CN116008794A - 高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法，属于高压断路器分合闸速度特性测试技术领域。所述测试装置包括摄像模块，设置在高压断路器的内部，且所述摄像模块用于拍摄所述高压断路器内部的操作杆上的目标点的轨迹。本发明通过时间继电器控制摄像模块以及断路器动作线圈接通电源模块，断路器动作线圈驱动高压断路器进行分合闸，摄像模块对目标点进行拍摄，并对拍摄的图像或视频进行处理，以获得高压断路器分合闸的速度特性，采用该种测试装置能够满足不同型号高压断路器的测试，适用性更广，通用性更强；此外，该测试装置安装精度要求低，安装方便，且不会对高压断路器内部结构产生影响。

Description

高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法

技术领域

本发明涉及高压断路器分合闸速度特性测试技术领域，具体地涉及一种高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法。

背景技术

高压断路器是变电所主要的电力控制设备，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。因此，高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。对于高压断路器的性能一般通过其分合闸的运动特性来反映。

高压断路器的动触头和静触头都封装于灭弧室内，无法直接测量其运动特性，因此通常采用间接式测量方法，即通过传感器测量与动触头相连接的运动机构的速度来获得断路器速度特性。现行的方法是针对不同厂家特定型号的断路器机构使用特定的速度测试工装和专用测试仪器。但是由于现有断路器型号种类众多，使用专用测试工装和测试仪器大大增加了测试复杂度，各分公司往往很难凑齐全套测试工装，难以开展断路器分合闸速度测试。此外由于断路器分合速度快，对测试工装的安装精度要求较高，安装固定很不方便，安装时稍有不慎即可能损毁测试工装甚至是断路器机构。

本申请发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术的上述方案具有现有的对高压断路器运动特性测试的复杂度高、且安装不便的缺陷。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法，该高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法具有满足不同型号高压断路器的运动特性的测试以及安装简单方便的功能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试装置，包括：

摄像模块，设置在高压断路器的内部，且所述摄像模块用于拍摄所述高压断路器内部的操作杆上的目标点的轨迹；

断路器动作线圈，一端与所述高压断路器连接，用于驱动所述高压断路器动作；

时间继电器，一端与所述摄像模块连接，另一端与所述断路器动作线圈连接，用于控制所述摄像模块和所述高压断路器之间的动作配合；

电源模块，与所述摄像模块、所述时间继电器以及所述断路器动作线圈连接，用于向所述摄像模块、所述时间继电器以及所述断路器动作线圈提供电能。

可选地，所述电源模块包括：

交流电源，所述交流电源的负极与所述时间继电器的另一端连接；

可控开关，一端与所述交流电源的正极以及所述摄像模块的输入端连接，另一端与所述时间继电器的一端以及所述摄像模块的输出端连接；

直流电源，所述直流电源的正极与所述时间继电器连接，所述时间继电器与所述断路器动作线圈连接，所述直流电源的负极与所述断路器动作线圈连接。

另一方面，本发明还提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试系统，包括：

高压断路器本体；

如上所述的测试装置。

再一方面，本发明还提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试方法，包括：

获取高速相机拍摄棋盘格的图像；

根据所述图像获取所述高速相机的内部参数以及畸变系数，并对所述高速相机的成像进行矫正；

采用所述高速相机对高压断路器操作杆上的目标进行跟踪，以获取多组所述目标的速度数据；

根据多组所述目标的数据，构建所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线；

根据所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线获取所述高压断路器的分合闸的速度特性。

通过上述技术方案，本发明提供的高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法通过在高压断路器的操作杆上设置目标点，并在高压断路器的内部安装摄像模块，以使得目标点在摄像模块的内部，在高压断路器分合闸动作时，时间继电器控制摄像模块以及断路器动作线圈接通电源模块，断路器动作线圈驱动高压断路器进行分合闸，摄像模块对目标点进行拍摄，并对拍摄的图像或视频进行处理，以获得高压断路器分合闸的速度特性，采用该种测试装置能够满足不同型号高压断路器的测试，适用性更广，通用性更强；此外，该测试装置安装精度要求低，安装方便，且不会对高压断路器内部结构产生影响。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试装置的结构框图；

图2是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试装置的电气连接图；

图3是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法的流程图；

图4是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中对高速相机的图像矫正的流程图；

图5是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中对目标点的跟踪的流程图；

图6是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中获取高压断路器动触头的运动速度的流程图；

图7是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中对速度曲线进行平滑处理的流程图；

图8是根据本发明的一个实施方式高压断路器分合闸速度特性的测试方法中对动作曲线进行平滑处理的流程图；

图9是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法的速度测试软件界面；

图10是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中高速相机矫正前后的图像对比；

图11是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中高速相机标定的重投影误差图；

图12是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中目标角点特征跟踪过程示意图；

图13是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中操作杆形成轨迹；

图14是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中像素坐标系高压断路器合闸的速度曲线；

图15是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中像素坐标系高压断路器分闸的速度曲线；

图16是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中局部极大值提取图；

图17是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中插值后分闸操作杆的动作起始点与结束点定位；

图18是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中插值后合闸操作杆的动作起始点与结束点定位；

图19是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中分闸时动触头行程曲线；

图20是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试方法中合闸时动触头行程曲线。

附图标记说明

01、摄像模块                      02、断路器动作模块

03、时间继电器                    04、电源模块

05、交流电源                      06、直流电源

07、可控开关

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是根据本发明的一个实施方式的高压断路器分合闸速度特性的测试装置的结构框图。在图1中，该测试装置可以包括摄像模块01、断路器动作线圈02、时间继电器03以及电源模块04。

摄像模块01设置在高压断路器的内部，且摄像模块01用于拍摄高压断路器内部的操作杆上的目标点的轨迹。断路器动作线圈02的一端与高压断路器连接，用于驱动高压断路器动作。时间继电器03的一端与摄像模块01连接，时间继电器03的另一端与断路器动作线圈02连接，用于控制摄像模块01和高压断路器之间的动作配合。电源模块04与摄像模块01、时间继电器03以及断路器动作线圈02连接，用于向摄像模块01、时间继电器03以及断路器动作线圈02提供电能。

在需要对高压断路器的速度特性进行测试前，先在高压断路器的操作杆上设置目标点，并将摄像模块01设置在高压断路器的内部，同时也要使得操作杆上的目标点在摄像模块01的内部。在设置完成后，时间继电器03动作，以使得电源模块04与摄像模块01以及断路器动作线圈02连通，断路器动作线圈02驱动高压断路器进行分合闸，摄像模块01同步启动并对目标点的动作轨迹进行拍摄，并对拍摄的图像或视频进行处理，以获得高压断路器分合闸的速度特性。

传统的高压断路器的运动特性的测试，一般是采用间接式测量方法，即通过传感器测量与动触头相连接的运动机构的速度来获得断路器速度特性。但是该种方法需要根据高压断路器的具体型号使用特定的速度测试工装和专用测试仪器，进而导致测试不便，测试复杂度高；同时，该种测试工装的安装精度高，安装不便，且易影响高压断路器内部的结构。在本发明的该实施方式中，采用摄像模块01拍摄高压断路器的操作杆上的目标点的方式，能够满足不同型号高压断路器的测试，适用性更广，通用性更强；此外，该测试装置安装精度要求低，安装方便，且不会对高压断路器内部结构产生影响。

在本发明的该实施方式中，如图2所示，该电源模块04可以包括220V交流电源05、可控开关07以及可调的直流电源06。

交流电源05的负极与时间继电器03的另一端连接，可控开关07的一端与交流电源05的正极以及摄像模块01的输入端连接，可控开关07的另一端与时间继电器03的一端以及摄像模块01的输出端连接。直流电源06的正极与时间继电器03连接，时间继电器03与断路器动作线圈02连接，直流电源06的负极与断路器动作线圈02连接。

在对高压断路器的分合闸的速度特性测试前，可控开关07闭合，摄像模块01不工作。在对高压断路器的分合闸的速度特性测试时，可控开关07断开，220V交流电源给摄像模块01提供电能，同时，可调的直流电源06发出高压断路器分合闸的动作脉冲，时间继电器03导通，断路器动作线圈驱动高压断路器进行分合闸动作，即可实现对高压断路器上操作杆的目标点的拍摄，更加地方便快捷。

在本发明的该实施方式中，考虑到高压断路器的分合闸动作是ms级的，为了确保摄像模块01对目标点轨迹拍摄的效果，摄像模块01包括高速相机，且高速相机的参数要求大于1000fps，分辨率大于百万像素。具体地，可根据公式(19)计算高压断路器在两帧之间的运动速度，

其中，V为高压断路器在两帧之间的运动速度，L为像素坐标系中棋盘格宽度上的像素数，S为两帧之间高压断路器行程的像素数，f为帧率，l为棋盘格的宽度大小。

根据公式(20)计算运动速度对应的分辨率，

其中，R_e为运动速度对应的分辨率。

根据公式(21)计算运动速度的最大量程，

V_max＝s·f，  (21)

其中，V_max为运动速度的最大量程，s为高压断路器的总行程。

根据公式(22)获取高速相机速度的误差传递公式，

其中，Δy为高速相机速度的误差传递值，Δx_n为第n个像素和为第n-1个像素的x轴坐标差值，y＝f(x₁，x₂，…x_n)。

根据公式(23)计算高速相机速度的绝对误差，

其中，E_a为高速相机速度的绝对误差，Δl为棋盘格的宽度误差值，ΔS为棋盘格的两帧之间高压断路器行程的像素数误差值，ΔL为棋盘格宽度上的像素数误差值。

根据公式(24)获取两帧之间高压断路器行程的像素数和帧率的函数关系，

其中，α为第一比例系数。

根据公式(25)获取像素坐标系中棋盘格宽度上的像素数和高速相机的分辨率的函数关系，

L＝β·P，  (25)

其中，β为第二比例系数，P为相机分辨率。

将公式(25)带入公式(20)，可得运动速度的分辨率如公式(26)所示，

其中，R_e为运动速度对应的分辨率。

将公式(24)和公式(25)带入公式(23)中，可得高速相机速度的绝对误差如公式(27)所示，

其中，E_a为高速相机速度的绝对误差。具体地，速度误差主要和世界坐标系下的棋盘格宽度的测量误差、像素坐标系下的棋盘格像素宽度和断路器行程有关。由公式(27)可知提高相机的分辨率和帧率可提高测量的精度。一般断路器的行程为5～20cm，最大速度一般不超过10m/s，当l＝1mm，L＝10pixel，f＝1000FPS，V的最高分辨率：R_e＝0.1m/s，V最大量程为：V_max＝100m/s。

另一方面，本发明还提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试系统。具体地，该测试系统可以包括高压断路器本体以及测试装置。具体地，该测试装置可以包括摄像模块01、断路器动作线圈02、时间继电器03以及电源模块04。

摄像模块01设置在高压断路器的内部，且摄像模块01用于拍摄高压断路器内部的操作杆上的目标点的轨迹。断路器动作线圈02的一端与高压断路器连接，用于驱动高压断路器动作。时间继电器03的一端与摄像模块01连接，时间继电器03的另一端与断路器动作线圈02连接，用于控制摄像模块01和高压断路器之间的动作配合。电源模块04与摄像模块01、时间继电器03以及断路器动作线圈02连接，用于向摄像模块01、时间继电器03以及断路器动作线圈02提供电能。

在需要对高压断路器的速度特性进行测试前，先在高压断路器的操作杆上设置目标点，并将摄像模块01设置在高压断路器的内部，同时也要使得操作杆上的目标点在摄像模块01的内部。在设置完成后，时间继电器03动作，以使得电源模块04与摄像模块01以及断路器动作线圈02连通，断路器动作线圈02驱动高压断路器进行分合闸，摄像模块01同步启动并对目标点的动作轨迹进行拍摄，并对拍摄的图像或视频进行处理，以获得高压断路器分合闸的速度特性。

再一方面，本发明还提供一种高压断路器分合闸速度特性的测试方法，可以如图3所示。具体地，在图3中，该测试方法可以包括：

在步骤S10中，获取高速相机拍摄棋盘格的图像。其中，驱动棋盘格在高速相机的拍摄范围内移动，拍摄的图片数量为15～20张，获取高速相机对棋盘格拍摄的图像。

在步骤S11中，根据图像获取高速相机的内部参数以及畸变系数，并对高速相机的成像进行矫正。其中，高速相机对棋盘格拍摄的图像存在一定的畸变情况，因此需要对该图像进行去畸变处理，并根据去畸变处理的参数对高速相机的成像进行矫正。

在步骤S12中，采用高速相机对高压断路器操作杆上的目标进行跟踪，以获取多组目标的速度数据。其中，为了进一步提高高速相机对目标的识别精度和效果，还需要对操作杆上的目标进行跟踪。具体地，目标可以包括棋盘格。

在步骤S13中，根据多组目标的数据，构建高压断路器的操作杆的速度特性曲线。其中，在获取高速相机对目标点的多组分合闸高精度轨迹数据后，根据该数据绘制相应的高压断路器的操作杆的多组速度特性曲线。

在步骤S14中，根据高压断路器的操作杆的速度特性曲线获取高压断路器的分合闸的速度特性。其中，在获得到多组操作杆的速度特性曲线后，根据该速度曲线，就可以计算出高压断路器动触头的分合闸的速度特性，即高压断路器的速度特性。

在步骤S10至步骤S14中，先采用高速相机拍摄移动的棋盘格，以获得高速相机的内部参数以及畸变系数，进而可根据该参数对高速相机的成像进行矫正。矫正完成后，驱动高压断路器进行分合闸，高速相机对操作杆上的目标点进行跟踪，以获得操作杆上目标点的精确速度曲线。根据该速度曲线，即可计算出高压断路器的速度特性。采用该种测试方法，去除了高速相机畸变以及成像效果的缺陷，使得对于高压断路器获得的速度特性的获取更加准确可靠。

在本发明的该实施方式中，理想的透视模型是针孔成像模型，物和像会满足相似三角形的关系。但是实际上由于相机光学系统存在加工和装配的误差以及透镜就并不能严格满足物、像的相似三角形的关系，所以相机图像平面上实际所成的像与理想成像之间会存在畸变。这种畸变的程度从画面中心至画面边缘依次递增，主要在图像边缘反映比较明显。为了避免高速相机拍摄画面的畸变对拍摄图像中目标点的坐标的影响，还需要对高速相机的成像进行去畸变处理，具体地操作步骤可以如图4所示。具体地，在图4中，该测试方法可以包括：

在步骤S20中，根据公式(1)获取高速相机的内部参数矩阵，

其中，M为内部参数矩阵，α为高速相机的拍摄图像在像素坐标下u轴的比例因子，β为高速相机的拍摄图像在像素坐标下v轴的比例因子，(u₀，v₀)是高速相机的像素坐标的原点，c为描述两个坐标轴u轴和v轴倾斜角度的参数。

在步骤S21中，根据公式(2)将图像的像素坐标系转换到相机坐标系，

x＝(v-v₀)/α，

y＝(u-u₀)/β，  (2)

其中，x为图像的相机坐标系的x轴，y为图像的相机坐标系的y轴，(u，v)为图像的像素坐标系的坐标。具体地，在相机坐标系下对原图像进行去畸变处理，对原图像像素点的位置进行校正，将校正后的图像从相机坐标系转回像素坐标系作为新图像；将新图像中的像素点逐一作为目标像素点，根据目标像素点在原图像中的像素值以及原图像中与目标像素点相邻的像素点的像素值对新图像中的目标像素点进行赋值，新图像中的像素点全部完成赋值后记作矫正图像。通过坐标系转换，保证了转换后的图像与真实坐标系的精确映射，通过结合原图像对新图像进行赋值，保证了矫正图像的图像内容的精确程度，从而保证了通过差值图像计算高压断路器分合闸运动特性的可靠性。

在步骤S22中，根据公式(3)获取高速相机的畸变系数，

D＝[k₁ k₂ k₃ p₁p₂]，  (3)

其中，D为畸变系数，k₁为1阶径向畸变系数，k₂为2阶径向畸变系数，k₃为3阶径向畸变系数，p₁为1阶切向畸变系数，p₂为2阶切向畸变系数。具体地，

在步骤S23中，根据公式(4)在相机坐标系下对高速相机的成像进行矫正，

r＝x²+y²，

x′＝x*(1+k₁*r+k₂*r²+k₃*r³)+2*p₁*x*y+p₂*(r+2*x²)，

y′＝y*(1+k₁*r+k₂*r²+k₃*r³)+2*p₂*x*y+p₁*(r+2*y²)，  (4)

其中，x′和y′分别为去矫正后图像的相机坐标系的x轴和y轴，r为图像中图像像素点到像素坐标系原点的距离。

在步骤S24中，根据公式(5)将像素点在相机坐标系下矫正后的图像转换到像素坐标系下，

h＝x′*f_x+u₀，

w＝y′*f_y+v₀，  (5)

其中，(h，w)为矫正后的图像在像素坐标系的坐标，f_x为高速相机的内部参数矩阵M(1，1)，M(1，1)为内部参数矩阵M的第一行第一列的值，f_y为高速相机的内部参数矩阵M(2，2)，M(2，2)为内部参数矩阵M的第二行第二列的值。

在步骤S25中，根据公式(6)计算矫正后图像中像素坐标的像素点经赋值后的像素值，

I₂(u，v)＝I_a+I_b+I_c+I_d，  (6)

其中，I₂(u，v)为新图像中像素坐标为(u，v)的像素点经赋值后的像素值，I_a为第一过渡参数，I_b为第二过渡参数，I_c为第三过渡参数，I_d为第四过渡参数。具体地，对于第一过渡参数、第二过渡参数、第三过渡参数以及第四过渡参数的获取可以包括：

根据公式(12)计算第一过渡参数，

I_a＝([w+1]-w)*([h+1]-h)*I₁([h]，[w])，  (12)

其中，I₁([h]，[w])为图像中像素坐标为([h]，[w])的像素点的像素值，h为图像中像素坐标中u轴上的值，w为图像中像素坐标中v轴上的值，[]为取整符号；

根据公式(13)计算第二过渡参数，

I_b＝((w+1)-w)*(h-[h])*I₁([h+1]，[w])，  (13)

根据公式(14)计算第三过渡参数，

I_c＝(w-[w])*([h+1]-h)*I₁([h]，[w+1])，  (14)

根据公式(15)计算第四过渡参数，

I_d＝(w-[w])*(h-[h])*I₁([h+1]，[w+1])，  (15)

经过去畸变操作得到的新图像中，像素点的像素坐标相对于原图像发生变化，新图像中的像素点的像素坐标不一定是整数，本发明的该实施方式中，通过以上公式对像素坐标(h，w)取整，以纠正图像的像素坐标的畸变。

在步骤S20至步骤S25中，通过采用张正友相机标定法对相机在不同的拍摄条件下产生的视场畸变进行矫正，提高了基于计算机视觉的测量方法不同工况下的测量精度稳定性。

在本发明的该实施方式中，对于处于运动状态的的目标，其在高速图像序列中位置变化成为可以识别目标的重要特征。针对目标这一特征，我们常用的检测方法有帧间差分法、背景差分法。帧间差分法和背景差分法会用到基于点运算的阈值处理和形态学处理。阈值处理对于目标的整体轮廓有较好的保留，再通过形态学处理来改善质量。阈值处理后得到的二值图已经去除了目标的大部分的特征，且目标的完整性遭到了破坏，表现出碎片化和空洞化。碎片化和空洞化主要由目标运动的速度以及外界环境的改变(如光照)影响的，这些随机性较强的因素导致目标区域的碎片化和空洞化的程度(碎片和空洞的大小和形状)在不同帧中也表现出较强的随机性。因此，要想在各帧中得到完整一致地目标区域是很困难的，这对形态学处理的要求过于细致，大大的增加的处理的难度和复杂度。在不能保证各帧中目标区域的完整一致性的情况下，这对通过目标区域的质心来量化目标的位置会有很大的影响，尤其是对较小的目标。将对最后的速度计算产生很大的误差。在精度要求较高的视觉测量系统中，这两种方法并不适用。因此为了提高高速相机对目标点图像获取的精度和效果，可以用目标的已知几何和统计特征来识别和提取目标。具体地，通过在高速图像序列每个单独帧中匹配目标的特征来提取运动目标，这与基于模板的目标匹配原理类似。由于只是搜寻匹配事先定义的具有明显特征的点，这些点在目标运动过程中受外界影响较小，相对于模板匹配，计算开销较小且更加稳定。对于高速相机目标跟踪的具体步骤可以如图5所示。具体地，在图5中，该测试方法可以包括：

在步骤S30中，在高压断路器的操作杆上设置目标，其中，目标的几何和统计特征已知。

在步骤S31中，获取搜索窗口内部的像素点。

在步骤S32中，根据公式(7)计算搜索窗口内像素点的灰度值变化，

其中，D(x₁，y₁)为搜索窗口内像素点的灰度值变化，(x₁，y₁)为平移距离，且x₁和y₁分别为两个坐标轴上的数值，I_u为像素坐标下u轴上的灰度值，I_v为像素坐标下v轴上的灰度值。具体地，在搜索窗口平移(x₁，y₁)后，搜索窗口内像素点的灰度值变化可以如公式(16)所示，

其中，w(u₁，v₁)为权重系数，(u₁，v₁)为平移前搜索窗口内像素点的坐标，u₁为像素坐标u轴上的值，v₁为像素坐标上v轴上的值，且w(u₁，v₁)＝1，ΔI为搜索窗口位移前后的灰度值差。具体地，搜索窗口位移前后的灰度值差可以如公式(17)求得，

ΔI＝I(u₁+x₁，v₁+y₁)-I(u₁，v₁)，  (17)

其中，ΔI为搜索窗口位移前后的灰度值差，I()为灰度值计算函数。具体地，对于搜索窗口位移后的灰度值，可以进行泰勒展开，以获得如公式(18)所示，

I(u+x，v+y)＝I(u，v)+I_u·x+I_v·y+O(x²，y²)，  (18)

其中，O()为高阶无穷小函数。将公式(18)带入公式(16)中即可得到公式(7)。

在步骤S33中，根据搜索窗口内像素点的灰度值变化获取两个特征值。

在步骤S34中，根据公式(8)计算目标的角点响应函数值；

R＝min(λ₁，λ₂)，  (8)

其中，R为角点响应函数值，λ₁和λ₂为搜索窗口内像素的灰度值变化的两个特征值。

在步骤S35中，判断角点响应函数值是否大于预设阈值。

在步骤S36中，在判断角点响应函数值大于预设阈值的情况下，定义像素点为角点，获取目标在各帧像素坐标系下的位置及坐标。其中，若角点响应函数值大于预设阈值，则说明该像素点满足要求，可被定义为角点。

在步骤S37中，将目标在像素坐标下的坐标转化到世界坐标系。

在步骤S38中，在世界坐标系下计算目标的运动速度，并获取高压断路器的操作杆的行程数据。

在步骤S39中，对行程数据进行筛选，以获得高压断路器的操作杆的速度特性曲线。

在步骤S40中，在判断角点响应函数值小于或等于预设阈值的情况下，更换下一个像素点。其中，若角点响应函数值小于或等于预设阈值，则说明该像素点不满足角点定义的要求，需要对下一个像素点进行判断。

在步骤S30至步骤S40中，引入基于图像特征的目标点跟踪处理方法，匹配速度快，抗干扰能力强。增强了不同拍摄情况下对目标识别跟踪的鲁棒性。

在本发明的该实施方式中，在获得高压断路器操作的速度特性曲线后，还需要根据其计算出高压断路器触头的运动速度，具体地计算步骤可以如图6所示。具体地，在图6中，该测试方法可以包括：

在步骤S50中，获得高压断路器的操作杆的速度特性曲线。

在步骤S51中，对操作杆的速度曲线进行提取，并获得新的速度数据集合。其中，操作杆的速度曲线应是连续的曲线，很多都是高压断路器分合闸动作前后的曲线，因此需要对速度曲线进行提取，以获得新的速度数据集合，也是高压断路器多次分合闸的多个速度曲线的集合。

在步骤S52中，对新的数据集合进行插值处理，以获得平滑的速度曲线。其中，对新的数据集合进行插值处理，以对每个速度曲线进行平滑处理。

在步骤S53中，根据平滑的速度曲线，对高压断路器分合闸动作的起始点和结束点进行定位。其中，为了进一步提高对高压断路器分合闸的动作速度的计算精度，还需要进一步缩短动作曲线的范围，即获取高压断路器分合闸动作的起始点和结束点之间的曲线即可。

在步骤S54中，截取高压断路器分合闸的动作曲线。

在步骤S55中，采用三点移动平均滤波器对动作曲线进行平滑处理，以获得操作杆新的动作曲线。其中，在获取到高压断路器分合闸的动作曲线后，对动作曲线进行平滑处理，并获得新的动作曲线。

在步骤S56中，根据新的动作曲线获取高压断路器动触头的运动速度。其中，新的动作曲线即为高压断路器触头的最优动作曲线，根据该曲线即可获取该高压断路器动触头的运动速度。

在步骤S50至步骤S56中，先根据高速相机获取高压断路器分合闸时操作杆及目标点的速度曲线，再对该速度曲线进行提取，并进行插值处理，获得平滑的速度曲线。对平滑的速度曲线进行截取，以获取高压断路器分合闸的动作曲线，并对该动作曲线进行平滑处理，获得新的动作曲线，根据该动作曲线即可获取高压断路器动触头的运动速度。

在本发明的该实施方式中，为了获取平滑的速度曲线，还需要对新的数据集合进行插值处理，具体地操作步骤可以如图7所示。具体地，在图7中，该测试方法可以包括：

在步骤S60中，获取待插值的区间。具体地，需要先根据公式(28)提取新的数据，

f(x_i)＞f(x_i-1)&&f(x_i)＞f(x_i+1)，  (28)

其中，x_i为第i个时刻，f(x_i)为第i个时刻的速度数据，i为整数编号。具体地，由局部最大值提取方法得到一组新的数据x_i，f(x_i)，由于新数据是从原数据中提取出的部分代表值，因此我们使用分段三次Hermite插值估算每个时刻的速度值。选择分段三次Hermite插值的原因在于它兼具良好的曲线平滑与保形功能。将满足公式(28)的时刻以及与之对应的速度数据汇总并形成新的速度数据集合。再将待插值的区间(a，b)做划分，a＝x₀＜x₁＜…＜x_n＝b。

在步骤S61中，对区间进行划分，并获取区间内部的多个时刻值及对应的函数值。

在步骤S62中，根据公式(9)获取插值的分段函数，

其中，A(x)为分段函数，y_i＝f(x_i)，y′_i＝f′(x_i)，y′_i为y_i的导数值，x_i和x_i+1在区间的闭区间内，

为第一函数值，

为第二函数值，Ψ_i(x)为第二函数值，Ψ_i+1(x)为第四函数值。具体地，对于第一函数值、第二函数值、第二函数值以及第四函数值的获取可以包括：

根据公式(29)计算区间内每个时刻值对应的第一函数值，

其中，

为区间内第i个时刻值的第一函数值。

根据公式(30)计算区间内每个时刻值对应的第二函数值，

其中，

为区间内第i+1个时刻值的第二函数值。

根据公式(31)计算区间内每个时刻值对应的第三函数值，

其中，Ψ_i(x)为区间内第i个时刻值对应的第三函数值。

根据公式(32)计算区间内每个时刻值对应的第四函数值，

其中，Ψ_i+1(x)为区间内第i+1个时刻值的第四函数值。

在本发明的该实施方式中，为了获取操作杆的新的动作曲线，还需要对动作曲线进行平滑处理，具体处理步骤可以如图8所示。具体地，在图8中，该测试方法可以包括：

在步骤S70中，获取动作曲线上的多个动作速度数据集合。

在步骤S71中，根据公式(10)获取新的动作速度数据，

其中，y₁ ^*为新的动作速度的第一个值，y₁为动作速度集合的第一个值，y_m ^*新的动作速度的最后一个值，y_m为动作速度集合的最后一个值，y_i ^*为新的动作速度的第j个值，y_j为动作速度集合的第j个值，j为整数编号，m为整数编号。具体地，断路器动触头的运动是与操动机构相息息相关的，因此可以得到，断路器动触头的运动速度与操动机构的运动速度是成一定比例关系的。

在步骤S72中，将多个新的动作速度的值汇总形成新的动作速度集合值并形成操作杆新的动作曲线。

在本发明的该实施方式中，为了获取高压断路器动触头的运动速度，还需要对新的动作曲线进行处理。具体地，根据公式(11)计算高压断路器动触头的实际运动速度，

其中，v_wj为操动机构的运动速度，v_cj为高压断路器动触头的实际运动速度，a为转换比例，Δt为时间间隔。

在本发明的该实施方式中，本发明的软件设计是基于Windows系统中MATLAB中APP交互设计。具体地，本发明的速度测试软件截面可以如图9所示。具体地，在图9中：

1、位置1用于读取显示原始视频数据；

2、位置2用于显示目标特征点跟踪过程；

3、位置3用于展示目标特征点运动轨迹；

4、位置4用于显示目标运动速度特性曲线并选择曲线优化；

5、位置5用来逐帧查看目标运动情况。

在本发明的该实施方式中，通过在一台操作机构FK-4型的220kV断路器进行了5次测量实验为例，相机拍摄帧率为960FPS，首先在断路器动作的操作杆上粘贴棋盘格，如图10所示，作为高速相机标定和KLT角点跟踪的对象。图11是通过张氏标定法对相机标定所获得的平均重投影误差图，平均的重投影误差在0.12个像素。

选取图像中较为明显的棋盘格角点特征做为跟踪的目标，KLT角点跟踪算法会在断路器动作的视频序列中持续跟踪这些角点并记录其在像素坐标系下的位置。具体地，可以如图12所示。

利用记录下来的角点坐标刻画出断路器操动机构的行程曲线，具体地，如图13所示，并计算断路器操动机构的角速度，再将角速度转化为操作杆末端线速度，最后通过操作杆末端线速度与断路器动触头的总行程计算获得断路器的分合闸速度曲线，具体地，如图14和图15所示。

通过断路器操作杆的行程轨迹计算出断路器分合闸操作杆像素坐标系下的速度。

由图14和图15中可以看出计算的分合闸时断路器操作杆的速度曲线很不平滑，存在局部的波峰波谷。根据断路器动作时速度特性可以知道，动作初期是加速，中期速度曲线趋向平稳，末期开始减速。我们取观测到的局部的速度极大值作为典型值如图16所示。

对局部最大值进行提取，并进行插值处理。在插值完成后，根据分合闸速度曲线的特征，对分合闸动作起始点与结束点进行定位。接着将断路器分合闸动作部分截取出来，如图17和图18所示。

然后对分合闸时操作杆速度曲线进行平滑处理，平滑操作使用多次三点移动平均滤波器。三点移动平均滤波器可以很好曲平滑的局部而不会改变曲线的整体趋势。由此得到断路器动触头实际运动速度如表1和表2所示，

表1高压断路器动触头合闸实际运动速度

	合闸1	合闸2	合闸3	合闸4	合闸5
						最大速度m/s	5.09	4.94	4.91	5.06	5.01
8m平均速度m/s	5.09	4.94	4.91	5.06	5.01

表2高压断路器动触头分闸实际运动速度

	分闸1	分闸2	分闸3	分闸4	分闸5
						最大速度m/s	7.18	7.64	7.73	7.52	7.36
8m平均速度m/s	7.1	7.6	7.6	7.5	7.3

由上可得，该型号断路器正常分闸速度在7.0-7.8m/s。并由此可得高压断路器分合闸时动触头的形成曲线，可以图19和图20所示。

通过上述技术方案，本发明提供的高压断路器分合闸速度特性的测试装置、系统、方法通过在高压断路器的操作杆上设置目标点，并在高压断路器的内部安装摄像模块，以使得目标点在摄像模块的内部，在高压断路器分合闸动作时，时间继电器控制摄像模块以及断路器动作线圈接通电源模块，断路器动作线圈驱动高压断路器进行分合闸，摄像模块对目标点进行拍摄，并对拍摄的图像或视频进行处理，以获得高压断路器分合闸的速度特性，采用该种测试装置能够满足不同型号高压断路器的测试，适用性更广，通用性更强；此外，该测试装置安装精度要求低，安装方便，且不会对高压断路器内部结构产生影响。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高压断路器分合闸速度特性的测试装置，其特征在于，包括：

摄像模块(01)，设置在高压断路器的内部，且所述摄像模块(01)用于拍摄所述高压断路器内部的操作杆上的目标点的轨迹；

断路器动作线圈(02)，一端与所述高压断路器连接，用于驱动所述高压断路器动作；

时间继电器(03)，一端与所述摄像模块(01)连接，另一端与所述断路器动作线圈(02)连接，用于控制所述摄像模块(01)和所述高压断路器之间的动作配合；

电源模块(04)，与所述摄像模块(01)、所述时间继电器(03)以及所述断路器动作线圈(02)连接，用于向所述摄像模块(01)、所述时间继电器(03)以及所述断路器动作线圈(02)提供电能。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述电源模块(04)包括：

交流电源(05)，所述交流电源(05)的负极与所述时间继电器(03)的另一端连接；

可控开关(07)，一端与所述交流电源(05)的正极以及所述摄像模块(01)的输入端连接，另一端与所述时间继电器(03)的一端以及所述摄像模块(01)的输出端连接；

直流电源(06)，所述直流电源(06)的正极与所述时间继电器(03)连接，所述时间继电器(03)与所述断路器动作线圈(02)连接，所述直流电源(06)的负极与所述断路器动作线圈(02)连接。

3.一种高压断路器分合闸速度特性的测试系统，其特征在于，包括：

高压断路器本体；

如权利要求1或2所述的测试装置。

4.一种高压断路器分合闸速度特性的测试方法，其特征在于，包括：

获取高速相机拍摄棋盘格的图像；

根据所述图像获取所述高速相机的内部参数以及畸变系数，并对所述高速相机的成像进行矫正；

采用所述高速相机对高压断路器操作杆上的目标进行跟踪，以获取多组所述目标的速度数据；

根据多组所述目标的数据，构建所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线；

根据所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线获取所述高压断路器的分合闸的速度特性。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，根据所述图像获取所述高速相机的内部参数以及畸变系数，并对所述高速相机的成像进行矫正包括：

根据公式(1)获取所述高速相机的内部参数矩阵，

其中，M为所述内部参数矩阵，α为所述高速相机的拍摄图像在像素坐标下u轴的比例因子，β为所述高速相机的拍摄图像在像素坐标下v轴的比例因子，(u₀，v₀)是所述高速相机的像素坐标的原点，c为描述两个坐标轴u轴和v轴倾斜角度的参数；

根据公式(2)将所述图像的像素坐标系转换到相机坐标系，

x＝(v-v₀)/α，

y＝(u-u₀)/β，   (2)

其中，x为所述图像的相机坐标系的x轴，y为所述图像的相机坐标系的y轴，(u，v)为所述图像的像素坐标系的坐标；

根据公式(3)获取所述高速相机的畸变系数，

D＝[k₁ k₂ k₃ p₁p₂]，   (3)

其中，D为所述畸变系数，k₁为1阶径向畸变系数，k₂为2阶径向畸变系数，k₃为3阶径向畸变系数，p₁为1阶切向畸变系数，p₂为2阶切向畸变系数；

根据公式(4)在相机坐标系下对所述高速相机的成像进行矫正，

r＝x²+y²，

x′＝x*(1+k₁*r+k₂*r²+k₃*r³)+2*p₁*x*y+p₂*(r+2*x²)，

y′＝y*(1+k₁*r+k₂*r²+k₃*r³)+2*p₂*x*y+p₁*(r+2*y²)，   (4)

其中，x′和y′分别为去矫正后所述图像的相机坐标系的x轴和y轴，r为所述图像中图像像素点到像素坐标系原点的距离；

根据公式(5)将所述像素点在相机坐标系下矫正后的图像转换到像素坐标系下，

h＝x′*f_x+u₀，

w＝y′*f_y+v₀，   (5)

其中，(h，w)为矫正后的图像在像素坐标系的坐标，f_x为所述高速相机的内部参数矩阵M(1，1)，M(1，1)为所述内部参数矩阵M的第一行第一列的值，f_y为所述高速相机的内部参数矩阵M(2，2)，M(2，2)为所述内部参数矩阵M的第二行第二列的值；

根据公式(6)计算矫正后所述图像中像素坐标的像素点经赋值后的像素值，

I₂(u，v)＝I_a+I_b+I_c+I_d，   (6)

其中，I₂(u，v)为所述新图像中像素坐标为(u，v)的像素点经赋值后的像素值，I_a为第一过渡参数，I_b为第二过渡参数，I_c为第三过渡参数，I_d为第四过渡参数。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，采用所述高速相机对高压断路器操作杆上的目标进行跟踪，以获取多组所述目标的速度数据包括：

在高压断路器的操作杆上设置目标，其中，所述目标的几何和统计特征已知；

获取搜索窗口内部的像素点；

根据公式(7)计算所述搜索窗口内像素点的灰度值变化，

其中，D(x₁，y₁)为所述搜索窗口内像素点的灰度值变化，(x₁，y₁)为平移距离，且x₁和y₁分别为两个坐标轴上的数值，I_u为像素坐标下u轴上的灰度值，I_v为像素坐标下v轴上的灰度值；

根据所述搜索窗口内像素点的灰度值变化获取两个特征值；

根据公式(8)计算所述目标的角点响应函数值；

R＝min(λ₁，λ₂)，   (8)

其中，R为所述角点响应函数值，λ₁和λ₂为所述搜索窗口内像素的灰度值变化的两个特征值；

判断所述角点响应函数值是否大于预设阈值；

在判断所述角点响应函数值大于所述预设阈值的情况下，定义像素点为角点，获取所述目标在各帧像素坐标系下的位置及坐标；

将所述目标在像素坐标下的坐标转化到世界坐标系；

在世界坐标系下计算所述目标的运动速度，并获取所述高压断路器的操作杆的行程数据；

对所述行程数据进行筛选，以获得所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线；

在判断所述角点响应函数值小于或等于所述预设阈值的情况下，更换下一个像素点。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，根据所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线获取所述高压断路器的分合闸的速度特性包括：

获得所述高压断路器的操作杆的速度特性曲线；

对所述操作杆的速度曲线进行提取，并获得新的速度数据集合；

对新的数据集合进行插值处理，以获得平滑的速度曲线；

根据平滑的速度曲线，对所述高压断路器分合闸动作的起始点和结束点进行定位；

截取所述高压断路器分合闸的动作曲线；

采用三点移动平均滤波器对所述动作曲线进行平滑处理，以获得所述操作杆新的动作曲线；

根据新的动作曲线获取所述高压断路器动触头的运动速度。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，对新的数据集合进行插值处理，以获得平滑的速度曲线包括：

获取待插值的区间；

对所述区间进行划分，并获取所述区间内部的多个时刻值及对应的函数值；

根据公式(9)获取插值的分段函数，

其中，A(x)为所述分段函数，y_i＝f(x_i)，y′_i＝f′(x_i)，y′_i为y_i的导数值，x_i和x_i+1在所述区间的闭区间内，

为第一函数值，

为第二函数值，Ψ_i(x)为第三函数值，Ψ_i+1(x)为第四函数值。

9.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，采用三点移动平均滤波器对所述动作曲线进行平滑处理，以获得所述操作杆新的动作曲线包括：

获取所述动作曲线上的多个动作速度数据集合；

根据公式(10)获取新的动作速度数据，

其中，y₁ ^*为新的动作速度的第一个值，y₁为所述动作速度集合的第一个值，y_m ^*新的动作速度的最后一个值，y_m为所述动作速度集合的最后一个值，y_i ^*为新的动作速度的第j个值，y_j为所述动作速度集合的第j个值，j为整数编号，m为整数编号；

将多个新的动作速度的值汇总形成新的动作速度集合值并形成所述操作杆新的动作曲线。

10.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，根据新的动作曲线获取所述高压断路器动触头的运动速度包括：

根据公式(11)计算所述高压断路器动触头的实际运动速度，

其中，v_wj为所述操动机构的运动速度，v_cj为所述高压断路器动触头的实际运动速度，a为转换比例，Δt为时间间隔。

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