一种智能联动型高压隔离开关触头状态监测系统

蔡 杰，陈富国,2，陈 亮，张浩哲

(1.平高集团有限公司，河南平顶山 467001；2.西安交通大学电气工程学院，陕西西安 712000 )

0 引言

变电站是电力系统中对电压和电流进行变换，接收及分配电能的场所，是电力系统的核心节点[1]。GIS(气体绝缘金属封闭开关，gas insulated metal enclosed switchgear)是变电站的重要高压设备，采用全封闭结构，具有占地小、安装方便、可靠性能高、开断性能好等优点，但设备容错率低，故障点不易定位。在变电站实际运行中，由于GIS隔离开关触头合闸不到位而引起的绝缘击穿事故时有发生。因此，电力用户希望在倒闸操作时，能观测并记录隔离开关触头的运动过程，一方面作为分合是否到位的辅助判别手段，另一方面，可以在GIS发生内部故障时，迅速定位故障点[2-3]。

目前，大部分GIS设备在隔离开关触头位置留有人工观察孔，但有些观察孔处于高位，不便于人工巡视。整个变电站观察孔数量多，人工检查方法耗时耗力，极不方便。为解决上述问题，亟需研制一种监测系统，在进行倒闸操作时，代替人眼观察，并利用人工智能技术，对隔离开关分合位置状态进行分析，输出分析结果。

1 系统架构

基于机器视觉的隔离开关触头状态监测系统结构分3层：采集层、网络层、监控层。系统架构见图1。

采集层：每个GIS隔离开关观察窗口安装一个传感执行单元进行视频图像的采集。采集视频进行H.264/H.265压缩，以方便网络传输。传感执行单元配置嵌入式边缘计算模块，以完成视频图像预处理、视频图像压缩、智能分析、故障预警、网络通信等功能。同时，为了保证密闭空间内图像采集效果，每个传感执行单元配置补光装置。

图1 监测系统架构图

网络层：采集层数据采用无线自组网方式传输，末端接入自组网网关，再以有线以太网方式，接入站控层交换机。硬盘录像机从站控层网络获取数据，实现监视、录像、回放、报警、控制、密码授权等功能。为满足灵活应用的需要，同时考虑不同的电磁场景，在需要视频及联动数据传输的情况下，支持有线以太网、光纤、WiFi等方式；在不需要视频传输情况下，支持RS485、开关量等方式。

监控层：由触头状态监测主机及其应用软件组成，完成智能联动、视频数据管理、分析结果展示、预警信息管理等功能。

一个完整的工作流程是：当进行隔离开关遥控操作时(包括普通遥控和顺控遥控操作)，在Ⅰ区主辅设备监控主机向测控装置下发遥控选择指令前，应同时自动向Ⅳ区触头状态监测主机发送一次设备的遥控预置联动信号，接收到联动信息后触发视频摄像头打开拍摄，同时开启补光装置。操作完成后，向Ⅳ区触头状态监测主机发送设备变位遥信信号，收到联动信息触发摄像头和补光装置关闭，并启用智能分析。分析完成后，以协议方式输出分析结果，同时传输给Ⅰ区主辅设备监控系统和Ⅳ区触头状态监测系统。

2 关键技术及实现

2.1 传感执行单元设计

传感执行单元采用一体化设计，是集CCD图像采集处理、H.264/H.265压缩、智能分析、补光控制、数据传输于一体的嵌入式装置，其功能框图如图2所示，结构示意图如图3所示。

图2 传感执行单元功能框图

图3 传感执行单元结构示意图

视频采集采用彩色CCD图像传感器，适应低照度环境，支持1080P@60、720P@60等分辨率，可实现彩色/单色自适应。视频压缩采用H.264/H.265实时编码压缩技术，支持CBR、VBR视频编码，传输带宽需求可降至500 Kbps以下。

传感执行单元搭载智能分析模型，根据隔离开关分、合状态图像中所提取的特征，对隔离开关触头的实际位置进行智能分析。特别地，如果在隔离开关动、静触头制造阶段，通过特殊工艺对分闸到位、合闸到位的位置进行标记，就可以利用智能分析技术对分合闸是否到位做出精确判断。

通信接口主要包括板载100M/1000M Ethernet、RS485接口和硬接点I/O接口。在电磁环境相对安全且不适合布线情况下，可以采用无线自组网模块；而在电磁环境恶劣且需要传输视频数据情形下，可利用光电转换模块实现光纤通信，分析结果和故障报警则通过硬接点形式输出。

由于GIS隔离开关处于密闭壳体内，为了保证视频采集质量，需要在视频拍摄时，透过观察窗加以补光。补光系统分2部分：一是传感执行单元内置补光灯，二是独立补光装置，二者分别安装于两个不同的观察窗，在逻辑上实现联动控制。如图4所示，独立补光装置安装于观察窗活动盖板内侧，当活动盖板关合时，接近开关检测到信号，光源电源接通，补光灯打开，同时传感执行单元内置补光灯关闭；当需要人工目检时，活动盖板打开，接近开关检测不到信号，光源电源断开，补光灯关闭，同时传感执行单元内置补光灯打开。

图4 联动补光装置安装示意图

GIS本体有2个隔离开关观察窗，镶嵌直径为77 mm圆形加厚耐压屏蔽有机玻璃，摄像头拍摄光路与补光光路共用相对狭小的空间，补光光路对拍摄光路会形成很大干扰，从而影响视频拍摄质量。为尽量减少和消除补光反射，对光路结构进行特殊设计。LED透过合理布置的正交偏振片改变平行光入射角度，同时，采用导光环将点光源改变为面光源，尽可能将补光导向观察窗外沿，从而最大限度地减少有机玻璃中心部位(摄像头安装处)的反射光。

2.2 安装结构设计

为了方便在现有结构上改造，传感执行单元的安装利用GIS原有观察窗，不需改变原有设计，只需重新设计观察窗盖板，增加其深度即可。安装工装结构如图5所示，分为合页支座、传感器安装盖板2部分。

图5 传感执行单元安装结构示意图

合页支座部分包括转动合页、可拆卸螺栓，实现传感器安装盖板的开合，可拆卸螺栓能方便完成手动锁定和解锁。传感器安装盖板设置安装传感器的固定孔，用于传感执行单元的固定。传感器安装盖板采用导电屏蔽密封圈、密封胶，实现整体的密封，防护等级可达到IP67。摄像头最前部设置屏蔽玻璃。电气接口采用航空连接器，方便现场连接。

2.3 电磁抗干扰设计

传感执行单元采用多级屏蔽结构，包括组件级屏蔽(电源及滤波组件)、PCB板级(视频处理板)等，从结构设计和元件选型入手，采用多种电磁屏蔽措施。

2.3.1 电源电磁抗干扰设计

电源电磁抗干扰设计如图6所示，主要设计要点如下：

(1)电源输入套接高频磁环和防波套管，减少VFTO带来的瞬态高压脉冲尖峰杂波干扰；

(2)AC/DC模块前端接入隔离器，并设置高频滤波网络降低电源线传导干扰；

(3)主控板直流供电及信号通过串接高频磁珠，消除瞬态脉冲有可能对电路造成的损害；

(4)机壳地与信号地分离。

图6 电源抗干扰设计示意图

2.3.2 PCB电磁抗干扰设计

PCB电磁抗干扰设计要点如下：

(1)功能框图布局，电源流向明晰，避免输入、输出交叉布局；

(2)先防护、后滤波，防护通道线宽≥50 MIL；

(3)一次直流在满足安全规范需要的前提下，并行、相邻布线，在相邻层铺铜；

(4)从一次直流输入到二级DC/DC的输入侧，除对应 24 V/BGND/PGND 的平面外，所有电源、地平面挖空，接口电源对应区域无其他走线，尤其是共模线圈下方不准有任何走线、平面穿过；

(5)VCC输出滤波电路靠近DC/DC的输出布置；

(6)板内分支电源采用∏形滤波、LC滤波或DC/DC变换。

2.3.3 电磁屏蔽设计

系统从结构设计和元件选型入手，采取的主要电磁屏蔽措施包括：

(1)传感执行单元采用全封闭结构。镜头前为屏蔽玻璃，外壳为金属，封口、封盖采用导电橡胶带；

(2)金属壳可靠接地；

(3)接插件采用航空接头，电源输入采用军用级滤波组件；

(4)信号输入、输出采用光隔离、磁隔离；

(5)采用光纤通信方式。

2.4 位置状态判别算法

本系统传感执行单元配置视觉处理器，搭载智能分析模型[4-5]，能就地实现隔离开关分合闸位置判别，并以协议或硬接点方式反馈分析结果。基于图像处理的位置状态判别原理如图7所示。

图7 基于图像处理的位置状态判别原理示意图

处理过程如下：

(1)针对训练样本，进行图像预处理，包括灰度化处理、高斯滤波、低帽变换，其中：低帽变换可以检测到图像中的谷值，对补光灯下拍摄的图像有较好的处理效果，可弱化背景特征，增强隔离开关触头部分纹理信息，预处理前的图像如图8所示，预处理后的图像如图9所示。

图8 预处理前图像

图9 预处理后图像

(2)在预处理图像的基础上，采用LBP算法提取纹理特征，并应用SVM或者其他机器学习算法，得到基于LBP特征的分类模型[6]。该分类模型，可以根据训练样本的不断增加进行迭代优化。

(3)分类模型装载至硬件系统，当实时图像采集至系统后，智能分析功能启动。按照步骤(1)方式对待分析图形进行预处理，然后按照步骤(2)方式对处理后的图形提取LBP特征，最后调用分类器完成图像分类，并按照程序输出分析结果。

由于隔离开关触头的结构、观察窗的位置是固定的，加之图像背景单一(主要是封闭筒体内壁)，因此所采集的图像相对稳定。在位置状态判别时，关键是提取触头位置的纹理特征，本文采用LBP特征向量进行提取[7]。其计算如式(1)所示。

(1)

式中：(xc,yc)为中心像素坐标；pc为其灰度值；pi为其相邻像素的灰度值；S为符号函数算子。

S的表达式为

(2)

一个简单的算例如图10所示。

图10 LBP算例

LBP主要实现步骤如下：

(1)首先将检测窗口划分为16×16的小区域(cell)。

(2)对于每个cell中的1个像素，将相邻的8个像素的灰度值与其进行比较，若周围像素值大于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，3×3邻域内的8个点经比较可产生8位二进制数，即得到该窗口中心像素点的LBP值。

(3)然后计算每个cell的直方图，即每个数字(假定是十进制数LBP值)出现的频率；然后对该直方图进行归一化处理。

(4)最后将得到的每个cell的统计直方图进行连接成为一个特征向量，也就是整幅图的LBP纹理特征向量。

在完成特征向量提取以后，便可利用SVM或者其他机器学习算法进行分类[8-13]。

本文采用 LBP功能之间的误差平方和(归一化处理)来测量待识别图像与目标模型之间的相似性，误差平方和越小表示与目标模型的相似度越高。选用前文处理后的图形，利用Matlab仿真，结果如图11所示。直纹柱状图表示待分析图像与分闸图像的拟合，斜纹柱状图是待分析图像与合闸图像的拟合。对比发现：待分析图像与合闸图像的总体误差平方和更低，说明待分析图像的特征向量与合闸的特征向量更相似，可据此判断待分析图像为合闸状态。这个仿真结果与实际结果是完全一致的，基于LBP纹理特征进行分合状态判别是完全可行的。

2.5 通信方式设计

依据现场实际情况，可灵活选用有线或无线方式。对于改造站，为避免现场电缆敷设带来的施工困难问题，优先选用无线自组网通信方式。自组织数据链设备连接现场传感执行单元，使其接入无线自组网并具备网络路由功能，在网络中承担数据采集、中继和网关的任务。特别地，在光纤网络和电力专网无法直接覆盖的盲区布置自组织数据链设备，可将采集的数据直接传输至无线自组网网关。如果距离较远，自组织数据链设备节点可先将数据传输到无线自组网中继节点，再跳传到无线自组网网关，从而实现网络盲区的数据传输。

采用自组网中的网状传输方案，每个传感执行单元配置自组网传输设备，各单元之间通过自组网传输设备进行通信以及数据的传输，各单元采集的信息(包括监控视频、预警报警信息等)通过相邻单元的自组网传输设备，将数据信息逐点回传到自组网网关，最后接入监控中心[14]。采用无线自组网技术，具有以下特点：

(1)高带宽：最高带宽1 750 Mbps，轻松实现300路1080P高清视频和音频并发传输。

(2)自组网，无基站，不需要主节点，无需任何流量费。

(3)强加密：集成2 048 bit随机加密芯片，通过国密、军密双重认证，信息安全。

(4)部署方便：无需布线，有效解决施工难、布线难的问题，避免光纤插头长期运行因振动造成的接触不良、通讯中断的问题。

(5)支持系统拓展：未来扩展接入方便，增加或删除节点时，不影响其他节点的接入，可随意选择任何一个节点接入到自组网网关。

2.6 管理系统软件设计

软件系统主要流程如图12所示。管理系统部署于安全Ⅳ区触头状态监测主机，功能上实现智能联动、状态监视、告警管理、历史记录查看、设备管理、用户管理等功能[15-17]。

图12 软件系统主要流程图

3 工程应用及效果

该系统已在1 000 kV GIS产品上应用，GIS隔离开关外形如图13所示。在隔离开关筒体外部，触头高度位置有2个观察窗，分别安装补光装置、传感执行单元，安装实物如图14所示。在隔离开关操作过程中，能自动开启本系统，对操作过程全程实时监测；当分合结束后，系统启动智能分析，并反馈判别结果，如图15所示。

图13 1 000 kV GIS隔离开关外形图

图15 触头分合位置监测结果

4 结论

本文针对变电站GIS隔离开关触头位置监测难度大，人工检查效率低的问题，设计了智能联动型触头状态监测系统，该系统利用传感执行单元进行视频图像的采集，搭载智能分析模型，对隔离开关状态进行自动分析判别。无线自组网的技术的应用和多级屏蔽措施，保证了系统在强电磁干扰环境中施工便捷，工作稳定。系统在1 000 kV GIS产品上成功应用。该系统以直观的视频实时展示的方式，实现隔离开关运动过程全监视；以智能的方式，利用AI智能识别算法准确反馈分合状态，可作为“第二判据”，支持一键顺控高级应用；以全面的方式记录隔离开关运行履历，方便故障定位和过程溯源。综上所述，该系统能显著地提高GIS智能运维水平，具有较大的应用价值。