基于图像分析的高压开关柜内异常强光监测及预警系统设计

乐坚浩

摘 要：分析了变电站高压开关柜弧光产生原因，构建了基于图像分析的高压开关柜电弧光实时监测及预警系统。阐述了异常强光的图像分析算法、系统整体设计方案以及各个子系统的设计方法。对变电站高压开关柜内电弧光等异常强光实时监测，当发现异常强光时发送告警信息，具有较高的实用价值。

关键词：开关柜；弧光；图像分析；实时监测

DOIDOI：10.11907/rjdk.171054

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）007-0103-03

0 引言

高压开关柜是电网运行系统中起通断、控制或保护作用的重要电器设备，对电网的安全稳定运行起着重要作用。大功率用电造成的事故原因是高压开关柜由于温度过高以及弧光故障使系统短路。高压开关柜内部电弧燃烧产生的巨大能量可引起火灾、辐射等安全事故，造成人员伤亡和经济损失[1]。对高压开关柜内弧光进行监测，发现异常状况及时预警和告警，实现对无人值守变电站高压开关柜运行状态的在线实时监测，以提高高压开关柜的运行可靠性，及早发现和处理设备异常情况 [2]，降低和避免停电事故发生。

1 开关柜弧光产生原因

开关柜运行中发生的大量电弧光故障，多是由于环境条件影响，使绝缘材料受潮，设备绝缘表面产生凝露和附着污秽，使设备绝缘水平下降 [3]。在产生严重的电弧光之前，开关柜内部存在一些放电现象，这些现象是温度测量发现不了的。因此对开关柜放电进行监测，对于开关柜的故障综合诊断、前期预警以及电弧光监测，保护人员和设备安全具有非常重要的意义[4]。

2 系统总体设计

系统采用C/S架构，分为前端设备层、服务层和应用层3层。

前端设备主要是高压开关柜和视频采集设备，如摄像机及所需传感器。由摄像机采集的实时图像经由IP网络传输到服务层。服务层主要负责视频图像的检测分析，分析结果的存储、转发、控制以及与客户端的通信。应用层为中心平台部署的监控系统，实现对所有变电站高压开关柜状态进行统一管理、实时监控、告警联动处理、历史事件回放等。系统总体结构如图1所示。

3 系统服务层设计

3.1 服务端流程

服务端通过视频设备每隔2秒钟获取高压开关柜内实时图像数据，获取到每一帧图像数据后，采用图像分析技术计算出该帧图像的亮度值。如计算得到的亮度值过大，说明高压开关柜内发生了异常亮光现象，将该异常亮光告警发送到系统客户端，将告警信息存储到数据库，同时将该帧图像保存起来，供历史告警信息查看，具体流程如图2所示。

3.2 图像亮度算法实现

常用的颜色空间模型有RGB模型、CMYK模型、HSV模型、Lab模型和YUV模型等。系统采用RGB颜色空间作为算法实现方法。图像亮度本质上是每个像素的亮度，每个像素的亮度本质上是RGB值的大小，RGB值为0的像素点为黑色，RGB都为255时像素点最亮，为白色。在RGB模型中，每种颜色出现在红、绿、蓝的原色光谱分量中，这个模型基于笛卡儿坐标系统，所考虑的彩色子空间是图3所示的立方体。图3中，R、G、B位于3个角上；青、深红和黄位于另外3个角上，黑色在原点处，白色位于离原点最远的角上。在该模型中，灰度等级沿这两点的连线分布[5]。

检测亮度方法是计算图片在灰度图上的均值和方差。当存在亮度异常时，均值会偏离均值点（可以假设为128），方差也会偏小；通过计算灰度图的均值和方差，就可评估图像是否存在过亮或者过暗，代码如下：

for（int i=0；iheight；i++） {

for（int j=0；jwidth；j++） {

scalar = cvGet2D（gray，i，j）；

sum += （scalar.val[0]- 128）；

int x= （int）scalar.val[0]；

ls[x]++；

}

}

avg = sum/（gray->height * gray->width）；

for（int i=0；i<256；i++） {

total += abs（i-128-avg）* ls[i]；

}

mean = total/（gray->height * gray->width）；

double cast = abs（avg/mean）

将图像灰度化后，得到图像指针 IplImage * gray；遍历图像，cast为计算出的偏差值，小于1表示較正常，大于1表示存在亮度异常；当cast异常时，avg大于0表示过亮，avg小于0表示过暗 。

3.3 通信协议

系统使用http 协议和UTF-8格式传输数据，HTTP协议承载于TCP协议之上，有时也承载于TLS或SSL协议层之上。数据转化为UTF-8格式后再转发。下面给出http 消息的C构造方法：

int BuildHttpRequestMsg（PHTTPMSG hmsg，char *req，char *host，char *body，int bsize）

{

hmsg->type = HTTPPOST；

strcpy（hmsg->req，req）；

hmsg->reqsize = strlen（hmsg->req）；

hmsg->version = HTTP11；

strcpy（hmsg->host，host）；

hmsg->hostsize = strlen（hmsg->host）；

strcpy（hmsg->content_type，"application/xml"）；

hmsg->content_typesize = strlen（hmsg->content_type）；

strcpy（hmsg->connection，"Keep-Alive"）；

hmsg->connectionsize = strlen（hmsg->connection）；

hmsg->bodysize = bsize；

strcpy（hmsg->body，body）；

return 0；

}

PHTTPMSG 為http 消息结构体。

3.4 多线程异步通信

由于开关柜变电站高压开关柜数量庞大，且需要同时对这些开关柜进行图像分析，因此，系统采取多线程方式来处理这些事务，以此提升整体处理性能。采用多线程异步通信方式，服务端会循环获取高压开关柜视频图像。每获取一帧图像，就将该图像抛给事先准备好的线程池作视频分析。图像分析完成后，再将分析结果分发给数据存储线程及发送到客户端线程，以提高视频分析效率。多线程工作模式如图4所示。

3.5 视频采集方案

系统使用SDK方式采集前端视频。SDK是监控卡厂家提供的开发视频监控系统的一组库函数。使用SDK库函数，用户可以在不了解视频压缩、回放、网络传输等技术前提下进行视频程序开发。为了兼容多个厂家的视频设备，系统对SDK进一步封装，形成新的SDK开发包以访问多个厂家视频设备。

4 应用层客户端设计

系统采用C/S架构，使用VS2008开发。为了更加及时观测到告警信息，客户端采用联动告警技术，将接收到的告警信息连同视频信息显示在客户端界面。客户端具有系统配置、实时告警信息展示、历史信息查询、实时视频显示等功能。客户端功能如图5所示。

4.1 告警联动

当客户端接收到服务端发送的告警信息时，客户端解析出是哪个开关柜产生的告警信息，进而自动打开开关柜视频。同时，发生异常强光告警的图像信息也会发送到客户端显示。监控室工作人员根据异常强光图像和实时视频判断是否需要对该高压开关柜进行维修。

4.2 基于组态的图形化展示

客户端提供友好的图形化人机界面，当有告警信息时，开关柜上方监控指标前的黄点会闪烁。右击摄像头图标，点击“打开视频”菜单，可预览开关柜内实时视频。

5 结语

高压开关柜是必不可少的电力设备，是输电网络有效运行的前提。本文针对弧光短路故障导致工作人员伤亡和变电站高压开关柜设备受损问题，采用图像分析技术，实时获取高压开关柜内图像，计算图像亮度，进而判断是否有弧光等异常强光现象。构建了基于图像分析的高压开关柜内异常强光监测系统，当检测到有异常强光现象，立即将告警信息发送到客户端，监控人员立即作出相应维修决策。通过检测弧光信息还可提供故障定位功能，以帮助寻找故障点并进行维修，尽快恢复供电。本系统对变电站开关柜的故障诊断及维护具有较大帮助，具有预警作用，可降低经济损失。

参考文献：

[1] 张杰，马宏伟.矿用高压开关柜的弧光监测与保护系统[J].电力系统保护与控制，2013，41（11）：141-144.

[2] 杨 奕，廖仕利，张柏年，等.一种新型高压开关柜弧光检测与保护方案设计[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015，29（9）：111-115.

[3] 欧居勇，张苏川，陈 琳，等.基于开关柜局部放电智能在线监测系统的研究与应用[J].华中电力，2012，25（3）：8-10.

[4] 刘柳.高压开关柜故障诊断系统研究[D].成都： 西南交通大学，2012.

[5] 于勇.基于局部放电监测的高压开关柜状态检修的应用与研究[D].北京：华北电力大学，2013.endprint