一种低压配电柜工作指示灯监控装置

2022-05-06 13:32吴淑桦叶成彬郑雯
电子设计工程 2022年8期
关键词:配电柜指示灯摄像头

吴淑桦,叶成彬,郑雯

(华南理工大学广州学院电气工程学院,广东广州 510800)

低压配电柜适用于三相交流额定电压为380 V/50 Hz 的配电系统,用于接收和分配电能,并对电能进行控制、保护及检测。作为企业、学校等用户电力网络的重要设备,主要用于并入和切除下级用电设施,具有控制和故障保护双重功能。低压配电柜作为各种用电设施都必不可少的配电设备,其稳定运行对用户用电有着不可忽略的重要意义[1-2]。

由于配电柜数量、种类较多,存在新老替换、智能与非智能并存等情况,即使维护人员定期巡查配电柜的运行状况,也无法达到实时监控的目的。目前,大部分低压配电柜的保护措施和机制针对的是柜内主要元器件,因配电柜长期工作在热量集中的密闭空间中[3],元器件老化速度较快,长时间不更换元器件、不疏通散热系统等,将导致低压配电柜出现一系列影响整体安全的问题,例如出现错误动作、有情况无动作、不报警或误报警,这样的缺陷将威胁配网系统的整体安全性,甚至引起火灾[4]。如何在发生故障的前提下,做到第一时间预警,从而避免故障扩大而造成灾难性的后果,为该监控装置的研究目的。

1 系统总体设计方案

低压配电柜工作指示灯监控装置系统主要由STC15W 系列单片机、OpenMV 摄像头模块、42 步进电机控制的行走和升降轨道、NRF24L01 无线通信模块、GSM 移动通信模块等组成,系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

监控装置运行中主控芯片按用户设置时间间隔驱动步进电机,使行走轨道和升降轨道联动运行,将其送至设定的配电柜工作指示灯位置,OpenMV 摄像头模块对相关指示灯进行拍摄并判断该指示灯亮/灭状态,将判断结果送至主控芯片,主控芯片收集完一次轮巡结果后,对结果进行分析并形成相关报告或预警信息,最后以数据包的形式通过NRF24L01无线通信模块和GSM 移动通信模块发送至终端。

2 监控装置硬件系统设计

2.1 监控装置行走轨道和升降轨道设计

监控装置行走和升降同步皮带轨道由42 步进电机、联轴器、同步皮带、同步带轮、固定座和底座组成。升降同步皮带轨道制动端如图2 所示。

图2 升降同步皮带轨道制动端

监控装置行走轨道通过配电柜天花板下拉拉杆固定,升降轨道底座上端固定在行走轨道滑块上,整体呈T 型,分别控制行走和升降轨道步进电机即可实现X、Y两轴联动,从而实现监控装置到达识别配电柜工作指示灯工作状态的最佳位置[5]。监控装置行走轨道与升降轨道组合如图3 所示。

图3 监控装置行走轨道与升降轨道组合

2.2 监控装置行走轨道和升降轨道步进电机控制设计

选用两相四线、额定电流(相)为1.7 A、基本步距角为1.8°、电阻(相)为1.8 Ω±10%、工作电压为12~24 V 的42 步进电机作为监控装置行走轨道和升降轨道控制电机。选用具有自动识别电机电感和电阻参数、2~256 任意细分、工业级14 位SSI 接口编码器功能的DPS1040 电机控制模块作为轨道42 步进电机驱动板。电机控制模块与42 步进电机组装效果如图4 所示。

图4 电机控制模块与42步进电机组装效果

电机控制模块电源电压为+12 V,ENA、PUL、DIR 引脚分别为使能信号端、脉冲信号端、方向信号端,其中使能信号有效延迟时间为50 μs,脉冲最高频率为10 MHz,方向信号有效延迟时间为1 μs。TXD、RXD 为上位机与模块配置端口,A+、A-、B+、B-分别为42 步进电机AB 相接线端。

使用STC15W 系列单片机的高精度PWM3(P21)端口连接电机控制模块的脉冲信号端,普通I/O 口连接电机控制模块的使能信号端和方向信号端。单片机、电机控制模块以及42步进电机接线图如图5所示。

图5 单片机、电机控制模块以及42步进电机接线图

2.3 OpenMV摄像头模块颜色识别功能设计

OpenMV 摄像头模块具有颜色识别、人脸检测、目标追踪、二维码识别等功能,而选用颜色识别功能实现对配电柜工作指示灯亮/灭状态进行识别判断。通过使用OpenMV IDE 分别设置OpenMV 摄像头模块需识别的红色、黄色和绿色3 种工作指示灯点亮状态的阈值,以便OpenMV 摄像头模块能够根据用户设定颜色进行识别,并向监控装置主控芯片返回识别结果[6]。OpenMV 摄像头模块实物如图6 所示。

图6 OpenMV摄像头模块实物

3 监控装置软件系统设计

低压配电柜工作指示灯监控装置软件系统是一个多功能融合的综合性系统,具备如下功能:1)根据用户设定的时间间隔驱动行走轨道和升降轨道步进电机动作,使得监控装置能够到达所有需要监控的配电柜工作指示灯识别位置;2)通过OpenMV IDE软件对OpenMV 摄像头模块设置所需识别指示灯颜色阈值及识别结果的反馈形式;3)能够将单程巡检的配电柜工作指示灯状态结果数据按特定格式打包并分别通过NRF24L01[7-8]无线通信模块和GSM 移动通信模块发送至指定用户终端;4)用户可通过终端向监控装置主机发送指定格式的文本命令,设置监控装置单程巡检时间间隔或更改接收预警信息的终端[9-11]。

3.1 监控装置行走轨道和升降轨道控制策略

监控装置行走轨道和升降轨道具体控制策略如下:

1)在行走轨道的两端和单个配电柜所有工作指示灯的中心位置分别设置红外对管传感器模块。当该模块的红外光线被行走的滑块阻挡时,则表示滑块已到达某个预设位置。

2)首次使用监控装置或变动配电柜位置时,用户需根据配电柜实际位置调整预设在行走轨道上的红外对管传感器模块的位置。

3)在监控装置识别过程中,以行走轨道的其中一端为起点,分别到达各个配电柜工作指示灯识别位置,最后以到达行走轨道另一端为终点,将此过程作为一次完整的巡检过程。

4)巡检过程中,监控装置主机向从机发送行走轨道和升降轨道联动命令,以快速到达各个配电柜工作指示灯识别位置。行走过程以行走轨道上的滑台到达在行走轨道上设置的红外对管传感器模块的位置为准。升降过程以监控装置主机上的OpenMV摄像头模块的摄像头到达对应的配电柜所有工作指示灯中心的位置为准。

3.2 监控装置行走轨道和升降轨道步进电机软件设计

在输出频率为2 kHz 的STC15W 系列单片机、占空比可调的高精度PWM 信号传送到42 步进电机控制模块的脉冲信号端,以及单片机普通I/O 口对其使能端和方向信号端输出相应信号共同作用下,实现行走轨道和升降轨道的42 步进电机进行不同方向和不同速度的转动。STC15W 系列单片机的PWM 初始化程序代码如下:

3.3 OpenMV摄像头模块颜色识别思路

OpenMV 摄像头模块具有颜色识别、人脸检测、目标追踪等功能,而选用颜色识别功能实现对配电柜工作指示灯亮/灭状态的识别判断。颜色识别就是对摄像头获取到的图像进行处理和分析,利用阈值对图像进行二值化,识别彩色图像,使用国际照明委员会(CIE)制定的Lab 颜色模型在OpenMV IDE 软件上得到颜色阈值(L_min,L_max,a_min,a_max,b_min,b_max),其中L 表示亮度,a 为正数代表红色,a 为负数代表绿色,b 为正数代表黄色,b 为负数代表蓝色,然后在阈值编辑器上调整Lab 参数,使得需要识别的颜色能够更加凸显出来,从而确定最佳的目标颜色Lab 阈值。不同的颜色有不同的颜色阈值,OpenMV 摄像头模块根据用户设定的颜色阈值对图像进行转换和分析,通过对图像转换得到的像素点与用户设定的阈值进行分析和计算,从而判断是否为设定颜色。

OpenMV 摄像头颜色识别思路如下:

1)在调试现场需根据OpenMV 摄像头模块中的摄像头与配电柜所有工作指示灯中心位置的距离,适当手动调整摄像头焦距,以保证配电柜所有工作指示灯能够同时被摄像头捕获。

2)根据不同的环境采用自动补光的形式,同时OpenMV 摄像头模块分别对红色、黄色和绿色配电柜工作指示灯点亮状态进行图像采集,通过消除锐化过滤器对图像进行锐化消除,再经过二值化算法分割图像,最终得到相应的颜色阈值[12-14]。

3)OpenMV 摄像头模块以用户设置的工作指示灯点亮状态为红色、黄色和绿色时的颜色阈值对每个配电柜工作指示灯状态进行对比识别,并将识别结果以串口通信方式发送给监控装置主控芯片。

3.4 2.4G无线通信和GSM移动通信方式

配电柜工作指示灯监控装置在巡检过程中将相应的配电柜号及其工作指示灯状态数据存入数据组中,待单程巡检完成后,则将数据以特定的两种格式进行打包,分别通过2.4G 无线通信模块和GSM 移动通信模块发送至指定终端。

1)2.4G 无线通信数据包格式如下:

起始符1 0X2A(固定)

起始符2 0X2B(固定)

帧长度 帧长度=数据个数+终止符(+2)

数据1 配电柜号

数据2 红灯状态0X01(亮)/0X00(灭)

数据3 黄灯状态0X01(亮)/0X00(灭)

数据4 绿灯状态0X01(亮)/0X00(灭)

……

终止符1 0X3C(固定)

终止符2 0X3D(固定)

2)GSM 移动通信模块以文本形式进行通信,其数据包格式如下:

XXX(某某)配电房

1#配电柜红灯亮黄灯灭绿灯亮

……

3)更改接收GSM 移动通信模块数据终端命令的格式如下:

ZDGG#手机号码#

4 实验和分析

4.1 监控装置行走轨道和升降轨道联动实验与结果分析

经多次实验表明,通过在行走轨道两端和配电柜所有工作指示灯中心位置设置红外对管传感器模块,使得行走位置比较准确,升降轨道在接收到主机获得的OpenMV 摄像头模块回馈的位置数据后发出的指令下进行升/降,使得OpenMV 摄像头模块的摄像头较为准确地到达目标配电柜所有工作指示灯的中心位置。监控装置识别目标点位置示意图如图7 所示。

图7 监控装置识别目标点位置示意图

4.2 OpenMV摄像头模块颜色识别实验与结果分析

以某高校实验室环境为例,在室内打开照明灯时,OpenMV 摄像头模块对配电柜红色、黄色、绿色3 种颜色工作指示灯熄灭和点亮状态在不同光线影响下进行颜色识别以及颜色阈值调整。在点亮照明灯的情况下,OpenMV 摄像头模块得到的配电柜红色、黄色和绿色3 种颜色工作指示灯点亮状态和熄灭状态的颜色阈值范围如表1 所示。

表1 点亮照明灯时配电柜3种颜色指示灯点亮状态和熄灭状态的颜色阈值范围

同样按上述测试要求,在熄灭照明灯的情况下,OpenMV 摄像头模块得到的配电柜红色、黄色和绿色3 种颜色工作指示灯点亮状态和熄灭状态的颜色阈值范围如表2 所示。

表2 熄灭照明灯时配电柜3种颜色指示灯点亮状态和熄灭状态的颜色阈值范围

通过加入光线传感器感知环境光线强度,从而判断室内照明灯工作状态,调用对应的颜色阈值对相应的配电柜工作指示灯工作状态进行识别[15-16]。

4.3 配电柜工作指示灯监控装置实验与结果分析

将搭载OpenMV 摄像头模块的配电柜工作指示灯监控装置安装在配电房预设轨道上进行行走和升降,其快速到达指定位置并进行配电柜工作指示灯状态识别,单程巡检后立即将巡检的配电柜工作指示灯状态结果数据按特定格式进行打包并发送至指定终端。配电柜工作指示灯监控装置实验结果分析如下:

1)操作方面:配电柜工作指示灯监控装置操作难度适中,其行走轨道、红外传感器模块和升降轨道均已事先安装调试完成,操作人员只需确保监控装置在行走和升降范围内无障碍物的情况下能安全运行,重点培训操作人员应急处理、故障分析和数据处理能力即可。

2)兼容方面:OpenMV 摄像头模块受环境光线影响较大,为能准确识别配电柜工作指示灯状态的变化,需通过现场调试来获取配电房工作指示灯最佳颜色阈值,并通过OpenMV IDE 软件向OpenMV 摄像头模块写入最新颜色阈值。

3)远程方面:配电柜工作指示灯监控装置支持用户通过手机短信的方式发送特定的命令,来更改监控装置单程巡检时间间隔以及监控结果数据将被发送的目标终端。

5 结论

随着社会的发展,用户对供电可靠性的需求不断提高,配电柜工作状态智能化监控水平逐渐需要得到提高。搭载着OpenMV 摄像头模块的配电柜工作指示灯监控装置具有功能模块相互独立、配件可替代性强、易于操作等优点,为配电房在线监控智能化技术的发展提供了参考。

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