CN112750149A - 基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，通过大量的实验数据或现场监测数据，根据不同的运动状态建立高压隔离开关故障指纹库；通过图像腐蚀对高压隔离开关进行边缘提取；对高压隔离开关分合闸监测视频运用帧间差分法进行分析并与指纹库进行比对，判断高压隔离分合闸过程中是否出现了卡涩、停顿现象；对高压隔离开关分合闸监测视频运用背景差分法进行分析并与故障指纹库进行比对，判断高压隔离开关分合闸是否到位，从而对高压隔离开关是否发生分合闸中的机械故障和电气故障进行判断与预警。本发明能准确判断高压隔离开关是否发生分合闸故障以及故障的类型，并在故障时进行及时报警，极大的提高安全性和即时性。

Description

基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法

技术领域

本发明属于高压隔离开关的状态监测技术领域，具体涉及一种基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法。

背景技术

高压隔离开关是发电厂和变电站电气系统中重要的开关电器，其主要功能是保证高压电器及装置在检修工作时的安全，起隔离电压的作用。隔离开关作为电力系统中使用量最大的一类开关设备，在高电压、大电流状态下运行，其工作可靠性与电网安全有着密切的关系

对于110kV及以上高压隔离开关的故障监测，目前的常规做法是，除了要在后台确认分、合指示变化，还需到现场观察主触头的动作情况以检查分合是否到位。这种方法易受到观测者的主观影响，准确性低、效率差。因此，迫切需要开展隔离开关在线监测系统的研制，以实时掌握隔离开关运行状态，及时避免由于误操作引起的重大事故，进而有效提高电网运行的可靠性。

虽然，目前大多数高压变电站均装有视频监控系统，但这些视频监控系统大多是用于运维人员在监控室用肉眼观察隔离开关的分合闸状态。人工成本高，对于故障后响应不及时，由于人工观察的不准确性，可能导致误判。而这些视频图像本身含有的大量重要的信息并未被有效利用。如果能采用先进的视频处理技术，分析视频信号，筛选出有用的信息，自动判断隔离开关的运行状态或故障类型，将大大提高隔离开关的运维效率和可靠性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，以解决当前高压隔离开关发生故障不能及时识别及报警的问题。

针对现有技术缺陷，本发明基于图像处理与智能识别技术，提取隔离开关各状态下图形信息的特征参量，分析各参量特征值的变化与隔离开关分合状态以及不同故障类型之间的关系，形成高压隔离开关不同状态下的特征值指纹库，开发出了基于摄像头监测技术的隔离开关分合状态判断与故障诊断系统。

基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，包括以下步骤：

S1、通过大量的实验数据或现场监测数据，根据不同的运动状态建立高压隔离开关故障指纹库；

S2、通过图像腐蚀对高压隔离开关进行边缘提取；

S3、对高压隔离开关分合闸监测视频运用帧间差分法进行分析并与指纹库进行比对，判断高压隔离分合闸过程中是否出现了卡涩、停顿现象；

S4、对高压隔离开关分合闸监测视频运用背景差分法进行分析并与故障指纹库进行比对，判断高压隔离开关分合闸是否到位，从而对高压隔离开关是否发生分合闸中的机械故障和电气故障进行判断与预警。

其中，步骤S3中运用帧间差分法判断高压隔离开关分合闸过程中是否有卡涩、停顿的方法，其特征在包括以下子步骤：

1)对高压隔离开关实时监测视频进行图像提取，得到每帧的图像；

2)比较相邻帧图像之间的区别，分别对帧间差值进行求取；

3)将帧间差值与故障库中的阈值进行比较，判断高压隔离开关是否出现卡涩、停顿现象；

4)将比较结果通过数据协议传入主机，若出现故障启动报警装置。

其中，S4中运用背景差分法判断高压隔离开关分合闸是否到位的方法，具体包括以下步骤，在获得高压隔离开关分合闸的监测视频后，进行处理：

1)根据高压隔离开关正常分合闸视频对背景图像进行设置并实时进行更新；

2)在高压隔离开关并未出现卡涩、停顿的状态下，将合闸结束后的帧图像与背景图像进行差分，得出差值；

3)将差值与故障库中阈值进行比较，判断高压隔离开关分合闸是否到位。

本发明通过运动目标检测技术提取监测视频图像中的关键信息，对高压隔离开关的分合闸故障进行监测，及时对高压隔离开关的故障进行判断及报警。

本发明能准确判断高压隔离开关是否发生分合闸故障以及故障的类型，并在故障时进行及时报警，在电路检修时能极大的提高安全性和即时性，减少变电站人力成本，提高电网自动化程度和推进无人值班站的建立。

附图说明

图1是本发明提供的高压隔离开关分合闸故障识别方法的流程示意框图；

图2是本发明背景差分法流程图；

图3是本发明帧间差分法流程图；

图4是本发明实施方案中高压隔离开关运动视频监测图像；

图5是本发明实施方案中高压隔离开关边缘提取图像；

图6a是本发明实施方案中高压隔离开关第90帧视频；

图6b是本发明实施方案中高压隔离开关第90帧视频轨迹识别结果；

图7a是本发明实施方案中高压隔离开关第138帧视频；

图7b是本发明实施方案中高压隔离开关第138帧视频轨迹识别结果；

图8是本发明实施方案中帧间差分法识别结果；

图9a是本发明实施方案中背景差分法识别结果之一；

图9b是本发明实施方案中背景差分法识别结果之二。

具体实施方式

针对高压隔离开关运行的具体环境，本发明基于高压隔离开关的安装环境及工作环境确定了摄像头的安装位置及相应的防护装置的要求。基于高压隔离开关周围的障碍物及隔离开关的运动轨迹选择合适的摄像头安装位置，基于高压隔离开关运行的具体环境，确定采用具有透明导电膜加热膜自动去除冰霜功能的防护罩。

本发明的过程如图1所示。

(1)背景差分法：背景差分法的原理是将当前帧与背景图像进行差分来得到运动目标区域。

如不考虑噪音n(x,y,t)的影响，视频帧图像I(x,y,t)可以看作是由背景图像b(x,y,t)和运动目标m(x,y,t)组成：

I(x,y,t)＝b(x,y,t)+m(x,y,t) (1)

由式(1)可得运动目标m(x,y,t)：

m(x,y,t)＝I(x,y,t)-b(x,y,t) (2)

而在实际中，由于噪音的影响，式(2)不能得到真正的运动目标，而是由运动目标区域和噪音组成的差分图像d(x,y,t)，即：

d(x,y,t)＝I(x,y,t)-b(x,y,t)+n(x,y,t) (3)

得到运动目标需要依据某一判断原则进一步处理，最常用的方法为阈值分割的方法：

式中T为一阈值，图2为背景差分法的流程图：

(2)帧间差分法：利用监控视频序列中相邻帧之间的时间强相关性，基于相邻帧的相同位置下的背景像素点的像素值大致相同(由于存在摄像机噪音，导致背景像素点相邻两帧的像素值可能不完全相同)，而当视频序列中存在运动目标时，相邻帧之间相同位置下的像素值将出现较大的差别的原则下进行运动目标检测的。帧间差分法，即通过对相邻两帧或者几帧的图像相同位置的像素的灰度值或者色彩值进行差分，再对差分的结果，用阈值进行二值化：差分结果小于阈值的判定为背景，否则判定为运动目标。帧间差分法的模型，如图3所示。

其中，F1，F2，…Fn是给定的视频序列，K的范围是从2到N。D_k(x，y)是相邻两帧的差分结果，差分公式如式(5)所示：

D_k(x,y)＝|F_k(x,y)-F_k-1(x,y)| (5)

T为二值化设定的阈值，二值化公式如式(6)所示：

差分值D_k(x，y)小于T，则判定为背景，用像素值0来表示；否则判定为运动目标，用像素值1来表示。

本实施例拍摄的实际隔离开关运动的图像如图4所示。

此图为高压隔离开关分合闸视频中的一帧图片。

步骤一、对高压隔离开关进行边缘提取，先通过图像腐蚀，再将原图像与腐蚀图像求差得到图像的边缘。高压隔离开关边缘提取图像如图5所示。

步骤二、对高压隔离开关分合闸轨迹进行识别，识别轨迹如图6a、图6b和图7a、图7b所示，红线即为高压隔离开关的分合轨迹。

步骤三、对高压隔离开关分合闸过程进行帧间差分法进行分析，识别结果如图8所示。

用帧间差分法对高压隔离开关卡涩故障进行识别：二值化后比较相邻两帧间的差值，确定阈值t，若差值小于阈值则报告出现分合闸卡涩的故障。

帧间差分法的故障判断：根据指纹库，将帧间差分阈值设定为k＝0.1；当两帧间差值超过阈值时即可报告故障。原视频中在大约16s处高压隔离开关发生卡顿，可以发现，从383帧开始报告卡顿故障。视频中每秒24帧，换算故障时间为15.96s。由此可见帧间差分法的故障判断结果与实际相符。

步骤四、用背景差分法对高压隔离开关分合不到位的故障进行识别，如图9a和图9b所示。

设置一张对比图像作为对照组，将最后分闸位置图像与对比图像进行比较，若在阈值内则分闸过程完成，则未发生分闸不到位的现象。若比较结果大于阈值，则报告分合不到位故障。

检测到隔离开关是否发生故障及故障发生的类型后，通过协议IEC61850将信息通讯传输给后台报警系统，若发生故障，报警系统开启。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (3)

1.基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过大量的实验数据或现场监测数据，根据不同的运动状态建立高压隔离开关故障指纹库；

S2、通过图像腐蚀对高压隔离开关进行边缘提取；

S3、对高压隔离开关分合闸监测视频运用帧间差分法进行分析并与指纹库进行比对，判断高压隔离分合闸过程中是否出现了卡涩、停顿现象；

S4、对高压隔离开关分合闸监测视频运用背景差分法进行分析并与故障指纹库进行比对，判断高压隔离开关分合闸是否到位，从而对高压隔离开关是否发生分合闸中的机械故障和电气故障进行判断与预警。

2.根据权利要求1所述的基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，其特征在于，步骤S3中运用帧间差分法判断高压隔离开关分合闸过程中是否有卡涩、停顿的方法，包括以下子步骤：

1)对高压隔离开关实时监测视频进行图像提取，得到每帧的图像；

2)比较相邻帧图像之间的区别，分别对帧间差值进行求取；

3)将帧间差值与故障库中的阈值进行比较，判断高压隔离开关是否出现卡涩、停顿现象；

4)将比较结果通过数据协议传入主机，若出现故障启动报警装置。

3.根据权利要求1所述的基于运动目标检测的高压隔离开关故障监测方法，其特征在于，S4中运用背景差分法判断高压隔离开关分合闸是否到位的方法，具体包括以下步骤，在获得高压隔离开关分合闸的监测视频后，进行处理：

1)根据高压隔离开关正常分合闸视频对背景图像进行设置并实时进行更新；

2)在高压隔离开关并未出现卡涩、停顿的状态下，将合闸结束后的帧图像与背景图像进行差分，得出差值；

3)将差值与故障库中阈值进行比较，判断高压隔离开关分合闸是否到位。

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