总740期第六期2021年2月
河南科技
Henan Science and Technology
基于机器视觉的隔离开关分合闸判别系统设计与应用陈富国1陈晓东2蔡杰1陈亮1邓冠男3 （1.平高集团有限公司，河南平顶山467001；2.国网甘孜供电公司，四川康定626000；
3.东北电力大学理学院，吉林省吉林市132012）
摘要：本文设计了一套基于机器视觉的隔离开关分合闸位置判别系统，实现隔离开关分合闸状态的精确判别，与传统辅助开关接点实现隔离开关分合闸位置的方式形成非同源的位置“双确认”判据，为一键顺控操作提供辅助判别支撑，同时针对变电站现有隔离开关分合闸位置判别设计了改造方案。现场运行证明，本文设计的系统具有较好的稳定性、准确性和可靠性，对一键顺控技术的实施起到了一定的推动作用。 关键词：隔离开关；分合闸位置双确认；机器视觉；一键顺控操作
中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）06-0006-04
Design and Application of Discriminating System for Opening and
Closing of Disconnector Based on Machine Vision
CHEN Fuguo1CHEN Xiaodong2CAI Jie1CHEN Liang1DENG Guannan3
（1.Pinggao Group Co.,Ltd.，Pingdingshan Henan467001；2.Ganzi Power Supply Company of State Grid Sichuan Electric Power Company，Kangding Sichuan626000；3.School of Sciences,Northeast Dianli University，Jilin Jilin132012）
Abstract:In this paper,a position discrimination system based on machine vision sensing is designed to accurately identify the opening and closing status of the disconnector,and a non-homologous position"double confirmation"cri⁃terion is formed by realizing the opening and closing position of the disconnector with the traditional auxiliary switch contacts,which provid auxiliary discrimination support for one-key sequential operation,at the same time,a retrofit scheme is designed for the discrimination of the opening and closing positions of the existing isolating switches in the substation.The field operation shows that the system designed in this paper has good stability,accuracy and reliabili⁃ty,which plays a certain role in promoting the implementation of one-key sequence control technology. Keywords:disconnector；double confirmation of opening and closi
ng positions；machine vision；one-key sequence control operation
国内高压隔离开关位置常采用遥控信号及现场人工观测判断分合是否到位［1-2］，这种方法容易受到观测者的主观影响，工作效率低。对于无人值守站来说，遥控操作现场通常无法进行人工确认。目前，一些站采用图像识别、压力传感等方法辅助判断隔离开关位置状态，但上述位置监测方法在稳定性、准确性及适应性等方面仍存在较多问题，例如，压力传感法设备安装困难、无法实现不停电部署及更换，微动开关法触头易磨损、氧化。现有隔离开关分合闸位置监测方法具有一定的局限性，人们需要寻新的技术方法和技术手段，实现分合闸位置的精确判断。
随着科学技术的不断发展，机器视觉及人工智能技术不断取得突破，其在交通、安防、无人机、机器人和虚拟现实等领域广泛应用，表现卓越，为隔离开关分合闸位置判别提供了一种新的重要思路。本文基于机器视觉技术设计了一套隔离开关分合闸位置判别系统，实现隔离开关分合闸状态的准确判别，为一键顺控操作的实施提供支撑。
1系统架构设计
一键顺控是指操作项目软件预制、操作任务模块式
收稿日期：2021-01-08
作者简介：陈富国（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向：智能高压开关设备状态监测与评估诊断关键技术；陈晓东（1976—），男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统及自动化；蔡杰（1986—），男，硕士，工程师，研究方向：电力系统及自动化。
信息技术
搭建、设备状态自动判别、防误联锁智能校核、操作步骤一键启动、操作过程自动顺序执行的变电站设备操作模式［3-5］。依据《电力监控系统安全防护总体方案》（国能安全〔2015〕36号）中的电力监控系统安全防护总体方案规定，本系统采用隔离装置实现与I区的数据传输，保证数据可靠传输。老旧站改造时，新增或升级监控主机具备一键顺控功能，新增或升级智能防误主机具备一键顺控校验功能，新增或升级远动网关机为主站侧远方一键顺控做预留，新增智能判据系统，利用视频图像分析结果形成辅助判据，并以硬接点开入形式接入综合测控装置［6-7］。一键顺控系统结构如图1所示。 刀闸状态视频智能识别系统
视频主机
智能分析主机
站控层交换机
接入交换机
间隔层
摄像机NVR
智能I/O单元
无源节点
视频确认请求
正向隔离
IV区I区
数据通信网关机
监控主机智能防误主机
防误双校验
第
二
判加工pcb板
据
综合测控
站控层交换机
隔离
开关
图1一键顺控系统结构
新增的智能判据系统部署在Ⅳ区，开关设备预操作时，一键顺控主机通过正向隔离装置下发视频联动信号。监控主机内置的防误校验与智能防误主机形成防误双校验。一键顺控功能架构如图2所示。
萃取装置图2一键顺控功能结构
顺控操作开始前，人们可以通过判据系统的视频图像对所有待操作设备进行操作前的状态确认；顺控操作开始后，每一步操作结果由监控系统将变位信号通知到智能判据系统，判据系统综合图像分析结果和传感器电机电流曲线分析结果，给出“遥视+遥测”的综合辅助判据，再回传至监控系统，结合原有测控装置遥信判据，形成开关、刀闸位置双确认，以便自动执行下一步操作。
顺控操作过程中，当判据条件不满足时，系统会自动终止顺控操作流程；当前端设备操作异常时，支持人工手动终止顺控操作流程。另外，智能判据系统还可以对原有变电站视频辅助监控系统的摄像机（满足生产用视频监视要求）进行利旧［8-9］。
2基于机器视觉的隔离开关位置监测系统设计2.1基于机器视觉的顺控流程设计
基于隔离开关机器视觉的一键顺控操作流程如图3、图4所示。
顺控操作开始
选取操作间隔
调取顺控操作票
确认设备操作前状态
刀闸位置遥信
确认满足条件
刀闸视频状态
确认满足条件
模拟预演、防误校验
模拟预演通过
准备工作结束终止顺控操作
是
否
否
否
图3一键顺控操作流程（准备阶段）
图4一键顺控操作流程（执行阶段）
2.2视频分析设计
断路器翻字牌、开关刀闸等一次设备状态可通过视频识别算法进行自动识别，并将识别结果通过隔离装置发送给调度主站，实现数据交互，完成视频确认功能。
组合电器式隔离开关分析的对象为翻字牌，人们可以通过摄像头获得操作机构翻字牌的图像，由于翻字牌一般很小，所以抓拍图片时要确保能完整清晰地看到翻字牌信息，上下左右偏角要小于30°。如图5所示，首先放大图像，然后对包含翻字牌的信息进行截图，分析只包
含翻字牌的最小区域，再分析翻字牌图像，最后根据翻字牌是绿底白面的“分”字还是红底白面的“合”字进行分析，如为前者则判断状态为“分”，如为后者则判断状态为“合”，若是中间状态则判断状态为“异常”，若未分析识别则结果为“未识别”，结果保存图片和返回值到
指令。
场景抓图
分析图片
指定区域内容
分析背景颜
和汉字形态
分析结果
分析内容
分析区域
指令抓拍
分 合
图5翻字牌识别过程
刀闸视频分析方法根据刀闸臂两边的绝缘子来框
定分析区域，进而获得刀闸臂的状态。若两个绝缘子
间的刀闸臂组成一条直线，则判断刀闸现在的状态为
连通，即为“合”；若绝缘子间没有刀闸臂组成的直线，
则判断刀闸状态为断开，即为“分”；若是中间状态，则
判断状态为“异常”；若未分析识别，则结果为“未识
别”，结果保存图片和返回值到指令。在分析过程中，
人们可以运用运动目标姿态测量技术，有效提高刀闸
臂开合角度测量的准确度。隔离开关分析过程如图6
所示。
场景抓图框定绝缘子
位置
分析刀闸臂连
接状态
分析结果
刀闸状态（分、合）
保存分析图片
返加值到指令
分析区域QDFILM
指令抓拍
待分析(分)状态
待分析(合)状态
图6隔离开关分析过程
2.3信号交互方式
氧气推车图像识别、普通视频作为刀闸分合辅助判据，不需要
火力发电厂土建结构设计技术规定
对运行设备进行停电处理，减少人员现场再次确认，可实
现静态、动态实时远程监视，提高设备的远程监管水平。
调度主机与顺控视频监控系统间的数据交互方式采用通
信协议实现，具体流程如图7所示。
2.4判别逻辑设计
隔离开关位置遥信作为主要判据，采用分/合双位置
辅助接点，视频图像遥视判据作为辅助判据，隔离开关的
状态确认判断逻辑如图8、图9所示。
3工程应用设计
以辽宁省某110kV变电站隔离开关双确认改造为
例，该站开关设备采用封闭式组合电器（GIS），视频双确
认工程实施范围主要涉及隔离开关的摄像头立杆安装，
交换机、顺控视频主机及工作站的安装。
顺控主机
视频确认单元
调取一次设备的关联
视频，启动算法分析
视频截图进行一次设
备状态分析
号和视频分析结果0/1
遥信硬接点：视
频分析结果0/1
DISA：内容有一次设
备的编号和操作内容
图7顺控主机与顺控视频系统间的数据交互流程
隔离开关位置遥信判断为
由合到分
隔离开关监控视频图像识别刀
闸断口或分合指示为分
&隔离开关确认分位
图8隔离开关分位确认逻辑
隔离开关位置遥信判断为
由分到合
隔离开关监控视频图像识别刀
闸断口或分合指示为闭合
&隔离开关确认合位
图9隔离开关合位确认逻辑
3.1布点原则
摄像机部署的点位选择需要考虑摄像机布置的位
置、高度，确保摄像机能完整地监视隔离开关的翻字牌
等目标点，背景要求单一，不出现其他易干扰的物体，摄
像机与翻字牌上下偏角不能小于30°，便于实现视频分析
功能。
另外，摄像机在对翻字牌进行抓图时对对象的环境
特别是光线有特别的要求，在进行抓拍时，若光线不足，
则需要补光。具体要求如下：布点尽量选择背光位置，云
台摄像机点位尽量通过不同预置位兼顾到2个以上隔离
开关，形成隔离开关的监控点位互备；AIS隔离开关A、B、
C三相监控画面要求，分合闸操作过程中，视频完整监控
到隔离开关导电臂全景，监控画面中隔离开关倾斜角度
控制在30°～45°；翻字牌占摄像机画面的比例应尽量大，画面应清晰，能看清分/合字体。
该110kV 变电站隔离开关双确认改造工程实施时采用固定机或微型摄像机对GIS 隔离开关分合指示进行一对一监控，即可辅助人工远方确认设备位置状态，还可基于深度学习视频分析算法，自动判断隔离开关分合指示位置，将其作为一键顺控辅助判据之一。现场摄像机安装示意图如图10
所示。
（a ）
实物图一
（b ）实物图二
图10GIS 场地摄像机安装示意图
3.2
立杆原则
立杆时，要尽量与一次设备保持安全带电距离，同时不能妨碍主通道的通行。杆塔要求采用热镀锌材质，直径≥40mm ，高＜3000mm ，壁厚≥2mm ，螺丝螺母均采用不锈钢材质。
3.3
电源设计
顺控视频系统采用集中供电，从变电站的交流站用电屏引接两路不同站用变的电源，每路电源均应满足整套系统供电容量的要求，两路电源应具备自动切换功能、
互为备用，为顺控视频系统的各设备和装置提供可靠的工作电源。AC220V 电源接入集中供电模块后，输出AC24V@5A ，为摄像机提供可靠电源。顺控视频站端主
机电源应引接变电站不间断电源（UPS ）电源。
4
系统特点分析
本文设计的基于机器视觉的隔离开关分合闸位置判别系统采用图像判据，为顺控操作开始前的待操作设备状态确认提供依据，顺控操作开始后，通过基于深度学习神经网络分析算法对设备动作后的状态进行识别，满足远方一键顺控或站控层一键顺控的双确认要求。另外，智能判据系统可以在1区或3区灵活部署，通过串口与监控系统通信，通信效率高，判据回传延迟小。智能判据系统还可以对原有变电站辅助视频监控系统的摄像机（满足生产用视频监视要求）进行利旧，改造性价比高。
5
结语
为满足国家电网公司第三代智能变电站技术发展需求，支撑一键顺控操作的实施，本文从工程应用角度出
发，设计了一套基于机器视觉的隔离开关分合闸位置判别系统，实现隔离开关状态的精确判别与智能分析，保障变电站隔离开关状态转换的安全开展。
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羊毛纸
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