CN112268621A - 一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，包括一体化壳体以及设置在一体化壳体内的信息处理板、红外测温探测器和可见光成像探测器，所述的红外测温探测器由红外镜头、红外探测器、图像采集板一、温度处理板和板载存储卡一顺序连接组成，所述的可见光成像探测器由可见光镜头、CMOS探测器、图像采集板二、图像处理板和板载存储卡二顺序连接组成，所述的信息处理板包括图像处理电路、电源转换接口、网络接口以及同步触发电路；通过本发明装置，可对隔离开关的分合闸状态和触头接触状态同时进行实时监测，为电网后台专家系统提供信息支撑，并有效降低设备成本和现场施工安装成本。

Description

一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置

技术领域

本发明属于电力电网技术领域，具体涉及一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置。

背景技术

隔离开关作为电网关键设备，是能源互联网的“基石”。隔离开关直接关系到电网安全稳定运行，对其进行有效、主动、可靠的安全评估、风险预警和故障诊断至关重要。

隔离开关刀闸的分合闸状态和触头温度是需要进行实时监控的两项重要信息。目前，对于分合闸状态，有微动开关、姿态传感器、视频联动等技术手段；对触头温度，有测温螺栓、RFID测温传感器、声表面波传感器、红外测温等技术手段。各项技术优缺点如下：

使用微动开关来监测分合闸状态可提供硬接点信息，工作温度可靠，但是信息量少、无法为电网后台专家系统提供信息支撑；而且与隔离开关一体化安装，维护不便、易受强电磁干扰。

使用姿态传感器来监测分合闸状态可提供较为丰富的刀闸状态信息和刀闸运动状态中间信息，为电网后台专家系统提供信息支撑，但缺点是与隔离开关一体化安装，维护不便、易受强电磁干扰。

使用视频联动来监测分合闸状态可提供较为丰富的刀闸状态信息，为电网后台专家系统提供信息支撑，而且安装位置较为灵活，数字化传输不受干扰，但缺点是需要现场布线。

使用测温螺栓来监测触头温度可以接触式无线测温，测温范围-40℃～+125℃，缺点是安装在导电臂上触头发热点附近，维护不便、易受电磁干扰。测量温度范围低，无法监测刀闸高温状态。

使用RFID测温传感器来监测触头温度也可以接触式无线测温，测温范围-40℃～+150℃，缺点是安装在导电臂上触头发热点附近，维护不便、易受电磁干扰，而且测量温度范围低，无法监测刀闸高温状态。

使用声表面波传感器来监测触头温度也可以接触式无线测温，测温范围-20℃～+200℃，缺点同样是安装在导电臂上触头发热点附近，维护不便、易受电磁干扰，而且测量温度范围低，无法监测刀闸高温状态。

使用红外测温方式来监测触头温度可以非接触式红外测温，测温范围-40℃～+1200℃，优点是安装位置较为灵活，传输不易受到干扰，应用较为成熟，但缺点是成本较高。

目前，尚无成熟的解决方案对隔离开关的分合闸状态和触头接触状态同时进行监测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，包括一体化壳体以及设置在一体化壳体内的信息处理板、红外测温探测器和可见光成像探测器；所述的红外测温探测器由红外镜头、红外探测器、图像采集板一、温度处理板和板载存储卡一顺序连接组成；红外探测器获取外部温度信息，通过图像采集板一采样、转换数据并传递给温度处理板，温度处理板对数据进行非均匀校正、噪声抑制、信号增强处理后，先计算全画幅最高温度、最低温度、平均温度及中心温度，再自动按照分区设置情况计算多个局部区域内的最高温度、最低温度、平均温度及中心温度，将温度数据通过板载存储卡一保存下来，用于绘制温升曲线，按照设置情况选择温度数据在图像界面上进行叠加，并将温升曲线也叠加在图像界面上，然后传递给信息处理板；所述的可见光成像探测器由可见光镜头、CMOS探测器、图像采集板二、图像处理板和板载存储卡二顺序连接组成；CMOS探测器获取可见光波段亮度信息完成光电转换输出电信号，通过图像采集板二采样、转换数据并传递给图像处理板，图像处理板对数据进行噪声抑制、信号增强、伽马校正处理后，传递给信息处理板；所述的信息处理板包括图像处理电路、电源转换接口、网络接口以及同步触发电路，信息处理板接收来自温度处理板的可见光图像和来自图像处理板的红外图像后，对可见光图像与红外图像进行信息融合处理，通过对信息融合后的图像进行特征提取，解算刀闸导电臂夹角数据，以此为依据判断刀闸位置状态；根据刀闸从分到合的时间或从合到分的时间，计算刀闸分合闸的时间信息，此时间信息送入电网后台专家系统，可为电网后台专家系统提供信息支撑。

所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其一体化壳体主要是提供安装平台的基础，采用铝合金材质，能提供水密、气密的传感器安装空间，并对外提供安装接口和电气接口。

所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其分区设置是通过外部通讯接口进行设置，可将全画幅分割成数个独立的区域进行测温，一个触头对应一个分区，这样可以方便在设备安装后设置覆盖刀闸触头的焦点区域进行测温，避免出现其他的干扰而导致误判。

所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其温度处理板先将温度数据按秒抽样存入缓存，再按每小时写入一次的频率将缓存内数据通过板载存储卡一保存下来，用于绘制温升曲线。

进一步，所述的温度处理板采用二次曲线拟合法实现非均匀校正：

首先将原始数据点和均值数据点分别用二次曲线进行拟合，然后将均值数据点移动一个常数项，使得他们的误差的平方和最小：

φ＝||Δy||²＝(Δy)^TΔy＝(y₁-y₀)^T(y₁-y₀)＝y₁ ^Ty₁-y₁ ^Ty₀-y₀ ^Ty₁+y₀ ^Ty₀

求φ相对于x的导数，并令其结果等于零，则将上式中常数项约去。

进一步，所述的温度处理板采用3×3中值滤波算法对数据进行噪声抑制。

进一步，所述的温度处理板采用直方图均衡化的方法对数据进行信号增强处理：

对M×N的图像进行中值滤波处理，并利用灰度统计和直方图均衡化增强图像信息；

设256个灰度级出现的概率为p_k＝n_k/(MN)，k＝0，1，2，3…，255

其中p_k为第k个灰度级出现的频率，n_k为第k个灰度级的像素数，

累积分布函数q表示为：

进一步建立灰度级映射对应关系：k→[q_k×255]，将灰度值为k的像素点以q_k×255填充。

进一步，所述的图像处理板采用模板平滑滤波或十字丝平滑滤波对数据进行噪声抑制：

滤波模板为：

或

此外，针对导电臂是细长形结构的特征，设计边缘增强的信号增强算法，表示为：

式中，f(i,j)和g(i,j)分别表示处理前图像和处理后图像像素的灰度值，

表示处理前图像中以(i,j)为中心、大小为n×n的邻域内的算术均值，α、β和η是实数；

当β>1时，可以锐化图像的边缘，当α>1可以使图像的灰度值向亮度较高的方向拉伸，反之，使图像的灰度值向亮度较低的区域扩展，其中参数η是自适应参数，能调整图像的整体灰度值的动态范围。

进一步，所述的图像处理板对数据进行伽马校正处理的函数为：

调节按钮通过改变α的值来改变图像的增强程度，将像素值pixel＝[0，255]映射为新数据值，用32位整型数据表示，并存储在Gamma映射查找表中；图像序列的图像数据输入后，根据当前像素值，通过M(x，y)＝G(S(x，y))进行查找，在查找表中查找图像数据对应的数据作为输出值，产生中间图像，其中M(x，y)为中间图像相应位置像素值，S(x，y)为原图像相应位置像素值。

进一步，所述的信息融合是先将可见光图像和红外图像统一到同一视场下，以红外图像的左上角为0点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，令可见光图像上某一点的坐标为(x,y)，则其对应的红外光图像中的点的坐标为(x’,y’)；

再对红外与可见光图像稀疏分解后，得到每个图像块对应的稀疏表示系数；

接着按照最优融合规则进行融合，得到融合后对应图像子块的稀疏表示系数；

则第j个融合图像子块为：

其中，D为冗余字典，

为融合后的稀疏表示系数；

求得融合后图像的各个子图像后，将各个像素点的灰度值求和，再除以该像素点在滑动分块过程中所属的窗口个数，即可得到融合图像F

本发明的有益效果是：通过本发明装置，可对隔离开关的分合闸状态和触头接触状态同时进行实时监测，为电网后台专家系统提供信息支撑，并有效降低设备成本和现场施工安装成本。

附图说明

图1是本发明俯视方向的内部结构图；

图2是本发明侧视方向的内部结构图；

图3是本发明的可见光图像与红外图像视场关系图；

图4是本发明的红外图像分区图；

图5是本发明的电气组成框图；

图6是本发明的信息流程图。

各附图标记为：10—红外测温探测器，11—红外镜头，12—红外探测器，13—图像采集板一，14—温度处理板，15—板载存储卡一，20—可见光成像探测器，21—可见光镜头，22—CMOS探测器，23—图像采集板二，24—图像处理板，25—板载存储卡二，30—信息处理板，31—图像处理电路，32—电源转换接口，33—网络接口，34—同步触发电路，40—一体化壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1、图2所示，本发明公开的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，由设置在一体化壳体40内的红外测温探测器10、可见光成像探测器20和信息处理板30组成。

其中，红外测温探测器10由红外镜头11、红外探测器12、图像采集板一13、温度处理板14和板载存储卡一15顺序连接组成。

红外探测器12敏感外部温度信息，通过图像采集板一13采样、转换数据并传递给温度处理板14和信息处理板30，温度处理板14对数据进行非均匀校正、噪声抑制、信号增强等处理后，先计算全画幅最高温度、最低温度、平均温度、中心温度之后，再自动按照分区设置情况计算多个局部区域内最高温度、最低温度、平均温度、中心温度。一般不超过9个分区。可见光图像与红外图像视场关系如图3所示，红外图像分区图如图4所示。

采用二次曲线拟合法实现非均匀校正：将原始数据点用二次曲线拟合，则通过修正常数项的方式来进行校正。首先将原始数据点和均值数据点分别用二次曲线进行拟合。然后将均值数据点移动一个常数项，使得他们的误差的平方和最小。

φ＝||Δy||²＝(Δy)^TΔy＝(y₁-y₀)^T(y₁-y₀)＝y₁ ^Ty₁-y₁ ^Ty₀-y₀ ^Ty₁+y₀ ^Ty₀

求φ相对于x的导数，并令其结果等于零，则将上式中常数项约去。

噪声抑制采用3×3中值滤波算法。3×3中值滤波算法是一种通用的图像预处理算法，它在滤除噪声点的同时能很好的保持图像中的细节部分，它的作用主要是滤除图像中的单像素噪声。

信号增强可采用直方图均衡化的方法来对图像进行增强。对M×N的图像进行中值滤波处理，并利用灰度统计和直方图均衡化增强图像信息；

设256个灰度级出现的概率为p_k＝n_k/(MN)，k＝0，1，2，3…，255

其中p_k为第k个灰度级出现的频率，n_k为第k个灰度级的像素数。累积分布函数q表示为：

进一步建立灰度级映射对应关系：k→[q_k×255](将灰度值为k的像素点以q_k×255填充)。

分区设置通过外部通讯接口进行设置，可将全画幅分割成数个独立的区域进行测温。这样可以方便在设备安装后设置覆盖刀闸触头的焦点区域进行测温，避免出现其他的干扰而导致误判。独立分区的数量可根据实际情况进行设置，原则上是一个触头对应一个分区。例如视场内只有一个触头，则设置一个分区；如视场内有3个触头，则设置三个分区，每个分区只包含一个触头。

将温度数据按秒抽样存入缓存，再按每小时写入一次的频率将缓存内数据通过板载存储卡一15保存下来，用于绘制温升曲线。需要存入缓存的温度数据包括全画幅及各个分区的最高温度、最低温度、平均温度、中心温度，每小时执行一次对板载存储卡15的写操作，这样可以极大的降低对板载存储卡15的访问频率，提升设备寿命。

按照设置情况选择温度数据在图像界面上进行叠加，并将温升曲线也叠加在图像界面上。通过温升曲线，可以直观、清楚的看到触头温度变化情况。

其中，可见光成像探测器20由可见光镜头21、CMOS探测器22、图像采集板二23、图像处理板24、板载存储卡二25组成。

CMOS探测器22敏感可见光波段亮度信息完成光电转换输出电信号，通过图像采集板二23采样、转换数据并传递给图像处理板24，图像处理板24对数据进行噪声抑制、信号增强、伽马校正等处理后，传递给信息处理板30。

噪声抑制采用模板平滑滤波或十字丝平滑滤波。滤波模板为：

或

针对导电臂是细长形结构的特征，设计边缘增强的信号增强算法，可以表示为：

式中，f(i,j)和g(i,j)分别表示处理前图像和处理后图像像素的灰度值，

表示处理前图像中以(i,j)为中心、大小为n×n的邻域内的算术均值，α、β和η是实数。

当β>1时，可以锐化图像的边缘，当α>1可以使图像的灰度值向亮度较高的方向拉伸，反之，使图像的灰度值向亮度较低的区域扩展。参数η是一项自适应参数，能调整图像的整体灰度值的动态范围。

伽马校正函数为：

调节按钮通过改变α的值来改变图像的增强程度，将像素值pixel＝[0，255]映射为新数据值，用32位整型数据表示，并存储在Gamma映射查找表中；图像序列的图像数据输入后，根据当前像素值，通过M(x，y)＝G(S(x，y))进行查找，在查找表中查找图像数据对应的数据作为输出值，产生中间图像，其中M(x，y)为中间图像相应位置像素值，S(x，y)为原图像相应位置像素值。

信息处理板30主要包括图像处理电路31、电源转换接口32、网络接口33、同步触发电路34等。如图5、图6所示，信息处理板30接收可见光图像和红外图像后，对可见光图像与红外图像进行信息融合处理，可以极大的提升夜晚可见光成像效果，解决可见光图像夜间清晰度不佳难以识别刀闸分合闸状态的问题。

可见光与红外是一体化设计，因此光轴同轴而且焦距均较长，离轴畸变可以忽略，可以通过几何光学计算得到可见光图像与红外图像间的对应关系。可见光图像分辨率为1024×1024，焦距50～500mm，本例取典型值100mm，视场大小为1.935°×1.935°；红外图像分辨率为384×288，焦距100～300mm，本例取典型值200mm，视场大小为1.869°×1.402°。

先将两种图像统一到同一视场下，然后再进行图像融合。以红外图像的左上角为0点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，令可见光图像上某一点的坐标为(x,y)，则其对应的红外光图像中的点的坐标为(x’,y’)。

再对红外与可见光图像稀疏分解后，得到每个图像块对应的稀疏表示系数。

接着按照最优融合规则进行融合，得到融合后对应图像子块的稀疏表示系数。

则第j个融合图像子块为：

其中，D为冗余字典，

为融合后的稀疏表示系数。

求得融合后图像的各个子图像后，将各个像素点的灰度值求和，再除以该像素点在滑动分块过程中所属的窗口个数，即可得到融合图像F。

通过对信息融合后的图像F以细长杆作为其显著特征进行识别和提取，解算刀闸导电臂夹角数据，以此为依据判断刀闸位置状态。

根据刀闸从分到合的时间或从合到分的时间，可以计算刀闸分合闸的时间信息，此时间信息送入电网后台专家系统，可为电网后台专家系统提供信息支撑。

一体化壳体40主要是提供安装平台的基础，采用铝合金材质，能提供水密、气密的传感器安装空间，并对外提供安装接口和电气接口。采用可见光电视与红外一体化设计，方便可见光视场与红外视场的光轴统一，便于可见光图像与红外图像信息融合处理。

本发明装置的性能如下表所示。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于：包括一体化壳体(40)以及设置在一体化壳体(40)内的信息处理板(30)、红外测温探测器(10)和可见光成像探测器(20)；

所述的红外测温探测器(10)由红外镜头(11)、红外探测器(12)、图像采集板一(13)、温度处理板(14)和板载存储卡一(15)组成；红外探测器(12)获取外部温度信息，通过图像采集板一(13)采样、转换数据并传递给温度处理板(14)，温度处理板(14)对数据进行非均匀校正、噪声抑制、信号增强处理后，先计算全画幅最高温度、最低温度、平均温度及中心温度，再按照分区设置计算多个局部区域内的最高温度、最低温度、平均温度及中心温度，将温度数据通过板载存储卡一(15)保存，并传递给信息处理板(30)；

所述的可见光成像探测器(20)由可见光镜头(21)、CMOS探测器(22)、图像采集板二(23)、图像处理板(24)和板载存储卡二(25)组成；CMOS探测器(22)获取可见光波段亮度信息完成光电转换输出电信号，通过图像采集板二(23)采样、转换数据并传递给图像处理板(24)，图像处理板(24)对数据进行噪声抑制、信号增强、伽马校正处理后，传递给信息处理板(30)；

所述的信息处理板(30)包括图像处理电路(31)、电源转换接口(32)、网络接口(33)以及同步触发电路(34)，信息处理板(30)接收可见光图像和红外图像后进行信息融合处理，通过对信息融合后的图像进行特征提取，解算刀闸导电臂夹角数据，以此为依据判断刀闸位置状态；根据刀闸从分到合的时间/从合到分的时间，计算刀闸分合闸的时间信。

2.根据权利要求1所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的一体化壳体(40)采用铝合金材质。

3.根据权利要求1所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的分区设置是将全画幅分割成数个独立的区域进行测温，并将覆盖刀闸触头的区域作为焦点区域。

4.根据权利要求1所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的温度处理板(14)先将温度数据按秒抽样存入缓存，再按每小时写入一次的频率将缓存内数据保存至板载存储卡一(15)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的温度处理板(14)采用二次曲线拟合法实现非均匀校正：

首先将原始数据点和均值数据点分别用二次曲线进行拟合，然后将均值数据点移动一个常数项，使得他们的误差的平方和最小：

φ＝||Δy||²＝(Δy)^TΔy＝(y₁-y₀)^T(y₁-y₀)＝y₁ ^Ty₁-y₁ ^Ty₀-y₀ ^Ty₁+y₀ ^T ₀

求φ相对于x的导数，并令其结果等于零，则将上式中常数项约去。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的温度处理板(14)采用3×3中值滤波算法对数据进行噪声抑制。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的温度处理板(14)采用直方图均衡化的方法对数据进行信号增强处理：

对M×N的图像进行中值滤波处理，并利用灰度统计和直方图均衡化增强图像信息；

设256个灰度级出现的概率为p_k＝n_k/(MN),k＝0,1,2,3…,255

其中p_k为第k个灰度级出现的频率，n_k为第k个灰度级的像素数，

累积分布函数q表示为：

k＝0,1,2,3…,255

进一步建立灰度级映射对应关系：k——→[q_k×255]，将灰度值为k的像素点以q_k×255填充。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的图像处理板(24)采用模板平滑滤波或十字丝平滑滤波对数据进行噪声抑制：

滤波模板为：

或

此外，针对导电臂是细长形结构的特征，设计边缘增强的信号增强算法，表示为：

式中，f(i,j)和g(i,j)分别表示处理前图像和处理后图像像素的灰度值，

表示处理前图像中以(i,j)为中心、大小为n×n的邻域内的算术均值，α、β和η是实数；

当β>1时，可以锐化图像的边缘，当α>1可以使图像的灰度值向亮度较高的方向拉伸，反之，使图像的灰度值向亮度较低的区域扩展，其中参数η是自适应参数，能调整图像的整体灰度值的动态范围。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的图像处理板(24)对数据进行伽马校正处理的函数为：

调节按钮通过改变α的值来改变图像的增强程度，将像素值pixel＝[0，255]映射为新数据值，用32位整型数据表示，并存储在Gamma映射查找表中；图像序列的图像数据输入后，根据当前像素值，通过M(x，y)＝G(S(x，y))进行查找，在查找表中查找图像数据对应的数据作为输出值，产生中间图像，其中M(x，y)为中间图像相应位置像素值，S(x，y)为原图像相应位置像素值。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种隔离开关刀闸状态及触头温度监测装置，其特征在于，所述的信息融合是先将可见光图像和红外图像统一到同一视场下，以红外图像的左上角为0点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，令可见光图像上某一点的坐标为(x,y)，则其对应的红外光图像中的点的坐标为(x’,y’)；

再对红外与可见光图像稀疏分解后，得到每个图像块对应的稀疏表示系数；

接着按照最优融合规则进行融合，得到融合后对应图像子块的稀疏表示系数；

则第j个融合图像子块为：

其中，D为冗余字典，

为融合后的稀疏表示系数；

求得融合后图像的各个子图像后，将各个像素点的灰度值求和，再除以该像素点在滑动分块过程中所属的窗口个数，即可得到融合图像F。

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