基于中线模型的隔离开关状态检测方法研究

公多虎, 詹仲强, 葛志杰，吴天博，陈文涛，陈大鹏

(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.南京优能特电力科技发展有限公司，江苏 南京 210000)

0 引 言

由于敞开式隔离开关所处的恶劣环境，在长期运转后会出现分合不到位的情况，倒闸操作过程中可能导致左右刀闸臂之间产生电弧，造成火灾，以致威胁设备及人身安全。目前变电站倒闸操作过程中，隔离开关状态主要根据现场运行人员现场观察进行识别，识别结果依赖运行人员经验及位置和天气情况等，存在检测结果不可靠的问题[1]，不能满足实际需求。文献[2]中提出检测刀闸臂边缘线，根据刀闸臂边缘线的角度判断刀闸状态，但是在进行边缘检测时，刀闸臂附近往往会检测到多条边缘线[3-4]。如何精确确定左右刀闸臂边缘线直接影响状态检测精度[5-6]。本文提出一种基于中线模型的对开式隔离开关开合角度计算方法，利用对开式刀闸的运动特征和对称性，确定左右刀闸臂边缘线，精确计算左右刀闸臂间角度[7]，根据夹角实现对开式刀闸开合状态自动检测。

1 隔离开关中线模型

1.1 基本特征

对开式隔离开关是水平断口、双柱水平旋转式隔离开关，双柱指左右两侧竖直的绝缘子，中心断口指左右刀闸臂在虚合或闭合状态时的接触位置。该类隔离开关在开合过程中左右刀闸臂以绝缘子上端点为旋转点，左右刀闸臂同步对称开合。图1为对开式隔离开关，隔离开关装配如图2所示。

图1 对开式隔离开关

图2 左右刀闸臂边缘线配对

1.2 刀闸臂中线的定义

对开式隔离开关完全闭合时，左右刀闸臂在同一直线上，左右中点连线的中点记作刀闸臂中点；对开式隔离开关完全打开时，左右刀闸臂在三维空间中是相互平行的。在射影几何中，两条平行的直线相交于无穷远处一点，该点投影到图像平面称作消失点(灭点)，将刀闸臂中点和消失点的连线记作刀闸臂中线。

1.3 刀闸臂中线的性质

1)刀闸臂中线垂直于闭合状态下左右刀闸臂所在直线，且过刀闸臂中点。

2)在刀闸开合过程中，任意状态下左右刀闸臂所在的直线，其延长线的交点在刀闸臂中线上。

3)在刀闸开合过程中，左右刀闸臂对称的任一点的运动轨迹的切线的交点在刀闸臂中线上。

1.3.1 证明(a)

由图3可以看出，设刀闸臂中点为C，左中点为L1，右中点为R1，左右刀闸臂完全打开时的消失点为V，L1L2为完全打开的左刀闸臂，R1R2为完全打开的右刀闸臂，则有

图3 刀闸臂简化

L1L2∥R1R2

又由通过同一无穷远点的所有直线平行，故

L1L2∥CV

CV⊥L1R1

可以看出，刀闸臂中线垂直于闭合状态下左右刀闸臂所在直线，且过刀闸臂中点。

1.3.2 证明(b)

对于开合过程中任意状态下的左右刀闸臂，L1L3和R1R3分别表示任意状态下的左刀闸臂线段和右刀闸臂线段(见图3)。由于对开式刀闸左右刀闸臂是对称同步开合，故有

∠L3L1C=∠R3R1C

延长L1L3和R1R3相交于点D，三角形L1DR1为等腰三角形，因为C为底边L1R1的中点，所以CD为三角形L1DR1底边的中线，既等腰三角形的底边中线和底边的高互相重合，有

CD⊥L1R1

可以看出CD和刀闸臂中线为同一直线，左右刀闸臂边缘线的延长线的交点D在刀闸臂中线上，当刀闸在开合过程中，任意状态下左右刀闸臂所在的直线，其延长线的交点在刀闸臂中线上。

1.3.3 证明(c)

在刀闸开合过程中，左刀闸臂任一点的运动轨迹是以左中点为圆心，固定长度为半径的圆上的一部分圆弧；右刀闸臂任一点的运动轨迹是以右中点为圆心，固定长度为半径的圆上的一部分圆弧。设定左右刀闸臂任意对称的两个点为P1和Q1，在刀闸由合到开的过程中，左刀闸臂上的点P1的运动轨迹上的另外两个点为P2和P3，右刀闸臂上的点Q1的运动轨迹上的另外两个点为Q2和Q3，则P3和Q3关于中线对称，所以P3Q3的连线的中点在中线上，记作F。由于L1和R1关于中线对称，P3和Q3也关于中线对称，刀闸臂中线垂直于P3Q3，同时垂直于L1R1，所以

L1R1//P3Q3

又M和N在L1R1上，所以

MN//P3Q3

∠MP3Q3=∠NQ3P3

∠EP3Q3=∠EQ3P3

三角形EP3Q3为等腰三角形，又F为P3Q3的连线的中点，所以EF为等腰三角形EP3Q3的底边中线。等腰三角形的底边中线和底边的高互相重合，所以EF⊥P3Q3。刀闸臂中线过点F且垂直于P3Q3，EF和刀闸臂中线在同一直线上，点E为刀闸臂中线上的点，所以在刀闸开合过程中，左右刀闸臂对称的任一点的运动轨迹的切线的交点在刀闸臂中线上。

2 确定隔离开关开合状态

采集开式隔离开关图像，利用LSD(line segment detector)边缘检测算法获取目标图像中刀闸臂所有边缘线，由上述证明可知，在刀闸开合过程中，任意状态下的左右刀闸臂所在直线的交点均在刀闸臂中线上，所以刀闸臂中线将刀闸一分为二，左刀闸臂位于刀闸臂中线左侧，右刀闸臂位于刀闸臂中线右侧，左右刀闸臂边缘线延长线的交点在刀闸臂中线上，因此可利用刀闸臂中线确定左刀闸臂边缘线和右刀闸臂边缘线。

获取左右刀闸臂边缘线后，以左刀闸臂边缘线和右刀闸臂边缘线作为基准，设定左刀闸臂边缘线相对于闭合状态刀闸臂所在直线的角度为α1，右刀闸臂边缘线相对于闭合状态刀闸臂所在直线的角度为α2，左刀闸臂边缘线和右刀闸臂边缘线间的夹角为θ=|α2-α1|，该夹角即为左刀闸臂和右刀闸臂间的夹角，实际使用时根据用户需求利用刀闸臂间的夹角判断刀闸开合状态。

3 实验结果与分析

实验中，根据隔离开关技术条件要求，将左右刀闸臂间的角度<3°的刀闸状态判定为闭合状态，将左右刀闸臂间的角度≥3°<15°的刀闸状态判定为虚合状态，而将左右刀闸臂间的角度>15°的刀闸状态判定为打开状态，实验结果中包含左右中点连线、左右刀闸臂定位矩形框、左右刀闸臂的边缘线、左右刀闸臂间的角度以及刀闸的开合状态。图4为刀闸闭合状态的检测结果，从图中可以看出左右刀闸臂基本在同一直线上，计算得到左右刀闸臂间的角度为0.93°。图5为刀闸虚合状态的检测结果，计算得到的左右刀闸臂间的角度为9.78°。图6为刀闸打开状态的检测结果，计算得到的左右刀闸臂间的角度大于15°。图7中检测到的刀闸臂间的夹角为2.61°，刀闸状态判断为闭合。图8中检测到的刀闸臂间的夹角为1.13°，刀闸状态判断为闭合。图9中检测到的刀闸臂间的夹角为0.77°，隔离开关状态判断为闭合。

图4 闭合状态检测结果

图5 虚合状态检测结果

图6 打开状态检测结果

图7 闭合状态检测结果

图8 闭合状态检测结果

图9 闭合状态检测结果

4 结 论

本文提出一种对开式隔离开关的中线模型状态检测方法，刀闸臂中线垂直于闭合状态下左右刀闸臂所在直线，且过刀闸臂中点，在刀闸开合过程中，任意状态下左右刀闸臂所在直线的延长线的交点在刀闸臂中线上，左右刀闸臂对称的任一点的运动轨迹的切线的交点在刀闸臂中线上，利用中线可帮助精确确定左右刀闸臂边缘线，再计算刀闸臂间角度，根据角度判断刀闸开合状态。从实验结果可以看出，本文提出的方法充分利用了刀闸本身的特征和运动特性，提出的中线方法可以帮助精确确定左右刀闸臂边缘线，提高刀闸状态识别精度。