变电站电力系统中仪表读数自动化新方法的分析和应用

陈 皓,陈炯聪,胡亚平,高 雅,曾宪立

（1.广东电网公司电力科学研究院，广东省智能电网新技术企业重点实验室，510080；2.广东电网公司电力科学研究院，510080）

0 引言

在电力系统的变电站中，仪表被普遍使用且在保证系统安全运行中发挥重要作用，其中不乏有数量颇多的指针式仪表，而指针式仪表读数的远程采集一直未能有较为全面的办法。视频识别技术在工业生产、交通管理等领域有着非常广泛的应用，利用视频对指针式仪表进行自动读数在电力系统中也自然成为一种重要的应用方向。

现有的技术主要有一种基于物体轮廓的仪表监测方法、一种基于刻度查询表的指针式仪表读数方法等。前一种方法的基本方案是总控制端计算机基于存有物体轮廓的圆/椭圆/矩形搜索、检测算法的远程表检测/读取模块，通过无线局域网控制变电站中的巡检机器人，按照预先设定的巡检路线，在设定的搜索空间范围内通过搜索子程序锁定仪表的空间位置，然后利用可见光摄像头获取仪表几何图像，通过无线局域网发回总控制端进行数据处理以达到远程监控的目的。该方法需要精确地控制巡检机器人的准确定位，以保证图像采集的准确性，对表盘的寻找不具有鲁棒性。后一种方法通过建立不同仪表的刻度查询表，形成数据库；采集仪表图像，输入仪表图像并对其进行预处理，以提取仪表表盘的有效识别区域；从仪表表盘有效识别区域中，利用指针和刻度线笔划特征，提取仪表的指针和刻度线；根据提取的指针和刻度线，将提取的刻度线与刻度查询表数据库中对应的刻度查询表进行匹配，进行读数自动识别。该方法相对于前一种方法有一定的改进，但这种方法只能适应于固定监控点，对表盘的寻找不具有鲁棒性，尤其是要建立繁琐的数据库，前期工作量非常大。

针对现有方法存在的不足之处，本论文提供了一种适应能力更好的指针式仪表的读数方法。相比现有的方法，本文的自动读数方法有了明显的改进：（1）该方法只需粗略标定表盘区域，就能快速准确的检测多个指针目标，无需任何预估计处理（如指针表盘的颜色，位置等），准确率高。（2）按照给定的标定方法，可以形成通用的表盘刻度检测，无需建立仪表刻度数据库。（3）对环境变化不敏感、鲁棒性更好。（4）内部参数设置较少，通用性更强。本文提出的技术将主要应用于广东电网公司管辖的变电站，目前在这些变电站中对仪器仪表（特指普通指针式仪表）的读数仍采用人工目测的方法。由于受每个读表人员读数方法及工作质量的不同，对于读数的结果均会有一定的影响，很难保证读数的精确度。在变电站推广应用自动读数技术以后，能进一步提高变电站在无人值守改造以后的自动化程度和运行安全性，继而为打造坚强智能电网发挥实效。

1 本文改进的指针式仪表读数方法

针对现有方法在指针式仪表读数上的不足，本文提出了一种新的读数方法，并将该方法成功应用于圆形表盘和方形表盘的读数中，具体方法如下所述。

1.1 标定有效的表盘区域

（1-1）圆形表盘标注出起始刻度点，终止刻度点，校正点位置，并输入起始位置值numb、终止位置刻度值nume、校正点的刻度值adjust，记录以上所有标定和输入的数据。

（1-2）校正圆心的位置，并记录下来，如图1所示。

如图1所示，计算起始刻度点和终止刻度点的中垂线，然后通过校正点的位置和刻度值，在中垂线上与有效的表盘区域上计算圆心的位置。

1.2 读取表盘读数

（2-1）在有效的表盘区域内检测所有的线段,如图2所示。

图2所示为线段检测算法的实现框图，具体操作步骤如下：

（a）对表盘区域进行高斯平滑，得到平滑图像。

（b）按以下公式计算平滑图像的梯度和边缘线角度。

（c）建立搜索列表，将每个点的梯度幅值按从大到小的顺序将此点的位置坐标投放到对应的BIN中。

图2 线段检测算法

其中q(2)是像素量化精度，τ(22.5)表示边缘相似角度精度

（e）按搜索列表中的像素开始搜索，搜索规则：在BIN中从最大的梯度值开始，且标志为未使用。

第一步：将像素P置为种子像素，区域生长，生长规则有：具有相似的边缘线角度，即边缘角度在[Pma-τ,Pma+τ]；k(8)邻域生长；设置生长成功的像素为已使用。

第二步：按以下公式计算生长成的矩形区域的中心和主方向矩形中心：

其中j在矩形区域内变化。

矩形的主方向：构建特征矩阵

计算其特征向量作为其矩形的主方向。

第三步：计算矩形块边缘角度的密度，如果密度大于阈值D(0.7)，则修剪矩形区域，重复计算边缘角度密度。

密度计算公式：

其中k表示矩形区域内边缘角度与矩形区域主方向相等的个数，area(rect)表示矩形区域的面积。

第四步：计算矩形块中边缘角度的误报率作为验证公式

其中

第五步：如果误报率大于阈值e(1)，则修剪矩形区域，否则，将该矩形线段加入输出队列。

（2-2）设置规则参数，对检测后的线段进行规则化挑选，过滤出仪表指针线段。

（a）圆形表盘指针过滤规则

规则一：指针线段斜率角保持在两端点与圆心的斜率角之间

kp∈[kbegin-epsc，kend + epsc]，epsc(5° )

规则二：指针线段的长度必须大于半径r的ratios(0.3)，即：

（b）方形表盘指针过滤规则

指针线段斜率角度保持在竖直方向上kp∈[90-epsr，90 + epsr]，epsr(5° )

（2-3）判断表盘类型并采用相应的算法对仪表进行处理。

（a）圆形表盘

先对规则化后的指针线段做合并处理。对于任意两条直线，当斜率角度kp1-kp2 ∈[-eps,+eps]，则两条直线合并，Eps为8°；然后通过角度判别法读取指针所对应的读数。假设起始刻度位置与圆心形成线段的斜率角度θb，终止刻度位置与圆心形成线段的斜率角度θe，指针线段的角度θp，通过以下公式计算出指针所指向的刻度。

（b）方形表盘

先对规则化的指针线段做投影处理，寻找表盘刻度区域。将指针线段投影到y轴方向上，寻找投影数组上的最大值，并上下扩散寻找表盘区域的边界；然后通过表盘区域寻找到指针区域。通过表盘区域边界参数，向下平移找到仪表的指针区域；接着对指针区域做二值化处理，通过投影法找到指针的位置，对指针区域使用otsu算法对其二值化，然后投影到x轴上，通过极值法寻找x方向上指针的位置。最后通过距离判别法读取指针所对应的读数。假设起始位置xbegin，刻度值numb，终止位置xend，刻度值nume，指针位置xcur，通过以下公式计算出指针所指向的刻度。

2 实验结果及分析

本系统在matlab平台下仿真实现，同时在simulink下建立模型进行深入研究。针对晴天和阴天两种环境下，分别对量程为0.2MP的圆形压力表和量程为2kA的方形开关柜仪表抽取六个样本做实验，并将本文方法与基于物体轮廓的方法和基于刻度查询表的方法进行比较，实验结果如下：

第一种情况：晴天

表1 圆形压力表测试数据对比

表2 方形开关柜仪表测试数据对比

第二种情况：阴天

表3 圆形压力表测试数据对比

表4 方形开关柜仪表测试数据对比

以上实验数据表明本文的方法具有比基于轮廓的方法和基于刻度的方法更好的性能。表1和表3是不同环境下圆形表盘数据的测试结果，从表中不难发现，本文方法的平均偏差：晴天为0.1667KPa，阴天为0.2333KPa，明显地小于其它两种方法在相同环境下的平均偏差。表2和表4是方形表盘数据的测试结果，同样，相同环境下本文方法的平均偏差也要明显地小于其它两种方法的平均偏差。综上，不管是圆形表盘还是方形表盘，本文的方法都要优于其它两种方法，除此之外，算法在晴天测试的结果优于阴天测试的结果，从表中观察到三种方法在阴天的平均偏差都有增大的趋势，然而，相比而言，本文的方法具有最小的偏差，进一步说明本文方法具有更高的精确性和更好的鲁棒性。

3 结语

本文设计了一种新的指针式仪表识别读数方法，相比于现存的方法，该方法能够自动适应各种表盘的物理轮廓并采用相应的算法，对指针的当前位置进行识别并计算相应的读数，而无需预先建立仪表刻度数据库，通用性强，适合于实际应用场合。

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