基于增强现实技术的电力电缆故障定位

卞佳音，徐研，张珏，单鲁平，陈文教

（广东电网有限责任公司广州供电局，广东广州 510620）

近年来，随着我国城市化的进程不断加速，对于电力电缆的应用越来越多，现存的城市架空线路必要时也需要改为地下电缆的电力传输形式[1]。电力电缆虽然较为美观，不会影响地面的城市建设，但由于其位于地下，一旦发生故障会给电力检修带来较大的困难。尤其是对电力电缆故障的快速、准确定位，通常需要耗费大量的时间，不利于供电可靠性的提升[2]。因此，开展电力电缆故障定位的研究具有较大的价值与潜力。

电力电缆线路与架空线路相比具有独特的优势，包括占地面积小、供电可靠性高、电压降较小、故障率低以及防雷击等。近年来，随着城市的建设、发展与电力电缆使用率的提高，其故障也越来越受到重视。比如短时的瞬时故障与接地故障、工程施工、地质灾害等，均会造成电缆各种各样的故障出现[3]。因此如何快速定位电缆的故障点，对减小停电时间具有较为关键的作用。根据目前的了解，电力电缆故障定位通常采用电磁感应的装置进行。但其存在抗干扰能力弱、操作复杂的问题，且无法直观识别电缆的故障类型[4]。

基于此，文中提出利用增强现实技术定位电缆故障。该方法可增加运维的效率及可视化程度，对提升电力系统的供电可靠性、减少停电时间均具有重要意义。

1 增强现实技术

1.1 增强现实概述

增强现实（Augmented Reality，AR）技术是属于人工智能的产物之一，其基本原理可表述为在真实自然环境中显示AR 设备所收集的虚拟数据、三维模型等。将不在现场的事物以可视化的形式展现出来，即AR 技术可以将虚拟影响与现实相结合。而这种结合可从一定程度上打破空间的界限，给予用户近乎于真实的体验[5-13]。

现阶段，增强现实技术已应用于多个领域。宝马汽车公司已开发了AR 汽车维修技术，牛津大学利用该技术创新地使用了相关设备的引导系统，我国相关团队也在通过增强现实技术恢复历史文物，目前已取得了一定的进展。此外，增强现实技术在医学、体育、教育及文娱活动等领域均有重要的应用。

该文基于增强现实技术的电力电缆故障定位，采用计算机辅助系统，结合已有的电力电缆资料数据，建立与之相同的模型数据库。然后通过增强现实技术所收集到的数据资料与数据库相匹配，对比得出特征图，以上步骤有利于三维注册阶段的精度与速度。增强现实下的电力电缆可清晰地显示在现实环境中，使得运维检修人员可直观、快速、准确地发现故障，判断故障地点与故障类型，具有较强的真实度，从而实现电缆故障的快速定位。

1.2 系统框架

如图1 所示，该文基于增强现实技术的电力电缆故障定位方法，利用虚拟投影与影像传感器的混合跟踪注册技术，同时综合利用图像处理先进技术，具体的系统结构主要包括4 个步骤：

图1 增强现实系统流程

1）通过放电传感器对电缆进行实时监测，若发现故障，则及时获取三维坐标；

2）根据步骤1）所得的坐标结果，将摄像机转向故障所在位置，自动捕捉故障点图像进行三维注册并获取相关数据；

3）利用图像处理模块对图像进行边缘完整性校验与优化，拼接成完整图像；

4）信息输出是将呈现的三维影像转换到二维空间中，并通过图片的形势融合输出显示。

1.3 关键技术

1.3.1 三维注册

增强现实技术的关键点就是实现虚拟数据与现实世界的无缝结合，以达到最优的人体感官效果。而三维注册技术的作用，就是将虚拟坐标与现实坐标进行拼接与校对[14]。

可采用OpenCV 开发包的相机标定方法进行三维注册，以获取内外参数矩阵。

1）摄像机捕获的数据参数信息，可表述为式（1）。

其中，0表示无数值；R为循环矩阵；T为平移变量。

2）虚拟图像数据变换到实际图像中的变换矩阵，如式（2）所示。

式中，k为视频采集装置内参数；fx与fy分别为视频采集装置在两个坐标轴上的权重系数；(u0,v0)为起始坐标点；s为随机变化因子。

1.3.2 显示输出

显示输出是将增强现实处理结果可视化的过程，将检测结果呈现到运行人员视野内。这一过程虽然是结果显示的最后一步，但却能直接影响用户的体验，因此对显示输出的性能要求也越来越高。

该文结合实际情况，针对不同的工程能够实现有针对性的外形轮廓自动识别、拼接与匹配。在显示输出中要经历一个边缘检测的过程，若边缘检测结果出现模糊或不完整，则需要视频采集设备继续重复视频资料数据收集工作，直至达到预想的结果为止。进行图像识别和虚拟信息的匹配与融合，最终呈现给运行人员一个完整、准确的图像。

2 电缆故障分析

电缆故障定位检测是运行人员处理电力电缆故障的前期工作，故障定位的时间长短，决定了此次故障处理的效率及停电时间的长短，最主要考虑的是时效性与准确性[15]。

2.1 电缆故障处理模式

实际运行检修工作中，工作人员通常需要遵循一定的步骤，主要为前期工作准备、电缆故障类型判断、推断故障范围、电缆路径定位、精确定位和故障处理。详细流程如图2 所示。

图2 电缆故障处理主要流程

2.2 故障定位系统架构

故障定位系统总体架构需要多个步骤与多种设备共同配合完成，还需要通信设备能够及时的将信息数据传回总台，如图3 所示。通常故障发生后，一般从最易发生故障的电缆接头处开始，运检人员通过增强现实显示设备，包括增强现实眼镜、头盔等视频采集装置扫描到的真实现场情况，获取真实的现场环境与图像，然后将这些数据传回总台服务器[16]。

图3 电缆定位系统的结构示意图

3 系统流程

如图4 所示，基于增强现实技术的电力电缆故障定位系统，主要流程包括以下几个方面：

图4 电缆定位系统主要流程与步骤

1）需要获取增强现实显示输出设备的当前位置编码数据信息，以及与之相匹配的所在环境对应的当前图像编码数据，为后续的数据处理与校对做资料准备。

2）将所述的当前图像编码数据与特征图形库中的预制数据做对比匹配分析，确定与当前图像编码数据匹配，生成三维注册的数据资料，这些数据包括外形数据、视角数据和空间距离数据。

3）进行三维定位注册，调整当前位置编码与目标图像的虚拟数据，进行三维注册编码。建立电缆的视频采集数据与增强现实显示设备的匹配坐标系，进而调整位置关系。

4）获取生成所述三维注册指令的触发时刻，根据触发时刻与目标图像数据，调取虚拟电缆数据库中对应的空间图像数据。

5）对空间数据进行编码，将编码后的空间距离相关数据与其对应关系发送至增强现实显示设备中。将电缆的实际情况显示至预先设定好的现实环境中，以此判断电缆的运行状态是否良好或处于何种故障状态。

4 算例分析

根据某城镇供电所12 次电缆故障定位处理的情况，比较人工检修与通过增强现实技术的定位时间。

其中，硬件采用ARTRAY 公司的ARTCAM-274KY-WOM 型号相机，镜头为M1614-MP2 型号，有效像素为1 628×1 236。数据处理计算机为戴尔计算机，i7 处理器，4 GB 运行内存。

在以上条件下，详细记录电力电缆故障诊断结果，如表1 与图5 所示。

表1 不同定位方式下的检修时长

图5 平均故障定位时长

结果表明，常规人工检修情况下的电缆故障定位时长平均达到7 h 以上，最长用时9.63 h；而通过AR 增强现实技术的电缆故障定位用时可降低至1 h左右，显著缩短了故障定位时长，提升了供电可靠率。

5 结束语

通过实际案例的比较，表明文中基于增强现实技术的电力电缆故障定位策略，能够快速、便捷、准确地找出电缆故障位置，便于检修与减少停电时间，具有较强的可操作性，且可大幅提高运行人员的操作安全性及当地电网供电可靠性。

但是，增强现实技术在电力系统中的应用仍处于初步探索阶段。一方面，增强现实设备较为昂贵，且对通信要求较高，维护成本会增加，初始投资较大；另一方面，增强现实技术在电力电缆方面的应用仅可通过视觉感官来判断故障与否以及故障类型，但对于电缆内部故障无法作出准确判断。在未来的应用中，探索多种电力电缆故障识别、定位方法的结合，具有较大的研究潜力。