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正文

一种基于视觉的开闭所冷凝现象测控装置

摘要:开闭所是配电网底层最基本的单元,是电力由高压向低压输送的关键环节之一。随着经济的发展,城区土地可谓寸土寸金,能提供给供电设备使用的空间往往是小区的地下室,使得地下开闭所数量逐年增加。地下开闭所空间狭小,空气无法形成对流;同时地下室电缆沟中很容易出现渗水、积水、结冰现象,加上电缆管、沟封堵不严实,造成地下开闭所及开关柜内潮气重、湿度大。当开关柜壁的温度低于湿空气的露点温度时,就会形成凝露。
关键词:开闭所;凝露;机器视觉
       当前,大部分开闭所都是无人值守,凝露使电气设备产生的放电现象通常不会被及时发现和处理,对供电安全造成威胁。经研究发现,控制电缆沟内的湿度是解决开关柜凝露问题的重中之重。对此,人们为此设计出一套湿度测量装置来监测开闭所内电缆沟的湿度;当湿度超出设定值时,启动开闭所内的湿度控制设备,将电缆沟内的湿度控制在合理范围内,实现开闭所湿度的自动控制。
       另外现有的一些重要的开闭所开始配备摄像机和传感器对开闭所进行多方面的监测和保护。但是湿度计长期在开闭所这样的恶劣环境下使用,会减少寿命年限,或者产生异常,或者除湿装置工作异常,从而会引起执行器判断失误,产生凝露,引起开闭所的事故。所以,人们还需要另外一种手段来检测凝露,一旦凝露在设备的外表上形成液体,能够及时发现。查阅现有的发明和论文,没有针对性发现和进行对应报警的内容。
       如果利用已有的摄像机的手段,能够配合湿度计,互相配合,及时检测出凝露现象,并且分析危险等级,那么就可以一来提高系统检测手段的冗余性,提高系统的稳定性;二来提高系统的智能性,减少人员的工作。查阅现有的论文和专利等材料,并未发现有相关的基于视觉的开闭所冷凝现象测控装置。
1、简介
      本发明是一种用于开闭所的环境控制系统,具体来讲,是一种基于视觉的,在开闭所使用的内部环境中,自动发现因为冷热变化引起的冷凝水或者冰块附结在设备上的凝露现象,并智能判断严重等级,从而减少凝露给设备带来短路等恶劣影响的环境控制装置。本发明基于现有的机器视觉、电子技术,提出了一种基于视觉的,在开闭所使用的内部环境中,自动发现因为冷热变化引起的冷凝水或者冰块附结在设备上的凝露现象,并智能判断严重等级,从而减少凝露给设备带来短路等恶劣影响的环境控制装置。
       本发明的主要原理是:当相机拍摄到冷凝水或者冰块时,在光线上会产生反射的高亮度白光,而开闭所内部的设备均为亚光材料,不应出现有高强度白光,所以一旦检测出有多个白光的点,即可以判断出可能已经产生了凝露现象。同时,可以根据短距离白光的点的连线,可以判断出凝露现象已经形成了运动的水流,说明现象已经十分严重,如果水流数量多,那么已经十分危险了。
       本发明的内容主要包括有:硬件部分和算法部分。硬件部分包括有工控机、摄像机、光源、湿度计、温度计、除湿机、声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元等。如图1所示。
结构示意图_文章发表





图1结构示意图
2、硬件部分

      硬件部分包括有工控机(图1中1所示)、摄像机(图1中2所示)、光源(图1中3所示)、湿度计(图1中4所示)、温度计(图1中4所示)、除湿机(图1中5所示)、声音报警单元(图1中6所示)、光线报警单元(图1中6所示)、远程短信报警单元(图1中6所示)等。
1)工控机采集湿度计、温度计的信息,控制光源的打开和关闭,采集摄像机的图像,提供计算资源给算法部分,当算法部分分析出结果后,如果出现凝露现象的话,那么就打开除湿机,并控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元进行报警。如果除湿机能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元结束报警。如果除湿机不能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元继续报警,控制远程短信报警单元发出紧急报警。本实施例中,工控机为研华组装工控机IPC-610L。
2)摄像机正对开闭所重要的电气部件,在光源打开的情况下,拍摄出这些重要电气部件的图像,输出给工控机,用于算法部分进一步分析其是否发生凝露现象。本实施例中,摄像机为Balser的500万像素普通面阵摄像机。
3)光源在工控机的控制下打开,提供在密闭的开闭所内的照明光线,辅助摄像机拍摄出用于分析的照片。当摄像机不拍摄时,保持关闭。本实施例中,光源为今日视电公司的55W面阵光源。
4)湿度计、温度计不间断采集开闭所内的湿度、温度信息,提供给工控机分析。本实施例中,采用的是2个温湿度变送器SHT20传感器模块。
5)除湿机在湿度较大或者发生凝露现象时,在工控机的控制下打开,从而减少开闭所内的空气湿度。本实施例中,采用的是两台DOROSIN/多乐信DR-1382除湿机。
6)声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元在工控机发现凝露现象时,控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元进行报警。如果除湿机能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元结束报警。如果除湿机不能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元继续报警,控制远程短信报警单元发出紧急报警。本实施例中,它们被放置在开闭所的外部,声音和光线报警单元采用的是LTE-1101J旋转爆闪警报灯,远程短信报警单元采用的是YeeCOM工业GPRSDTU。
3、算法部分
      算法部分内容主要包括有感兴趣区域采集、高光点分析、光点运动路径拟合等三个部分。软件流程如图2所示。
软件流程图_论文发表





图2软件流程图
       定义图像If,其中n为第n步操作中的数据,f为图像的第f帧。
1)感兴趣区域采集为在摄像机拍摄的图像中,提取开闭所内重要的电气部件的表面图像的区域。其采集的过程为预先工作人员手动选取重要区域的坐标,然后分析时,算法根据这些预设的坐标,即直接从原始图像获得感兴趣区域If2。
2)高光点分析为分析感兴趣区域中的高光点,统计它们的数量,分析它们的尺寸,然后分析出凝露现象发生在摄像机镜头还是电气部件的表面。
       步骤1.对上一步获得的If2图像,把图像灰度化后,计算每个点的灰度值,然后进行阈值二值化。
       即对If2图像中的每个点分析,判断其灰度值大小,如果灰度值大于等于阈值T1,那么对应大小的If3图像的对应位置的值设为1;如果小于阈值T1,那么对应大小的If3图像的对应位置的值设为0。从而得到一张二值图像If3图像。
       步骤2. 去掉If3图像中像素值为1、但是面积小于T2 的区域,达到滤波的效果,得到If4图像。
       步骤3. 在If4图像中,剩下的像素值为1、面积大于等于T2的连通区域,认为是可能的凝露的露珠反光。然后统计If4图像中的连通区域的个数Num1_If4 , 统计出这些连通区域的面积Aream_If4 ,即它们内部的像素值为1 的像素数量,其中m 为第m个符合条件的连通区域,从1 到Num1_If4 。
       步骤4.提取出Aream_If4中最大值Max(Aream_If4 )。
       如果Max(Aream_If4 )大于等于面积阈值T3,那么说明是摄像机的镜头出现了凝露的露珠, 本次采集的图像数据已经不可以用作对电气部件表面的露珠分析了。此刻,需要立即打开除湿机,对环境进行烘干处理。此刻发出危险等级A;
       如果Max(Aream_If4 )小于面积阈值T3,说明摄像机的镜头没有出现严重影响检测的露珠, 可以进一步用作对电气部件的表面的露珠分析。此刻Num1_If4的数量即反应了电气部件表面的露珠的数量。此刻发出危险等级A。
3)光点运动路径拟合为分析电气部件表面的运动路径,分析是否已经发生严重的流水现象。
      流水现象的特点是水渍会形成一道不规则、整体垂直、发亮的痕迹。基于这个原理,本发明的步骤如下:
       步骤1.在If4图像中,统计If4图像中的连通区域的中心位置(Cenxm,Cenym),Cenx 和Ceny 代表的是x 和y 的坐标位置。
       步骤2.从(Cenxm,Cenym)出发,在If3图像中,向图像的垂直上方,采用区域生长树的方法,进行痕迹提取。这里不同于传统的区域生长树的像素点的左上、正上、右上、左、右、左下、正下、右下的8 个方向生长的探索过程,为了减少计算资源,考虑到水渍只会沿重力下降的过程,所以只考虑像素点的左上、正上、右上、左、右的5 个方向的生长,从而减少了计算量。区域生长树方法是经典算法,其内容在此不再赘述。在此步骤中,可以得到每个露珠质心(Cenxm,Cenym)的运动轨迹L(Cenxm,Cenym)。
       步骤3.统计每个L(Cenxm,Cenym)的长度LenL(Cenxm,Cenym)。此刻,需要检测温度计的值,如果温度低于零度以下,那么认为是结冰,如果温度高于等于零度,那么认为是水流。此刻如果出现存在LenL(Cenxm,Cenym)大于阈值T4,说明已经存在露珠凝结成水流的现象了,已经十分危险了。此刻发出危险等级B。
       步骤4. 进一步统计LenL(Cenxm,Cenym)大于阈值T4 的个数Num2,如果Num2 大于阈值T5,说明水流现象已经很多,必须立即处理。此刻发出危险等级C。
4、结束语
      通过实施本发明,可以及时检测出开闭所内的凝露情况,并且分析危险等级,一是可以提高系统检测手段的冗余性,提高系统的稳定性;二是可以提高系统的智能性,减少人员的工作。
参考文献
[1]陶为明,宋克东,黄云龙,等.开闭所智能防凝露装置的研制与应用[J].电力安全技术,2018,20(10):50-51
[2]巫启云,宋光荣,张培.一种防潮防凝露开闭所:CN208690808U[P].2019-04-02
[3]刘小玲,钱卫华.一种用于户外开闭所的排水型冷凝除湿装置:CN20-6180396U[P].2017-05-17
[4]李静.一种开闭所供电环境监测控制系统:CN206421221U[P].2017--01-19

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一种基于视觉的开闭所冷凝现象测控装置
摘要:开闭所是配电网底层最基本的单元,是电力由高压向低压输送的关键环节之一。随着经济的发展,城区土地可谓寸土寸金,能提供给供电设备使用的空间往往是小区的地下室,使得地下开闭所数量逐年增加。地下开闭所空间狭小,空气无法形成对流;同时地下室电缆沟中很容易出现渗水、积水、结冰现象,加上电缆管、沟封堵不严实,造成地下开闭所及开关柜内潮气重、湿度大。当开关柜壁的温度低于湿空气的露点温度时,就会形成凝露。
关键词:开闭所;凝露;机器视觉
       当前,大部分开闭所都是无人值守,凝露使电气设备产生的放电现象通常不会被及时发现和处理,对供电安全造成威胁。经研究发现,控制电缆沟内的湿度是解决开关柜凝露问题的重中之重。对此,人们为此设计出一套湿度测量装置来监测开闭所内电缆沟的湿度;当湿度超出设定值时,启动开闭所内的湿度控制设备,将电缆沟内的湿度控制在合理范围内,实现开闭所湿度的自动控制。
       另外现有的一些重要的开闭所开始配备摄像机和传感器对开闭所进行多方面的监测和保护。但是湿度计长期在开闭所这样的恶劣环境下使用,会减少寿命年限,或者产生异常,或者除湿装置工作异常,从而会引起执行器判断失误,产生凝露,引起开闭所的事故。所以,人们还需要另外一种手段来检测凝露,一旦凝露在设备的外表上形成液体,能够及时发现。查阅现有的发明和论文,没有针对性发现和进行对应报警的内容。
       如果利用已有的摄像机的手段,能够配合湿度计,互相配合,及时检测出凝露现象,并且分析危险等级,那么就可以一来提高系统检测手段的冗余性,提高系统的稳定性;二来提高系统的智能性,减少人员的工作。查阅现有的论文和专利等材料,并未发现有相关的基于视觉的开闭所冷凝现象测控装置。
1、简介
      本发明是一种用于开闭所的环境控制系统,具体来讲,是一种基于视觉的,在开闭所使用的内部环境中,自动发现因为冷热变化引起的冷凝水或者冰块附结在设备上的凝露现象,并智能判断严重等级,从而减少凝露给设备带来短路等恶劣影响的环境控制装置。本发明基于现有的机器视觉、电子技术,提出了一种基于视觉的,在开闭所使用的内部环境中,自动发现因为冷热变化引起的冷凝水或者冰块附结在设备上的凝露现象,并智能判断严重等级,从而减少凝露给设备带来短路等恶劣影响的环境控制装置。
       本发明的主要原理是:当相机拍摄到冷凝水或者冰块时,在光线上会产生反射的高亮度白光,而开闭所内部的设备均为亚光材料,不应出现有高强度白光,所以一旦检测出有多个白光的点,即可以判断出可能已经产生了凝露现象。同时,可以根据短距离白光的点的连线,可以判断出凝露现象已经形成了运动的水流,说明现象已经十分严重,如果水流数量多,那么已经十分危险了。
       本发明的内容主要包括有:硬件部分和算法部分。硬件部分包括有工控机、摄像机、光源、湿度计、温度计、除湿机、声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元等。如图1所示。
结构示意图_文章发表





图1结构示意图
2、硬件部分

      硬件部分包括有工控机(图1中1所示)、摄像机(图1中2所示)、光源(图1中3所示)、湿度计(图1中4所示)、温度计(图1中4所示)、除湿机(图1中5所示)、声音报警单元(图1中6所示)、光线报警单元(图1中6所示)、远程短信报警单元(图1中6所示)等。
1)工控机采集湿度计、温度计的信息,控制光源的打开和关闭,采集摄像机的图像,提供计算资源给算法部分,当算法部分分析出结果后,如果出现凝露现象的话,那么就打开除湿机,并控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元进行报警。如果除湿机能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元结束报警。如果除湿机不能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元继续报警,控制远程短信报警单元发出紧急报警。本实施例中,工控机为研华组装工控机IPC-610L。
2)摄像机正对开闭所重要的电气部件,在光源打开的情况下,拍摄出这些重要电气部件的图像,输出给工控机,用于算法部分进一步分析其是否发生凝露现象。本实施例中,摄像机为Balser的500万像素普通面阵摄像机。
3)光源在工控机的控制下打开,提供在密闭的开闭所内的照明光线,辅助摄像机拍摄出用于分析的照片。当摄像机不拍摄时,保持关闭。本实施例中,光源为今日视电公司的55W面阵光源。
4)湿度计、温度计不间断采集开闭所内的湿度、温度信息,提供给工控机分析。本实施例中,采用的是2个温湿度变送器SHT20传感器模块。
5)除湿机在湿度较大或者发生凝露现象时,在工控机的控制下打开,从而减少开闭所内的空气湿度。本实施例中,采用的是两台DOROSIN/多乐信DR-1382除湿机。
6)声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元在工控机发现凝露现象时,控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元进行报警。如果除湿机能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元、远程短信报警单元结束报警。如果除湿机不能够解决凝露现象,那么就控制声音报警单元、光线报警单元继续报警,控制远程短信报警单元发出紧急报警。本实施例中,它们被放置在开闭所的外部,声音和光线报警单元采用的是LTE-1101J旋转爆闪警报灯,远程短信报警单元采用的是YeeCOM工业GPRSDTU。
3、算法部分
      算法部分内容主要包括有感兴趣区域采集、高光点分析、光点运动路径拟合等三个部分。软件流程如图2所示。
软件流程图_论文发表





图2软件流程图
       定义图像If,其中n为第n步操作中的数据,f为图像的第f帧。
1)感兴趣区域采集为在摄像机拍摄的图像中,提取开闭所内重要的电气部件的表面图像的区域。其采集的过程为预先工作人员手动选取重要区域的坐标,然后分析时,算法根据这些预设的坐标,即直接从原始图像获得感兴趣区域If2。
2)高光点分析为分析感兴趣区域中的高光点,统计它们的数量,分析它们的尺寸,然后分析出凝露现象发生在摄像机镜头还是电气部件的表面。
       步骤1.对上一步获得的If2图像,把图像灰度化后,计算每个点的灰度值,然后进行阈值二值化。
       即对If2图像中的每个点分析,判断其灰度值大小,如果灰度值大于等于阈值T1,那么对应大小的If3图像的对应位置的值设为1;如果小于阈值T1,那么对应大小的If3图像的对应位置的值设为0。从而得到一张二值图像If3图像。
       步骤2. 去掉If3图像中像素值为1、但是面积小于T2 的区域,达到滤波的效果,得到If4图像。
       步骤3. 在If4图像中,剩下的像素值为1、面积大于等于T2的连通区域,认为是可能的凝露的露珠反光。然后统计If4图像中的连通区域的个数Num1_If4 , 统计出这些连通区域的面积Aream_If4 ,即它们内部的像素值为1 的像素数量,其中m 为第m个符合条件的连通区域,从1 到Num1_If4 。
       步骤4.提取出Aream_If4中最大值Max(Aream_If4 )。
       如果Max(Aream_If4 )大于等于面积阈值T3,那么说明是摄像机的镜头出现了凝露的露珠, 本次采集的图像数据已经不可以用作对电气部件表面的露珠分析了。此刻,需要立即打开除湿机,对环境进行烘干处理。此刻发出危险等级A;
       如果Max(Aream_If4 )小于面积阈值T3,说明摄像机的镜头没有出现严重影响检测的露珠, 可以进一步用作对电气部件的表面的露珠分析。此刻Num1_If4的数量即反应了电气部件表面的露珠的数量。此刻发出危险等级A。
3)光点运动路径拟合为分析电气部件表面的运动路径,分析是否已经发生严重的流水现象。
      流水现象的特点是水渍会形成一道不规则、整体垂直、发亮的痕迹。基于这个原理,本发明的步骤如下:
       步骤1.在If4图像中,统计If4图像中的连通区域的中心位置(Cenxm,Cenym),Cenx 和Ceny 代表的是x 和y 的坐标位置。
       步骤2.从(Cenxm,Cenym)出发,在If3图像中,向图像的垂直上方,采用区域生长树的方法,进行痕迹提取。这里不同于传统的区域生长树的像素点的左上、正上、右上、左、右、左下、正下、右下的8 个方向生长的探索过程,为了减少计算资源,考虑到水渍只会沿重力下降的过程,所以只考虑像素点的左上、正上、右上、左、右的5 个方向的生长,从而减少了计算量。区域生长树方法是经典算法,其内容在此不再赘述。在此步骤中,可以得到每个露珠质心(Cenxm,Cenym)的运动轨迹L(Cenxm,Cenym)。
       步骤3.统计每个L(Cenxm,Cenym)的长度LenL(Cenxm,Cenym)。此刻,需要检测温度计的值,如果温度低于零度以下,那么认为是结冰,如果温度高于等于零度,那么认为是水流。此刻如果出现存在LenL(Cenxm,Cenym)大于阈值T4,说明已经存在露珠凝结成水流的现象了,已经十分危险了。此刻发出危险等级B。
       步骤4. 进一步统计LenL(Cenxm,Cenym)大于阈值T4 的个数Num2,如果Num2 大于阈值T5,说明水流现象已经很多,必须立即处理。此刻发出危险等级C。
4、结束语
      通过实施本发明,可以及时检测出开闭所内的凝露情况,并且分析危险等级,一是可以提高系统检测手段的冗余性,提高系统的稳定性;二是可以提高系统的智能性,减少人员的工作。
参考文献
[1]陶为明,宋克东,黄云龙,等.开闭所智能防凝露装置的研制与应用[J].电力安全技术,2018,20(10):50-51
[2]巫启云,宋光荣,张培.一种防潮防凝露开闭所:CN208690808U[P].2019-04-02
[3]刘小玲,钱卫华.一种用于户外开闭所的排水型冷凝除湿装置:CN20-6180396U[P].2017-05-17
[4]李静.一种开闭所供电环境监测控制系统:CN206421221U[P].2017--01-19