變電站是電力系統(tǒng)的核心部分，設(shè)備老化、操作不當(dāng)和環(huán)境變化等多種因素導(dǎo)致變電站在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種缺陷和故障。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理這些缺陷和故障，就不能保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重事故。綜上所述，變電站缺陷檢測(cè)與運(yùn)維工作具有重要意義。

文獻(xiàn)[1]提出基于輪廓線與特征融合的運(yùn)檢方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和形態(tài)學(xué)濾波算法，對(duì)變電設(shè)備三維圖像進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)檢。文獻(xiàn)[2]提出基于電力大數(shù)據(jù)的運(yùn)檢方法，結(jié)合電力大數(shù)據(jù)技術(shù)和紅外成像技術(shù)，分析變電主設(shè)備缺陷的發(fā)生規(guī)律，識(shí)別變電缺陷。

雖然傳統(tǒng)方法在一定程度上提高了智能變電缺陷運(yùn)檢效率，但是仍然存在局限性。例如很難發(fā)現(xiàn)隱蔽性強(qiáng)的缺陷，雖然能夠發(fā)現(xiàn)部分缺陷，但是運(yùn)檢周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜和成本高，不能反映設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)中的真實(shí)狀況。因此，本文提出基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法，該方法新型、高效，對(duì)提高變電站運(yùn)維效率、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 智能變電圖像感知以及預(yù)處理

在智能變電站中的設(shè)備，例如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)和變壓器等，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)故障，這些故障對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。智能變電圖像感知系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)變電站的設(shè)備和環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，為運(yùn)維人員提供準(zhǔn)確的信息。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)變電站運(yùn)行圖像進(jìn)行感知，根據(jù)需求采用JGHFA-A5F5工業(yè)相機(jī)作為變電缺陷運(yùn)檢設(shè)備，使用無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)對(duì)變電圖像進(jìn)行抓拍，后續(xù)需要融合GIS技術(shù)對(duì)變電缺陷進(jìn)行定位，因此在無(wú)人機(jī)上安裝GIS設(shè)備，實(shí)時(shí)采集地理數(shù)據(jù)信息。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相機(jī)焦距、拍攝頻率和分辨率，確定無(wú)人機(jī)航高、飛行速度和飛行角度等參數(shù)。

利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將工業(yè)相機(jī)感知的圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)，由于在工業(yè)環(huán)境中可能存在光線不足的情況或存在其他干擾因素，因此經(jīng)過(guò)相機(jī)感知的圖像會(huì)出現(xiàn)曝光不足的問(wèn)題。該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致圖像過(guò)暗，細(xì)節(jié)丟失，影響后續(xù)圖像處理和分析。為保證后續(xù)缺陷檢測(cè)精度，在圖像傳輸至計(jì)算機(jī)后，相機(jī)感知的圖像可能存在曝光不足等問(wèn)題，因此對(duì)采集的變電設(shè)備圖像進(jìn)行均衡化處理。采用直方圖均衡化、自適應(yīng)直方圖均衡化等方法進(jìn)行圖像均衡化。這些方法能夠根據(jù)不同圖像的特點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整均衡化的參數(shù)，以達(dá)到最佳的圖像增強(qiáng)效果。經(jīng)過(guò)均衡化處理的變電設(shè)備圖像不僅能夠更清晰地展示設(shè)備的細(xì)節(jié)和紋理，還能夠提高后續(xù)缺陷檢測(cè)算法的識(shí)別率和準(zhǔn)確率。設(shè)變電圖像基本單元為s，圖像最大灰度值為N，圖像均衡化處理過(guò)程如公式（1）所示[3]。

D=N×s/H " " " " " （1）

式中：D為均衡化后的圖像灰度值；H為均衡化函數(shù)。在圖像經(jīng)過(guò)均衡化處理后，對(duì)比度得到顯著提升，能夠更清晰地顯示圖像中的細(xì)節(jié)。僅提升對(duì)比度不能滿足圖像分析的全部需求，因此，對(duì)圖像的分辨率進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行歸一化處理，消除不同圖像之間尺寸和分辨率差異帶來(lái)的干擾。圖像歸一化處理后如公式（2）所示。

V=D×F " " " " " " （2）

式中：V為歸一化后的變電設(shè)備圖像；F為歸一化系數(shù)，其計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示[4]。

F=（KO+PL）·N " " " （3）

式中：KO、PL分別為變電設(shè)備圖像位寬和分辨率。

利用歸一化處理將圖像數(shù)據(jù)縮放至統(tǒng)一范圍。由于不同的變電缺陷在圖像中差異較大，因此，為了更好地適應(yīng)這種差異并提高運(yùn)檢的準(zhǔn)確性，結(jié)合形態(tài)學(xué)濾波原理，針對(duì)不同的隱患缺陷類型，使用不同的濾波器或?yàn)V波器組合，對(duì)感知的缺陷圖像采用平滑處理、邊緣檢測(cè)等操作方法，以突出缺陷特征并抑制背景噪聲。

2 智能變電缺陷識(shí)別

智能變電站的圖像可能會(huì)受到各種噪聲和干擾的影響，例如電磁干擾、光線變化和設(shè)備老化等，這些都會(huì)使圖像質(zhì)量下降，影響后續(xù)的分析和識(shí)別。因此，在完成歸一化處理后，為了進(jìn)一步提高缺陷的識(shí)別效果，對(duì)圖像閾值進(jìn)行分割。閾值分割是一種設(shè)定1個(gè)或多個(gè)閾值來(lái)將圖像劃分為不同區(qū)域的圖像分割方法，可以將圖像中的目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域進(jìn)行分離，使目標(biāo)區(qū)域更加突出，提高缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確性。閾值分割還可以根據(jù)圖像的灰度特性自動(dòng)選擇閾值，進(jìn)一步提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。在本場(chǎng)景中，根據(jù)自適應(yīng)分割閾值?來(lái)確定變電缺陷的像素值，為了消除光照等外界環(huán)境對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，確定識(shí)別像素閾值?，如公式（4）所示。

?=η+ku" " " " " （4）

式中：η為變電設(shè)備圖像像素方差；k為變電設(shè)備圖像像素均值；u為變電缺陷的像素值，根據(jù)歸一化后的圖像和像素分割閾值可以得到u，其計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

將u與標(biāo)準(zhǔn)像素值進(jìn)行對(duì)比，以識(shí)別智能變電缺陷識(shí)別結(jié)果，識(shí)別過(guò)程如公式（6）所示[5]。

式中：b為智能變電缺陷識(shí)別結(jié)果；0為非缺陷；1為缺陷；λ為變電設(shè)備圖像標(biāo)準(zhǔn)像素值。

使用上述方法識(shí)別變電缺陷可能會(huì)消耗過(guò)多的計(jì)算資源，導(dǎo)致識(shí)別效率降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用等價(jià)交換處理的方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)智能變電圖像缺陷像素進(jìn)行加權(quán)處理。加權(quán)處理允許算法根據(jù)像素的重要性分配不同的計(jì)算資源。對(duì)缺陷像素來(lái)說(shuō)，可以分配更多的計(jì)算資源以保證準(zhǔn)確識(shí)別；對(duì)非缺陷像素來(lái)說(shuō)，可以減少計(jì)算資源，對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行優(yōu)化和分配。將加權(quán)后的變電圖像缺陷像素代入公式（5），識(shí)別變電缺陷。

3 基于GIS融合的缺陷定位檢測(cè)

在缺陷識(shí)別后，如果不能迅速定位并處理缺陷，就可能會(huì)導(dǎo)致故障擴(kuò)大，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，甚至造成停電事故。GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，可以精確到具體的設(shè)備或組件，提高缺陷定位的精度。利用GIS融合將電力設(shè)備的空間位置信息與實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。因此，融合GIS技術(shù)對(duì)識(shí)別的變電缺陷進(jìn)行定位，將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢過(guò)程中采集的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用掃描或繪制的方式創(chuàng)建矢量化地形圖并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供后續(xù)使用。

但是，在數(shù)字化過(guò)程中，受到多種因素影響，矢量化后的地形圖與真實(shí)地貌間的信息不一致或不準(zhǔn)確。針對(duì)上述問(wèn)題，利用GIS中的偏移量轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修正，提高其精度，為故障定位等應(yīng)用提供更可靠的信息[6]。

同時(shí)，為了更有效地利用這些數(shù)據(jù)，須進(jìn)行分類和分層處理。根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和用途將其分為不同的層級(jí)和類別，使數(shù)據(jù)在GIS系統(tǒng)中的可視化表達(dá)更加清晰、直觀。利用不同的顏色、符號(hào)和線型等視覺(jué)元素區(qū)分不同層級(jí)和類別的數(shù)據(jù)，便于用戶快速識(shí)別和理解數(shù)據(jù)所代表的信息，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系[7]。在缺陷定位方面，使用空間地理位置信息和地理圖形信息這2種關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其定位如公式（7）所示[8]。

式中：E為變電缺陷位置；X、Y分別為變電缺陷在GIS地圖坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；x、y分別為缺陷點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；xu、yu分別為缺陷點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；S為智能變電缺陷運(yùn)檢長(zhǎng)度。

經(jīng)過(guò)以上步驟定位至變電缺陷的具體位置，識(shí)別基于GIS融合的智能變電缺陷，其流程如圖1所示。

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

以某變電站為試驗(yàn)對(duì)象檢驗(yàn)本文提出的基于 GIS 融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法的性能，該變電站使用時(shí)間比較長(zhǎng)，部分設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，符合試驗(yàn)需求。采用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)該變電站進(jìn)行缺陷運(yùn)檢，根據(jù)實(shí)際情況，試驗(yàn)準(zhǔn)備了1臺(tái)六旋翼無(wú)人機(jī)、1臺(tái)工業(yè)相機(jī)和1臺(tái)GIS設(shè)備，運(yùn)檢參數(shù)設(shè)定如下。

無(wú)人機(jī)：航高設(shè)置為1 000 m，航速設(shè)置為10 km/h，航線長(zhǎng)度設(shè)置為5 000 m。相機(jī)：焦距設(shè)置為3.55 mm，拍攝頻率設(shè)置為2.62 Hz，拍攝周期設(shè)置為1.5 s，分辨率設(shè)置為4 560 ppi×4 560 ppi。對(duì)變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢，共采集10 000張圖像，2.623 GB地理信息數(shù)據(jù)。根據(jù)以上參數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，識(shí)別變電缺陷，分析地理信息數(shù)據(jù)，定位變電缺陷。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

隨機(jī)選取8個(gè)樣本，其運(yùn)檢結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，使用本文方法在智能變電缺陷運(yùn)檢中定位的缺陷與實(shí)際位置基本一致。本文方法使用的GIS技術(shù)能夠?qū)o(wú)人機(jī)拍攝的變電圖像與地理空間信息相結(jié)合，可以直觀地顯示變電缺陷的地理位置、分布情況和嚴(yán)重程度等信息，為變電缺陷的定位提供豐富的空間數(shù)據(jù)支持。本文方法結(jié)合GIS技術(shù)和無(wú)人機(jī)拍攝技術(shù)對(duì)圖像信息與地理空間信息進(jìn)行有效融合。這種融合使圖像中的缺陷信息能夠與實(shí)際的地理位置進(jìn)行精確匹配，提高了定位精度，精確定位變電缺陷。因此，本文方法能夠完成智能變電缺陷運(yùn)檢任務(wù)，結(jié)合記錄的運(yùn)檢結(jié)果對(duì)方法性能進(jìn)行測(cè)評(píng)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)使用漏檢比例和定位相對(duì)偏差。漏檢是變電缺陷運(yùn)檢中常見(jiàn)的問(wèn)題，因此本次試驗(yàn)以漏檢比例驗(yàn)證運(yùn)檢精度。漏檢比例為運(yùn)檢中未識(shí)別檢測(cè)的樣本與總樣本的比例，漏檢比例越高，變電缺陷識(shí)別檢測(cè)精度越低。定位相對(duì)偏差可以表示運(yùn)檢中缺陷定位的準(zhǔn)確性，其計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示。

式中：v為變電缺陷運(yùn)檢中定位相對(duì)偏差；X0、Y0分別為變電缺陷實(shí)際橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

為了使本次試驗(yàn)具有參考價(jià)值，將文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法與本文方法進(jìn)行比較，3種方法變電缺陷漏檢比例見(jiàn)表3，3種方法變電缺陷定位相對(duì)偏差曲線如圖2所示。

由表3可知，使用本文方法進(jìn)行變電缺陷運(yùn)檢，缺陷漏檢比例不超過(guò)1%，使用文獻(xiàn)[1]方法漏檢比例超過(guò)5%，使用文獻(xiàn)[2]方法漏檢比例超過(guò)10%，均高于本文方法，說(shuō)明使用本文方法效果更好。由圖3可知，使用本文方法進(jìn)行變電缺陷運(yùn)檢，缺陷定位相對(duì)偏差不超過(guò)1%，文獻(xiàn)[1]方法漏檢比例超過(guò)2%，文獻(xiàn)[2]方法漏檢比例超過(guò)3%，均高于本文方法，說(shuō)明使用本文方法效果更好。試驗(yàn)結(jié)果表明本文方法在智能變電缺陷運(yùn)檢方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文方法對(duì)智能變電圖像缺陷像素進(jìn)行加權(quán)處理，突出了缺陷區(qū)域在圖像中的特征，使識(shí)別算法更加聚焦于缺陷區(qū)域，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率。由于電力系統(tǒng)的要求是實(shí)時(shí)性高，因此采用高效、準(zhǔn)確的識(shí)別方法對(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理缺陷具有重要意義。同時(shí)，融合GIS技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位，進(jìn)一步提高了運(yùn)檢的效率和準(zhǔn)確性。采用本文方法可以有效減少受非關(guān)鍵信息干擾導(dǎo)致缺陷漏檢和誤檢現(xiàn)象，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。綜上所述，使用本文方法可以對(duì)變電缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)運(yùn)檢。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究基于GIS融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法，這種創(chuàng)新性的方法保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。GIS技術(shù)的強(qiáng)大空間信息處理能力和智能運(yùn)檢技術(shù)的精準(zhǔn)高效性相結(jié)合，不僅很大程度地提升了變電設(shè)備缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，也為電網(wǎng)運(yùn)維工作帶來(lái)了變革。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，電網(wǎng)運(yùn)維面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，基于GIS融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為解決這些問(wèn)題的有力工具。未來(lái)基于GIS融合的智能變電缺陷運(yùn)檢方法將繼續(xù)發(fā)揮其在電網(wǎng)運(yùn)維中的重要作用。

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