基于圖像識別的避雷器監測表計智能抄報系統設計

徐衛中，趙　鍇，謝　涌，鄭樹青，戴建軍，沈小軍

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 臺州 317200；2.同濟大學電氣工程系，上海 200092）

基于圖像識別的避雷器監測表計智能抄報系統設計

徐衛中1，趙鍇2，謝涌2，鄭樹青1，戴建軍1，沈小軍2

（1.華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 臺州 317200；2.同濟大學電氣工程系，上海 200092）

針對現有變電站內避雷器監測表計的人工抄表存在的種種弊端，研制了基于圖像識別的避雷器監測表計智能抄報系統。提出智能抄報系統總體設計方案，包括功能需求分析、系統架構設計和軟硬件開發。研究并優化針對表計圖像中數字與指針自動讀數的智能識別算法，取得良好測試效果。

氧化鋅避雷器；監測表計；圖像識別；智能抄報

1　引言

氧化鋅避雷器（MOA）是變電運行、防止雷擊事故的重要保護裝置，而避雷器自身的好壞，也涉及到變電所的運行安全。避雷器監測表是一種能夠監測避雷器泄漏電流和動作次數的儀表，是避雷器運行狀態監測采取的主要技術手段。當前，避雷器監測表采用人工現場抄報方式。運行經驗表明，人工抄報方式雖對保障避雷器的安全運行發揮了重大的作用，但隨著電網規模的不斷擴大和無人值守變電站的出現，人工抄報方式的不足日益突出：首先，現場避雷器監測表計數量隨著設備數量的增加而逐漸增多，人工抄表方式極大增加電力工作人員的工作量；其次，人工抄報中記錄的數據只是孤立的表計讀數，缺乏對照物，追溯性差，表盤讀數也可能受人員主觀因素影響而出現誤讀、漏讀、誤記等問題；再次，避雷器故障發生初期，監測表計泄漏電流變化幅度不明顯，到故障較為嚴重時，泄漏電流讀數會在較短時間內明顯增加，必須在最短時間內將性能變劣的避雷器退出運行以避免事故發生，人工抄報的巡視間隔周期相對較長，往往無法及時有效地發現避雷器故障。

本文將基于圖像識別技術開展新型避雷器監測表計智能抄報系統設計，以增加數據識別和記錄的客觀性，降低運行人員的勞動強度，提升數據巡視密度，精確掌握表計的數據變化，實現自動預警功能，提高電站運行實時監測水平，降低現場人員的勞動強度，解放勞動力。

2　智能抄報系統架構與功能描述

設計的避雷器監測表計智能抄報系統采用分布式分層結構，主要由圖像采集終端、數據通信模塊和后臺監控中心3部分組成。

（1）圖像采集終端

圖像采集終端主要負責表計圖像的采集與上傳。該終端分布式安裝在各避雷器表計上方，采用鋰電池供電，當未收到采集命令時或完成圖像采集任務后進入低功耗待機狀態。圖像采集終端獲取的圖像數據質量高低直接影響智能抄報系統的正確率和系統造價，因此，圖像傳感器的選型至關重要。本系統擬采用OV公司生產的OV7670圖像傳感器，該圖像傳感器感光陣列為640×480，達到30萬像素，完全滿足后臺監測主機對圖像進行處理與識別的要求，另外，該傳感器靈敏度高，適合在低照度環境下應用，支持LED以及氙光閃光燈，與終端采集裝置中感光元件配合，在照度不足的環境下可自動對被采集目標進行補光，保證了采集圖像數據的質量。為了減少現場布線，圖像采集終端采用無線通信方式實現采集數據的上傳。

（2）數據通信模塊

數據通信模塊主要功能是將圖像采集終端設備獲取的圖像數據整理、合并后，上傳至后臺監測中心計算機。由于圖像采集終端分布式的安裝在各個電力設備的避雷器監測表計處，因此終端之間的空間距離較大，若采用傳統有線傳輸方式則需要在現場布設大量通信線纜，既費時費力，施工過程也可能影響電力現場原有布局，造成安全隱患。ZigBee無線通信技術具有低功耗、低成本、高可靠、網絡容量大、安全保密等一系列特征，其在電力現場應用的安全性已得到認證。本智能抄報系統擬采用ZigBee無線通信方式與圖像采集終端進行數據交換，對于部分特殊場合也可將無線通信與有線通信結合起來應用，組成圖像采集終端網絡。中繼器則設置于終端設備與數據合并單元之間，起到路由功能，圖像數據經由中繼器轉發后達到數據合并單元。數據合并單元通過485現場總線與后臺監控中心通信。

（3）后臺監控中心

后臺監控中心主要負責終端采集的圖像數據的接收和處理，利用自身模型或云端模型對圖像進行對比識別，實現氧化鋅避雷器監測表計讀數的智能化抄表、統計、追溯、預警等一體化功能。

3　表計讀數圖像識別方法

現場調研及資料收集分析結果表明：當前氧化鋅避雷器監測表一般采用數碼式和指針式相結合的表盤，其中數碼式表盤主要顯示的是避雷器動作次數，指針式表盤主要顯示的是接地線電流的數值大小。因此，在對氧化鋅避雷器監測表進行圖像識別時，我們需要針對表征動作次數的數字式表盤和表征接地電流值的指針式表盤分別進行分析和處理。

3.1動作次數的識別方法

對于字符圖像的識別算法一般有模板匹配法、統計特征匹配法和神經網絡識別法3種。理論分析結果表明，避雷器動作次數的數碼式表盤，讀數由0～9十個固定的阿拉伯數字組成，對象模板需求量較小，因此，研究者采用模板匹配的識別算法實現動作次數表計的智能讀數。

模板匹配法的基本思想是，將歸一化的字符二值圖像與模板庫中的字符二值圖像逐個進行匹配，采用相似度的方法計算目標字符與每個模板字符的匹配程度，取相似最高的作為識別結果。匹配相似度函數定義為：

式中，fij（m，n）為待識別字符圖像中像素點（i，j）的灰度值，這里是二值圖像，所以取值為0或1；tij（m，n）為模板字符圖像中像素點（i，j）的灰度值，同樣，這里是二值圖像，所以取值為0或1；M和N為模板字符點陣橫向和縱向包含的像素個數。

數碼式表盤中，有不少是安裝著滾軸式的數字顯示裝置，所顯示的數字是會根據數值的小數值大小而逐漸旋轉，這樣就會出現部分數字顯示為完整的字符，而部分數字顯示為兩個“半字”，即處在兩個整數值之間的位置上，這樣的情況我們分別稱之為“整字”和“斷字”。對于整字來說，其顯示出的圖像和標準的字體是一致的，根據模板匹配法，可以直接進行處理識別；而對于斷字，由于斷點位置的不確定，故不能直接采用模板匹配法，需將斷字分割成兩個數字的部分，再進行模板匹配。

綜上所述，本系統中避雷器監測表計中動作次數的智能識別流程如下頁圖2所示，包括模板字符庫、歸一化處理、計算間隔大小、間隔值與設定值比較、判斷整字或斷字、導入模版、劃分字符上下段、相關性運算、尋找最大值對應位置、加權處理、確定最大值、比較中心位置、讀出示數等步驟。

3.2接地電流值的識別算法

氧化鋅避雷器接地電流表具有以下特征：1）需精確讀數表盤均勻分布在一段固定的圓弧上；2）指針運動分布在一個固定的圓弧范圍內，指針讀數的大小與指針的偏轉角線性相關；3）電流表指針可以等效為一條直線。

目前，指針式圖像的處理與識別技術比較常用的識別方法是基于霍夫（Hough）變換的儀表指針角度識別算法?；舴蜃儞Q是一種利用圖像的全局特性直接檢測目標的輪廓，將圖像的邊緣像素連接起來的算法。在預先知道區域形狀的情況下，利用霍夫變換可以方便地將不連續的邊緣像素點連接起來，從而得到邊界曲線?；舴蜃儞Q的基本思想是利用點、線的對偶性進行操作。圖像變換前在圖像空間，變換后在參數空間。在圖像空間X-Y中，原有的通過點（x，y）的直線一定滿足方程：

式中，k為斜率，b為截距，如果將x，y看成參數，那么該直線就可以表示成：

即在K-B空間中過點（k，b）的一條直線。于是，圖像空間X-Y中過點（x1，y1），（x2，y2）的直線上的每一點都對應參數空間K-B中的一條直線，而在對應的K-B空間中，這些直線都相交于一點（k12，b12），而點（k12，b12）恰好就是X-Y空間中過點（x1，y1），（x2，y2）的直線的參數。由此可知，圖像空間中同一條直線上的點對應在參數空間中是相交的直線，在參數空間中相交于同一點的所有直線，在圖像空間都有共線的點與之對應，這就是點、線的對偶性。根據這個特性，當給定圖像空間中邊緣時，通過霍夫變換確定連接這些點的直線方程?；舴蜃儞Q把圖像空間中的直線檢測問題，轉化為參數空間里點的檢測問題。本系統氧化鋅避雷器接地電流值圖像識別的基本流程如圖3所示。

4　結論

本文設計了一套基于圖像識別的避雷器監測表計智能抄報系統，實現對避雷器監測表計的動作次數和接地電流的智能抄報。該系統終端以分布式安裝，采用無線通信與有線相結合方式實現采集圖像的上傳，操作人員可通過后臺軟件監測避雷器表計讀數，代替傳統的人工抄報方法，節約大量人力物力，適應變電站無人值守的需求。

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徐衛中（1968-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電廠生產管理和技術管理工作。

TV736

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1672-5387（2015）11-0001-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.001

2015-07-31