双目视觉技术在变电站刀闸状态图像识别中的应用研究

黄德华

（广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526060）

0 引 言

隔离开关（俗称“刀闸”）是高压开关电器中使用最多的一种电器，工作原理及结构比较简单。由于使用量大和工作可靠性要求高，它对变电所、电厂的设计、建立以及安全运行的影响较大[1]。目前，倒闸操作是变电站日常运行中最重要的运维内容之一。倒闸操作的成功与否直接关乎到电网的安全运行[2]。现阶段，多采用人工现场观测和主观判断的手段，费时、费力且效率低，尤其是位置偏远的变电站，且易受到观测者的主观影响。本文使用双目视觉技术识别刀闸状态，使图像识别由定性分析演变为定量分析，可为变电站智能化操作提供可靠判据，推动变电站的无人化进程。

1 双目视觉技术原理

双目立体视觉基于视差原理，由多幅图像获取物体三维几何信息[3]。实际操作中，双目视觉一般由两个摄像机从不同角度同时获取被测目标的两幅数字图像。两个摄像机和被测目标三者之间构成一个完整的三角形。已知两个摄像机的空间位置，通过三角几何原理计算和重构，获取两个摄像机公共视场内任意目标物体的三维几何信息。

图1为简单的双目视觉技术原理图。两摄像机的投影中心连线的距离，即基线距离B。左右相机在同一时刻观看时空物体的同一特征点P，相当于人的“左眼”和“右眼”获取了点P的图像。点P在左右相机的成像点坐标分别为Pleft（Xleft，Yleft）和Pright（Xright，Yright）。将两摄像机固定在同一平面上，则点P的成像坐标的Y坐标是相同的，即Yleft=Yright=Y。根据三角几何原理，视差是同一个空间点在两个相机成像中对应的X坐标的差值，即Disparity=Xleft-Xright，则点P在左相机坐标系下的位置可以表示为：

因此，对于空间中任意一点，只要左摄像机像面上的任意一点能在右摄像机像面上找到对应的匹配点，就完全可以计算该目标点的三维坐标。这种方法是点对点的运算，像平面上所有点只要存在相应的匹配点，就可以参与上述运算，从而获取对应的三维坐标。

图1 双目视觉技术原理

2 基于双目视觉的变电站刀闸状态图像识别

基于双目视觉的变电站刀闸状态图像识别的前端采集装置，是两个高清摄像头组成的双目视觉装置，通过固定架安装在隔离开关附近的预设位置上。在采集刀闸及其靶标的左右摄像头图像后，通过交换设备传输网络将采集到的图像输入到设置在总控室的计算分析系统，然后系统对所述刀闸和靶标图像进行计算处理。通过提取刀闸图像上的目标靶标位置，寻找两个摄像头图像当中的同名点并建立对应的坐标关系，从而计算两个同名点之间的距离。图2为刀闸靶标位置示意。

图2 刀闸靶标位置示意

获得同名点之间的距离后，判断点距是否落在刀闸闭合距离区间、刀闸开启距离区间或不处于开闭任一距离区间，从而获得一个刀闸开闭状态或异常状态信息作为后续状态投票依据。最终，结合多个点距获取多个状态信息后，以状态投票方式决定得票数最高的状态为最终输出状态，从而辨识隔离开关的合闸状态是否开合正常。

3 基于双目视觉的变电站刀闸状态图像识别在试点变电站中的应用

3.1 试点变电站基本情况

选取某一35 kV小型敞开式变电站作为试点，采用现场图像识别作为辅助判据，确保刀闸设备分合到位。该变电站占地面积约3 000 m2，分为主变区域（2台主变，总容量10 MVA）、35 kV高压区域（单母线分段接线，终期10个间隔，现有8个间隔，其中2回线路间隔，各间隔地刀、空开均为手动操作）、继保室区域、10 kV设备室区域以及电容器等其他区域。

3.2 刀闸状态双目图像识别流程

以单组刀闸为例，刀闸状态双目识别流程如下。

（1）调度员向调度系统下发倒闸操作指令，待操作指令完成后，调度系统自动向视频平台下发刀闸图像识别任务。

（2）视频综合管理平台自动触发预设好的与倒闸操作一一对应的刀闸巡视任务。

（3）联动的摄像机到达对应的预置点，抓拍指定刀闸A、B、C共3组图片，随后将抓拍图片通过网络发送到智能分析服务器。

（4）智能分析服务器对刀闸状态进行实时计算、分析，状态包括开、合、其中一或两项未动作或无法分析，并将分析结果发送至视频综合管理平台。

①当刀闸三相状态分析结果同时为“开”状态，分析结果存储为“开”；

②当刀闸三相状态分析结果同时为“关”状态，分析结果存储为“关”；

③除了以上两种情况以外，其他情况的分析结果存储均为“异常”。

（5）视频综合管理平台根据智能分析服务器的分析结果自动触发联动应用，联动信息发送动环主机，联动报警输出。

（6）环境采集单元根据视频综合管理平台分析结果转换为一一对应的硬接点信号，开（0.1）、合（1，0）以及异常（0，0），并发送到测控装置。

（7）测控装置检测硬接点信号并按规则分类，将分类后结果发送至调度系统作为辅助判据信息存储。

3.3 刀闸状态双目图像识别运行测试

在变电站初步改造完毕后，以是否能够有效判别刀闸状态对变电站进行运行调试，从而实现一键式调度。

当刀闸状态更改时，设备列表将显示对应项目的A、B、C共3个刀闸的状态。未进行倒闸操作前，对应项目的A、B、C刀闸状态均显示“闭合”。完成倒闸操作后，对应项目的A、B、C隔离开关状态均显示“开启”。

本次完成的倒闸操作验证了双目视觉技术在变电站刀闸状态图像识别中的实用性。通过双目视觉技术，结合目标靶标识别，建立坐标分析计算的方法，精确识别测量刀闸动静触头的相对距离，为判断刀闸开合是否处于要求范围提供了强有力的判断依据。相比于单纯使用图像识别技术的相关系统，这样能够大幅提高视觉监测系统的可靠性，降低误判的可能性。

作为视频监测系统，通过实时图像传输显示，运维人员可以及时发现刀闸闭合的实际情况，无需到变电站现场就可以实现刀闸的监控与管理。在刀闸发生故障时，系统能够及时识别、测量并报告状态，运维人员可通过实时图像进行人工二次确认，进而提高变电站日常运行管理维护的效率，降低发生事故的概率。

4 结 论

本文研究双目视觉技术在变电站刀闸状态图像识别方面的应用。通过双目视觉装置提取变电站内刀闸状态实时画面，提取刀闸上靶标三维位置进行计算同组图像中两个靶标的点距，并比对系统中刀闸绝对打开和绝对闭合状态点距，输出刀闸实时状态，有效提升了图像识别的有效性和准确性。选取某变电站作为试点变电站，对该变电站进行定制化改造。通过站内实际测试，证明了此项技术可以实时识别刀闸状态，进一步提高了图像识别的准确性，为变电站智能化操作提供了可靠判据，有效推动了变电站的无人化进程。