基于时间序列分析故障指示器性能检测方案的设计与研究

葛佳盛，周永荣，陈 皓，徐 梁，顾栋杰

（1.国网电力科学研究院，江苏 南京210061；2.北京国电富通科技发展有限责任公司，北京100071）

0 引言

随着近几年配电网的井喷式发展，电网对配电自动化终端的需求与日俱增［1-3］。故障指示器是配电自动化终端的重要组成部分，故障指示器由于其成本低廉，功能丰富，使用便捷，在配电网中得到广泛的运用［4-7］。据不完全统计，自2014年起，各网省公司故障指示器每年招标量增速保持在100%以上；以2017 年为例，国网江苏省电力有限公司配电线路故障指示器招标量超过了5 万台；同时随着故障指示器型式试验标准的完善，网省公司对配网类入网检测要求的不断提高［8-15］，检测机构每年承接的故障指示器类检测任务也呈井喷高速增长。若故障指示灯状态发生改变时，通常表示产生了不同的故障，针对录波型故指，表征以闪光为主；特征型故指，表征以翻牌为主。目前国内对该类故指性能的检测主要依赖检测人工测试，对于要求检测的任务紧急繁重时，该枯燥、单一的人工检测方式将造成人力资源浪费［16-24］。

本文针对上述第一种对录波型故指设计了一套基于时间序列图像的故指亮灯警告检测系统，该系统实现对配电入网故障指示器性能的全自动检测，提高配电网所用故障指示器的质量，减轻检测人员工作，提高配网故指示智能检测水平。

1 系统设计

本系统针对由继电保护测试仪、标准源等构成控制单元的电压电流信号短路、电流遥测精度等功能进行带电故障判断检测，设计的故障指示器全自动测试系统架构框图如图1所示。该全自动检测系统主要分两部分，硬件部分包括：PC、摄像头、视频采集卡、指示器单元集，继保测试仪、标准源及功放等模块；软件部分由上位机信息处理系统组成。摄像头对准故障指示器的面板，实时获取故障指示器信息，通过图像采集模块及通讯模块传输到图像处理软件中，通过基于时间序列指示灯状态变化检测方法判断故障指示器状态，并与设定的控制单元状态对比。

图1 故障指示器全自动测试系统的架构框图Fig.1 Architecture of fault indicator automatic test system

2 硬件设计

通过高速工业高清摄像头SJ-RT-1080-CAM 及其配套工业视频采集卡SH-RT-1080-CAP 3G-SDI 获取对待测样品指示器集合的检测视频。由于本文主要面向实际运用，对于设计成本和运行可靠性要求较高，为了避免摄像头镜头畸变，T 型失真等常见的由于摄像头镜头所带来的不可避免的误差［25-29］，对图像处理算法带来额外的计算量，同时减少平时试验所需调整的参数变量数目，对于摄像头的安装方式采用如图2所示。

安装故障指示器采集单元的模拟架空线路的架空杆按照相关试验指标设计成如图2 所示的尺寸；为了让故障指示器采集单元尽可能地落入CCD 摄像头镜头中心区域（此区域由镜头带来的失真较低，图像处理计算时可忽略不计），A相和C相之间的角度为31.17°，为了保证试验拆装方便，将ABC三相指示器吊挂位置设计为剖面角45°，此时故障指示器三个采集单元在CCD 摄像机眼中呈现直线排布，降低了后期处理的难度，同时增强了处理算法的可靠性、降低操作难度。

图2 图像处理摄像头与被测样品安装图Fig.2 Installation diagram of camera and tested sample

3 软件设计

系统软件由于上位机实现显示报警系统，该系统为自主定制化设计的自动化测试系统。基于时间序列视频图像处理故障指示器，主要包括被测样品区域定位，指示灯监控状态识别。

3.1 被测样品定位

由于摄像机及指示器面板的安装位置固定，则拍摄得到的图像中指示器面板的相对位置和大小固定，因此可以通过手工直接对被测样品进行标定。这不仅缩短了图像对指示器的定位识别的处理时间，也提高了定位的准确度和效率，增加系统的可靠性。

3.2 基于时间序列指示灯监控状态识别原理

初始化包括存储指示灯未报警时的状态图像，视频图像可以用式（1）表示。

式（1）中，B(x，y)表示非指示器区域光场分布，Dn(x，y，t)表示第n个指示器区域的光场分布，L(x，y，t)表示指示器亮的空间时间变化。因为指示器区域较小，可以近似认为指示器区域是整体亮度的变化，指示器亮和灭是整体强度一起变化，区域中的分布基本上为常数，其次是指示器亮分布基本均匀，在指示器的光场可以近似认为常数。那么式（1）可以近似如公式（2）所示，在指示器区域把时间函数和空间函数进行分离。

在式（2）中，L分离为空间函数LA和时间函数LT，D 分离为空间函数DA 和时间函数DT，在指示器区域的亮度分布为常数。摄像机获取视频信息周期为δ，那么前后两帧的差别可以用式（3）表示。但是随着时间，背景的变化量远小于故障指示器亮灭的变化量，于是，式（3）可以用式（4）表示。

在式（4）中，B(x，y)ΔL(x，y，t)是背景亮度，因为背景变化缓慢，因此值都很小。第二项，由于指示器灯的亮灭比较明显，所以每个指示器区域的变化值很大，所以，依据时间序列通过比较指示器闪烁时相邻帧之间的巨大变化，从而发出报警。

3.3 故指亮灭及闪烁状态判别

采集不同背景光下指示灯亮、灭、快速闪动及慢速闪动等状态的若干帧视频图像。其中，令背景光监测区间的亮度为LBj，灯亮时指示灯亮度为LONj，灯灭时指示灯亮度为LOFFj，则指示灯去除背景亮度后的实际亮度可以用式（5）表示，其中k 为补偿系数，描述指示灯真实亮度与背景的关系，可用式（6）的最小二乘法来求出［30-32］。亮灭的阈值Tj可以通过式（7）求得，当指示灯以一定频率闪烁时，由于不同的闪烁频率时间积分下产生的亮度不同，故而判断闪烁的阈值通常小于式（8），但不能过小，以免受到噪声干扰。

先检测出每一帧图像故指亮灭状态，后通过时间序列分析帧间数据可判别指示灯的闪烁状态。令指示灯亮的时间为TON，灭的时间为TOFF，则闪烁周期为TON+ TOFF，Tc为视频的帧间周期，并根据式（7）来判断指示灯状态。

3.4 主程序流程

故障指示器全自动测试系统主程序流程如图3所示。

4 检测结果及验证分析

为验证有效性，搭建了如图4 所示的系统平台检测环境，图5为自主设计上位机页面总览图，其中左上角大画面为通道3的分图，左下角为通道3检测的6个故障指示器。依次双击右侧列表中图像可以实现通道的切换与显示。切换后的通道1、通道2 的分图如图6-图7所示。

图3 软件设计流程框图Fig.3 Flow chart of software design

图4 检测装置及环境整体图Fig.4 Overall diagram of detection environment

图5 上位机页面总览图及通道3分图Fig.5 General view of page upper PC and Channel 3

系统设定控制单元输出，模拟三相架空电路的实际运行工况，并选取相应时间段录波型故指的视频图像进行实验。待测对象固定为通道1中左下角的指示灯。设定采集视频信息帧周期为20 ms，图像处理软件根据指定区域离散的亮度信息及阈值来判定灯的亮灭，并通过时间序列分析帧间数据判断指示灯是否闪烁。对于指示灯恒亮恒灭切换下的亮度采集及识别结果如图8所示；以闪烁周期为400 ms和90 ms切换下的亮度采集识别结果如图9 所示；下方对应的识别曲线准确识别了待测故指的当前状态。表1中为不同闪烁周期的检测数据，从表中可见当闪烁周期小于设定的采集帧周期时，检测的数据存在丢失，不能正确判断当前状态；当闪烁周期大于帧周期时，能正确判断指示灯的状态及周期，其中识别帧数存在差别的原因和采集的起止时刻在闪烁周期的位置有关。

图6 相同时刻通道1分图Fig.6 Sub graph of Channel 1 at the same time

图7 相同时刻通道2分图Fig.7 Sub graph of Channel 2 at the same time

表1 指示灯不同闪烁周期识别结果Table 1 Identification results of of indicator lights in different flashing periods

图8 指示灯恒亮恒灭识别结果Fig.8 Identification results of indicator light on and off

图9 指示灯闪烁周期变换识别结果Fig.9 Identification results of indicator in different scintillation period

5 结语

由上可见，基于时间序列图像的故指亮灯警告识别方法可以有效地识别暂波型故指状态，结合设计的模拟仿真配电线路，可以实现暂波型故障指示器性能试验全自动测试功能，经过多次试验，装置系统工作稳定、可靠、有效，基本满足全自动测试暂波型故障指示器性能的试验需求，对于提高试验中心故障指示器自动化检测效率具有重要意义。