基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统设计

谢洪峰，毛俊强，罗冬明

（1.国网浙江省电力有限公司江山市供电公司，浙江衢州 324000；2.衢州光明电力工程有限公司，浙江衢州 324000；3.杭州志迅科技有限公司，浙江 杭州 310010）

在电力系统与信息技术不断发展的背景下，电网的安全稳定运行离不开电网线路的及时检修，电网线路的检修流程包含很多线路检修信息，一旦发生线路故障，电网系统在运行过程中会发生中断，系统中的各类设备（例如检修设备、变压器、故障诊断设备等）将产生不同程度的损坏，给电网系统带来安全隐患，因此，要实时对电网线路进行检修，如果出现安全隐患，及时预警，降低由于线路故障而造成的损失。电网线路预警系统可以在线路出现故障的第一时间进行自动预警，使线路维修人员及时发现线路故障，并及时维修，保证电网系统的安全稳定运行[1-2]。

文献[3]开发了一种基于行波技术的电力线路绝缘故障预警系统，分析了绝缘子的劣化过程和污闪机理，查找线路问题点，对局部放电的绝缘子定位精度高；文献[4]为切实推行发电设备状态检修方式，应用了利用相似性原理的建模技术，阐述故障预警系统在线路状态检修中的有效应用。

为了解决以上问题，该文设计了基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统，以实现对故障线路的控制与预警。

1 系统硬件设计

线路检修流程自动预警系统硬件结构如图1所示。

图1 线路检修流程自动预警系统硬件结构

根据图1 可知，该文提出的硬件在原基础上加入了三个DMA，同时引入预警模块和控制模块完成信息控制。

1.1 采集电路设计

图像采集电路中使用的数字图像传感器为三星公司生产的OV7620，该传感器具有较高的分辨率与集成度，在该数字图像传感器的内部设有A/D 转换器。对电网线路进行检修时，采集大量的线路检修图像数据，因此，数字图像传感器需要采集的线路检修图像数据量较大，以此采用图像缓存技术，将320×240 图片的数据存储量由7.98 kB 扩展为9.32 kB，在输出像素点时可提升图像输出速度，大约提升40 ns[5-6]。采集电路图如图2 所示。

图2 采集电路图

观察图2 可知，采集电路图内部包含4 个SS14，同时设置4 个电阻，连接一个PWR2.5。预警系统中的控制器通过SCL 控制线对数字图像传感器进行设置，当线路检修预警系统发出预警信号时，电路中的模拟开关输出水平同步信号，并将该信号变为高电平，直至电路中输出1 个脉冲信号，当数字图像传感器的触发器输出端变为低电平时，传感器写入行像素数据并读取线路检修图像数据，当图像采集电路中出现两个脉冲信号时，表示一帧线路检修图像采集成功，读取一帧图像后，通过SDA 信号使指针复位，开始下一次的线路检修图像采集[7-8]。

1.2 单片机设计

该文设计的线路预警系统的单片机为TI 公司生产的PIC16F877 单片机，单片机结构如图3 所示。

图3 单片机结构

根据图3 可知，该单片机可在片内集成较多的外围设备，功能较为强大，该单片机芯片具有40 个通道，分辨率为8 位，其片内包含1 个数模转换器、1 个存储容量为8 kb 的数据存储器，同时，该单片机具有多个引脚与I/O 端口，其中，2 个引脚为线路检修数据输入接口，3 个引脚为线路检修数据输出接口，I/O 端口主要为线路检修数据的输入与输出提供20 A的电流，可以驱动固态继电器，并设有预警电路，预警电路采用声音预警方式，声音预警的集成芯片为TD 公司生产设计，其功耗较低、瞬时电压范围大、具有多种预警音响，当电路线路出现异常时，集成芯片的2 个管脚输出异常电路线路电阻与音频信号的频率，以达到预警目的。该款单片机结构简单，操作方便，性能较为稳定[9-11]。

将经过放大后的线路预警信号输入到单片机的输入端，在数模转换器内进行分析与转换，当单片机的输入端电压小于输出端电压时，说明线路正常，无短路或过载现象出现；当单片机输入端电压高于输出端电压时，说明线路出现异常，有故障发生时，可能出现线路短路或电流过载现象，这时，单片机通过输入端的电阻进行预警，通过输出异常电压进行预警。

1.3 控制器设计

该文预警系统的控制器采用ST 公司生产的STM32F 微控制器，控制器结构如图4 所示。

图4 STM32F微控制器结构

观察图4 可知，控制器具有16 位ARM 内核与存储容量为256 kB 的闪存存储器，控制器的芯片规格为STM32F103RBT6，其工作电压为4.8 V，工作电流为1.3 A，在控制器内部设有RS232 通信接口与外部时钟，RS232 通信接口主要用来与单片机进行异常线路数据的传输，其芯片为MAX232，可接收图像采集电路传输过来的图像数据，图像数据与异常线路数据一并存储到闪存存储器内，以便线路检修人员及时查看[12]。

当电路线路出现短路或者其他异常情况时，电路线路的瞬时电压为7.8 V，会超过控制器芯片的瞬时电压，异常线路电流将由1.3 A 迅速上升到25 A，为了对异常线路进行控制，利用32 位双向总线收发器将7.8 V 电压转换为4.8 V 电压，通过采样电阻将异常线路电流信号转换成电压信号，再将电压信号传输到控制器的输出端，利用光耦进行隔离保护，隔离保护完成后调整控制器的外部时钟频率，由原来的18 MHz 调整到36 MHz，并对其进行手动复位，完成对异常线路电压、电流的控制[13]。

2 系统软件设计

在基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统硬件设计的基础上，采用机器视觉技术对系统软件进行设计，系统软件流程如图5 所示。

图5 预警系统软件流程

假设疑似线路异常点为n个，线路总数为k，在电网系统含有噪声与干扰的环境下对k条线路进行异常判断，设判断出的异常线路点为m，对疑似线路异常点与判断出的异常线路点进行对比分析，对重叠异常线路点与非重叠异常线路点进行标注，分别进行异常定位，定位函数为：

式中，Wn表示采集到的异常线路像素点；δm表示拍摄到的异常线路点的形态信息；yn+1表示第n+1 个疑似异常线路点的误差权值；x表示电路异常点。通过该线路异常点定位公式可定位出电路中存在的异常线路[14-16]。

第二步，判断通信状态。如果电网通信系统处于正常的运行状态，则服务器显示为正常，如果电网通信系统处于中断状态，则服务器显示为中断。由于服务器会受到网络、线路等的影响，无法显示电网通信系统的状态，因此该文基于式（1）建立了电网通信系统状态显示公式：

式中，Zn表示电网系统状态的判断结果；Am表示异常线路点为m时电网系统处于运行状态；Bk+1表示在k条线路下电网系统处于中断状态。

第三步，对定位的异常线路进行预警。在电网通信系统状态处于运行的条件下，对定位的异常线路进行预警，预警公式如下：

其中，T表示预警结果；U表示采集到的预警电压，以此提示线路检修人员及时对异常线路进行维修，从而解决线路故障。

3 实验研究

记录A、B 两个变电站，设置变电站A 内部的电容为10 000 pF，变电站B 的电容为5 000 pF，在两个变电站之间安装测量装置，变电站之间的实验线路连接线长度为45 m，在传感器和其他装置之间，用线路连接，保证线路长度为15 m，实验现场装置连接图如图6 所示。

图6 现场装置连接图

图6 显示了绝缘子并联气隙电路，用于模拟绝缘子在实际环境中的工作状态，保证实验电路局部放电的真实性。绝缘子内部采用并联连接，空气间隙示意图如图7 所示。

图7 空气间隙示意图

根据图7 可知，绝缘子下端与地面连接，上端为高压端，这样的连接方式不仅能够更好地实现绝缘子的局部放电，同时能够防止绝缘子在工作过程中出现贯穿闪络。

在完成现场装置布置后，对电源电压进行调节，设置现场装置电路电压为110 kV，利用绝缘子实现局部放电。同时，使用基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统、文献[3]方法、文献[4]方法三种系统进行定位，在预警主机上观察定位结果。

变电站A 的定位结果如图8 所示。

图8 变电站A定位结果

观察图8 可知，在第0.45 s，故障位置开始出现波动，该文提出的自动预警系统能够在0.45 s 预测到故障位置，然而传统的文献[3]方法和文献[4]方法反应时间过慢，无法在0.45 s 预测到故障位置发生变化。

变电站B 的定位结果如图9 所示。

根据图9 可知，该文提出的自动预警系统始终与实际故障位置相差较小，在1.1～1.6 s，定位故障与实际故障位置基本保持一致，定位能力极强。而文献[4]方法定位误差在0～0.5 s 与实际位置相差较大，在0.6 s 之后与实际位置相差在0.5 m 左右。文献[3]方法始终与实际位置相差过大，难以满足实际运行要求。

图9 变电站B定位结果

4 结束语

该文将机器视觉技术应用于电网线路检修预警领域中，设计了基于机器视觉的线路检修流程自动预警系统，实现了电网线路数据的采集与控制，并对电网线路故障进行了预警，在线路预警领域具有较高的应用价值。