基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统设计分析

2024-02-18郑业金王烁焱陈欢欢

大科技 2024年4期

关键词：预警系统机器预警

郑业金，王烁焱，陈欢欢，高媛

（山东枣矿中兴电气有限公司，山东枣庄 277011）

0 引言

电网线路在电网系统中占据着重要地位，且线路检修效率与质量会对系统运行安全性与稳定性产生较大影响，只有加强预警才能够有效提升线路检修效率，为此应根据研究结果分析如何在机器视觉的基础上设计线路检修流程自动预警系统。

1 机器视觉、线路检修与自动预警概述

1.1 机器视觉

机器视觉技术是一门涉及人工智能、心理物理学、图像处理、计算机科学以及模式识别等诸多领域的交叉学科，可以通过计算机模拟人的视觉功能并从客观事物的图像中提取关键信息，通过对信息的处理与分析进行相应的检测与控制，具有功能多、信息量大、速度快等优势。在应用该技术时需要充分发挥机器视觉系统的作用，即通过电荷耦合器件（charge coupled device, CCD）等机器视觉产品获取被摄取目标的图像信号，随后通过图像处理系统获取目标的形态信息并根据像素分布等情况获取目标的特征，最后根据判别结果控制现场的设备动作。

1.2 线路检修

线路检修指的是对线路进行巡视、检测与试验并根据发现的问题制定合适的方案，从而消除线路缺陷、预防线路出现事故、保障线路安全运行的过程。电网线路在运行过程中会受到运行环境、人为操作等诸多因素的影响，出现故障的可能性较大，而加强线路检修可以及时发现线路的异常情况并且降低出现严重问题的概率[1]。

1.3 自动预警

预警即在问题发生前根据以往总结的规律或发现的前兆向相关人员发出紧急信号并报告危险情况，从而最大程度的减轻问题所造成的损失。自动预警指的是系统直接根据相关的数据信息以及分析结果发出预警信号，以便相关人员及时发现可能会出现的问题。

2 基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统应用优势

2.1 有利于提高线路检修效率

在传统检修手段等因素的影响下，线路检修的效率较低。而在机器视觉的基础上设计线路检修流程自动预警系统可以通过机器视觉产品直接获取线路的图像信息并根据图像信息的处理结果自动判断线路是否存在异常情况，且能够通过声音预警、灯光预警等信号进行相应的提示，有利于让线路检修人员及时发现线路异常，为后续检修奠定基础[2]。

2.2 有利于保障线路运行安全性

若线路出现故障将会产生一些安全隐患并对电网系统造成严重影响，科学设计基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统可以进一步优化线路检修的流程以及方法，且可以为其他工作提供支持，有利于保障线路运行的安全性。

3 基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统硬件设计

3.1 硬件结构设计

硬件设计是自动预警系统设计的重点内容，在设计过程中应综合分析机器视觉的原理与特点以及自动预警系统的运行需求，之后优化整体的硬件结构。例如，可以将自动预警系统的硬件设计为三大模块，即基础模块、中心模块与关键模块，将信息采集模块、预警模块与控制模块纳入基础模块中；将STM32F 微控制器、直接存储器访问（data memory access, DMA）DMA1、DMA2、DMA3、DMA4、DMA5 以及 PIC16F877单片机纳入中心模块中；将数字信号处理器（digital signal processor, DSP）、按键、开关输入模块、开关输出模块以及中央处理器（central processing unit, CPU）模块纳入关键模块中，从而完善硬件结构、加大信息控制力度。

3.2 采集电路设计

在进行基于机器视觉的自动预警系统设计时需要选择合适的数字图像传感器并科学设计采集电路。首先，可以选择OV7620 这种分辨率高、集成度高且内部含有A/D 转换器的数字图像传感器。但进行线路检修需要采集大量的图像数据信息，对数字图像传感器的采集能力与存储能力有较高的要求，因此在应用这种数字图像传感器时需要应用图像缓存技术，通过这种技术手段扩展图像数据存储量、加快图像输出速度。其次，在明确数字图像传感器后需优化采集电路，例如，应在采集电路中设置4 个SS14 二极管、4 个电阻以及1 个PWR2.5 接口；通过SCL 控制线使控制器对数字图像传感器进行预设与控制；提高电路模拟开关的信号输出水平，使开关能够在接收到预警信号时输出水平同步信号并将信号转变为高电平；当数字图像传感器的触发器输出端转变为低电平时，使传感器自动写入行像素数据并获取检修图像数据；当采集电路中同时出现两个脉冲信号就说明一帧线路检修图像采集成功。

3.3 单片机设计

单片机属于集成电路芯片，是通过超大规模集成电路技术将中央处理器、随机存储器等硬件设施集成到一块硅片上的微型计算机系统，在自动预警系统中的应用价值较高。在进行基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统硬件设计时应科学选择单片机并优化具体设计。例如，在该系统中可以选择PIC16F877 单片机，因为这种单片机将数模转换器、数据存储器等设备结合了起来，具有十分完善的功能，且具有40 个通道以及8 位分辨率。这种单片机的引脚以及I/O 端口相对较多，其中两个引脚可以为输入线路检修数据提供接口，3 个引脚可以为输出线路检修数据提供接口，而I/O端口可以为线路检修数据的输入以及输出提供电流并为固态继电器提供驱动力。这种单片机也具有预警电路，可以通过声音预警的方式进行提示，具有瞬时电压范围大、预警音响多、功耗低等优势。一旦电网线路出现异常情况，集成芯片的管脚就会直接输出异常线路的电阻以及音频信号的频率，从而进行预警。因此，在设计过程中需要在单片机的输入端中输入经过放大处理的线路预警信号，通过数模转换器进行线路预警信号的分析与转换，若分析结果为单片机的输入端电压小于输出端电压就说明电网线路处于正常运行状态中，没有出现短路或过载等问题；若分析结果为单片机的输入端电压大于输出端电压就说明电网线路处于异常运行状态中，出现了短路或过载等问题[3]。

3.4 控制器设计

控制器在系统硬件中发挥着重要作用，而STM32F微控制器的结构较为合理、功能较为完善，所以在该自动预警系统中选择这一款控制器[4]。从具体结构来看，STM32F 微控制器含有16 位ARM 内核以及存储容量为256kB 的闪存存储器，且其内部含有RS232 通信接口与外部时钟，其中RS232 通信接口是与单片机相互连接的，可实现异常线路数据的传输。总之，STM32F 微控制器在运行过程中可有效接收由机器视觉系统传输的图像数据并将这些数据与异常线路数据都存储在闪存存储器当中，线路检修人员便可直接查看相关数据，增强线路检修的准确性。但如果出现短路等异常情况，电网线路的瞬时电压会达到7.8V，而这一电压远远大于控制器芯片的瞬时电压，且异常线路的电流也会在短时间内从1.3A 上升为25A。在这种情况下若想有效控制异常线路就需要将微控制器与32 位双向总线收发器连接起来，通过收发器将7.8V 的电压转变为4.8V的电压并通过采样电阻将异常线路的电流信号转变为电压信号，之后将电压信号输送至控制器的输出端，通过光耦实现隔离保护，最后再将控制器的外部时钟频率从18MHz 调整为36MHz 并通过手动复位这种方式对异常线路的电压以及电流进行有效控制。

4 基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统软件设计

在完成系统硬件设计工作后需要进行软件设计，增强系统的完善性与功能性。

4.1 软件运行流程设计

在进行软件设计时应先明确软件运行流程，该系统软件运行流程设计如图1 所示。

4.2 异常线路定位设计

异常线路定位是软件运行中的关键环节，所以在设计时应明确定位异常线路的原理。从实际情况来看，若假设有k 条线路、n 个疑似异常线路点，在电网系统中存在干扰与噪声的环境中对这k 条线路进行异常判断，假设所判断出的异常线路点为m，在这种情况下对疑似异常线路点与判断出的异常线路点进行对比分析并分别标注重叠与非重叠的线路点，随后根据标注情况进行异常定位，该软件可以通过定位函数进行异常线路的定位[5]。定位函数如式（1）所示。

式中：Wn——通过机器视觉系统所采集的异常线路像素点；δm——拍摄到的异常线路点的形态信息；x——线路异常点；yn+1——疑似异常线路点的误差权值。

4.3 通信状态判断设计

一般情况下，需要根据服务器的显示状态判断电网系统的通信状态，即若服务器显示正常则说明电网系统处于正常的通信状态中，若服务器显示中断则说明电网系统的通信处于中断的状态中。但服务器会受到线路等诸多因素的影响，无法直接显示电网系统的通信状态，所以该自动预警系统需要根据式（2）进行通信状态的判断。

式中：Zn——电网系统通信状态的判断结果；Am——当异常线路点为m 时电网系统的通信状态；Bk+1——在k条线路下电网系统的通信中断状态。

4.4 异常线路预警设计

若电网系统处于正常的通信状态中，则该自动预警系统需要根据式（3）进行异常线路预警。

式中：T——异常线路预警结果；Zn——电网系统通信状态的判断结果；U——所采集的预警电压。

在预警到异常线路后，线路检修人员就要及时检测异常线路的状态并明确其具体故障，根据故障类型以及故障原因制定故障处理方案，避免造成严重后果。

5 基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统实验验证

为了验证基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统，在两个变电站中进行了实验。其中一个变电站的电容为10000pF，另一个变电站的电容为5000pF，在实验时在两个变电站之间设置了测量装置且将实验线路连接线的长度控制在了40m 左右。在完成实验现场的布置工作后将电路电压调整为了110kV，随后利用绝缘子进行局部放电并利用基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统进行异常线路的定位。在分析后发现，第一个变电站在实验的第0.45s 时开始产生故障波动，而设计的自动预警系统可以在0.45s 时检测到线路的故障位置。第二个变电站在实验的第0.27s 时开展产生故障波动，而自动预警系统可以及时检测到线路的故障位置。这就说明在机器视觉的基础上设计线路检修流程自动预警系统可有效采集线路的数据信息并及时对线路故障进行预警，在实际工作中发挥着重要作用[6]。