电力系统继电保护压板图像识别系统.pdf

2 0 0 4年 6月 第 l 8卷 第 2期 总 5 6期 北 京 联合 大学 学报(自然科 学版)J o u r n a l o f B e i j i n g U n i o n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e s)J u n2 0 0 4 Vo 1 1 8 No 2 S u m No 5 6 电力系统继电保护压板 图像识别系统 任俊杰，蒋岚(北 京联 合 大学自动化 学 院，北京1 0 0 1 0 1)摘 要 从 安全性、经济性及便 于维护等 目标 出发，提 出用计 算机 图像 识 别方法 来检 查 判 断继 电保 护压板连接正确 与否。用计算机、摄 像 机等 设备 完成 了继 电保护 压 板 图像识 别 系统 的硬 件 配置 用 V i s u al C+进 行 了 系统 软 件 的 设 计，该 系统 可 以 实 现 变 电站 继 电保 护 压 板 通 断 状 态 的 不带电 自动识别。经过 现场调试证 明，系统 可行 并具有安全 可靠、成本低 的优势。关键词 电力 系统；继 电保护 压板；图像识 别 中图分 类号 T N 7 6 2 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 5 0 3 1 0(2 0 0 4)0 2-0 0 6 0-0 5 在 电力系统 中，继电保护 屏上 的压板 的断开 与 闭合决 定了 电路 的通断，这就 要求 压板连接 方式 应 准确无误，否则 可能会产生严 重后 果。以往 对压 板 连接位 置的检查采用人工 方式，一人 读取某 一压 板 位 置，另一 人 与所要 求 压板 位置 的原 始库 对 照，决 定压板 的实际位置是否 正确，若接 错，应 复查 更正。这种 方式 不 仅耗 时，而且 浪费人 力，另 外 由于继 电 保 护屏 之间空 间的限制，工 作人员 有可能触 碰 到压 板屏 而造成屏上 的继 电器动 作，对 人身及 电路 产生 危害。针对这种情况，本文 采用计 算机 图像 识别 方 法来 检查判断继 电保 护压板 连接正确 与否，从硬 件 和软件两 方 面组成 了继 电保 护 压板 的 图像 识别 系 统，使 用该 系统 不 仅 可 以减 轻 操 作 人 员 的劳 动 强 度，而且 可以大大提高现场 识别 的工作效率 和安 全 性，并且该 系统具有成本低 的优势。1 系统 的硬件组成 本系统 的硬件组成 包括：计算 机、摄 像 机、监 视 器、V 5 1 2一B图像采 集卡，各部 分关 系如 图 1 所 示，其 主要 功能如下：摄像 机：用 于 实时 拍摄 压 板屏，采集 压 板 屏 的 图像数 据信息。监 视器：用 于监视待拍摄 的 图像是 否满 足 系统 要求。图像采集 卡：图像 采集 卡 插在 主机 空槽 中，可 将摄像 机拍摄 的图像实 时显示在 监视 器上，以便操 作人 员 调整成 像 清晰 度，而 且可 以响应 主机 指令，实时捕 获所摄 图像并保存 图像 数据。计 算机：配备本 系统开发软 件 的计算 机是 图像 识别 系统的核心，它可对实 时采集 的压板 屏 图像 数 据进行快 速处理及识别，并立 即向现场操 作人员 通 报识别 结果。圃 l 压 板 屏 一 圃一 匾一 圆 圈 1系统硬 件 组成 2系统软件 的设计 本 系统的软 件 采用 V i s u a l C+编写，主要 功 能模块 包括数据库操 作、摄 像、识别、帮助 及退 出系 统，全部包含 在用 户界 面中，如 图 2所示。图 2 压 板 图像 识别 系统 用 户界 面 2 1数据库操作 数据库操 作 包括 数 据库 的输 入 和 数 据库 的修 收稿 13期 2 0 0 30 52 1 修 回 13期 2 0 0 40 33 1 作者 简 介 任 俊杰(1 9 7 2 一)，女，河 北 石 家庄 人，北京 联合 大 学 自动 化学 院 讲 师，工 学 硕 士，从 事 自动 控 制、控 制 工 程 的教 学 与研 究。维普资讯 http:/ 第 1 8卷第 2期 任 俊杰 等：电力 系统 继 电保 护压 板 图像识 别 系统 6 1 改。在输入菜单下，用户 按系统 提示顺 序输入 相应 压板 屏 的屏号、最 大 行数 及列 数，并 按提 示 以 图形 或文本方 式输 入待测压板 屏各压 板 的通 断状 态，保 存输入结 果，以便 被计 算机用 于判别 压板实 际 的通 断状态 是否正确。在修 改菜单下，可 以用 图形方 式 或文 本方式显示用户最 近建立 的压板 数据库，由用 户 根据需 要修 改各 压 板 的通 断状 态，并 保 存 修 改 结 果。例如，编号 为 9 8 5 3的压板 屏 上 有 3行 4列压 板，各压板 要求状 态如 图 3所示。文本 方 式输 入这 些压板 状 态，保 存在 数 据文 件 B 9 8 5 3中，如 图 4所 示，可见，数据文 件 B 9 8 5 3可以看作一个 4行 3列 的数组，其各元素 对应 压板 的要求状态。I 9-一 9 ，j j I 一】3 I j _ 口 图 3 9 8 5 3号压 板屏 的各 压 板 要求 状态 0 1 0 l 0 1 0 1 1 1 0 0 图 4 数 据文 件 B 9 8 5 3的 内容 0 一 压板 断 开；1 一 压板 闭合 2 2压板摄 像 在摄像 菜单 下，输 入 压板 屏 号，通 过 图像 采 集 卡使摄像 系统处 于激 活状态，调 整摄像 头的光 圈焦 距，可观察 监 视器 上 的成像 效 果，使摄 像机 能摄 下 整个压板 屏 并 且 成像 清 晰，然 后 确 定 捕 获 所 摄 图 像，经 V 5 1 2 一 B图像采集 卡，将 5 1 25 1 2个像素 的灰 度值(02 5 5)保 存 在 相应 的 图像数 据 文 件 中。例 如，对 9 8 5 3号 压板屏摄像后，将 5 1 25 1 2个像 素 的 灰度值保 存 在 图像 数 据文 件 G 9 8 5 3中。图像 数 据 文 件 中有 5 1 2行 5 1 2列 的像 素灰度值数据。2 3压 板 识 别 识别程 序 是 本 系统 软 件 的 核 心，在 识 别 菜 单 下，计 算机 对 图像 数 据进 行处 理 分析，与 已建立 的 压板屏数据 库进行 比较，判定 各压板 实 际的通 断状 态是否 正确，输 出识 别结果并保存 结果。识别程 序 包 括 灰 度 阈 值 的 选 取、图像 的 二 值 化、判断识别。2 3 1 阈值 的选 取 本系统拍摄 的 为具 有 2 5 6个 灰 度级 的单 色 图 像，二值 图像是指 只有 黑 白两个灰 度级 的 图像，进 行 图像的二值化 可以使 图像 去掉 多余 信息，使 图像 特征突 出，便于判断识别。二值化方 法的关键是灰 度 阈值 的选取，本文 采 用 了最大方差 阈值法(又称大 津判别 阈值选 择法)，这种方法是 在判 别 与最 小 二乘 法 原理 的基 础 上推 导 出来 的，是 阈值 自动选 择 的最优 方法，可 以根据 图像 的灰度 分布情况 自动选取 阈值。设一 幅图像 的灰度值 为 1 m级，灰度值 i 的 像素数 为 1 7,，此时可 以得 到 总像素数 ：各值 的概 率P。=I I,i 然后用 I 将其分成两组 C。=1一I 和 C。=(I+1)一m，各组产生 的概率 姐下：C。产生的 概率to。=P =to(I)C。产生的概率to。=P =1 一to(I)C o的平均值。=i=li p。,=C l 的平均值。=。耋。ip。,=其中 =是整体图 像的灰度平均值；(I)=ip。是阈值为I 时的灰度平均值，所以 全部采 样 的灰度平均值 为=。+。两组 间 的方差用下 式求 出 盯 ()：0(0一 )+l(l )：。(。一 。)=L 等 从 1m 之间改变 I，求(I)为最大值时 的 I 值，I 值便是 阈值。本系统 中，灰度值 i 为 02 5 5，即 m=2 5 6。用 最大方差 阈值 法实 现 阈值 自动选 取 的程 序流 程 图 如 图 5所示，程序执行完 成后得到 的 I T H D为阈值。维普资讯 http:/ 6 2 北 京 联 合大 学学 报(自然科 学版)2 0 0 4年 6月 打开图像数据文件(如G 9 8 5 定义 变 量并赋 初 值 从圈像文件 中读取 数据I V 计算 灰 度值 为I v 的 个数 P HS I V】计算整体图像的像素羹s u m 计 算灰 度值 为I v 的 概率 P HS I V】令 S MA X=0,k赋初 值 k-0 2 5 6 7 、否 否 关 闭文件 TS MAX MAX I 墨 r=_=：=S l l 图 5最 大 方 差 闻 值 法 实 现 闻 值 自 动 选 取 的 程 序 流 程 图 2 3 2 图像 的二值化 二值化 的方法 是：利 用上 述 选 取 的灰 度 阈值，将 图像数据文件 中各像 素灰度 值与 阈值 比较，大 于 阈值则令该像 素所 对应 的数组 元 素值 为 1(代 表 白 色)，否则就令数组元素 值为 0(代表黑 色)。这 里的 数组是一个与 图像 数据 文件 相对 应 的 5 1 25 1 2的 数组，用 于存 放 二值 化后 的 图像 数 据(只有 0和 1 两个值)。二值 化的程 序流程 图如 图 6所 示，其 编程 思路 是：先从拍 摄 的图像文件 中读 取(0，0)处 的数据，判 断它是否大 于阈值，若 大 于 阈值 则 令数 组 J P 5 1 2 5 1 2 中的元素 J P O 0 =1(代表 白色)，否则 就令 数组元素 J P O 0 =0(代 表黑 色)，按 此方 法依 次 处理第一 行的像 素(共 有 5 1 2个)。处 理 到 最后 一 个像素时跳 到 下一 行再 从 第一 列 扫描。以此类 推 直到 扫描 结 束。二 值 化 后 的 结 果 存 放 在 数 组 J P 5 1 2 5 1 2 中。由于压板屏 的底 色和压板 一般为浅 色，压板 接 头 为深 色，因此 二值 化后 就将 底 色转换 为 白色，将 接头转换为黑色，这样黑 白分明，便 于识别判 断。2 3 3 判 断识别 二值化处 理后 要 对 数组 J P 5 1 2 5 1 2 的数据 进行分 析，首 先 根 据 黑 像 素 的 点 数 确定 是 否 为 接 头，并确定该压板在 第几行第几列。识别压 板 的通 断 位 置 采 用 了模 糊 隶 属 函 数。如 图 7所示，图 中 A、为固定 接头，c为压板 上 的 接头，J D为压板。将相邻接头 之间的距 离 n和 b作 为压板特 征参 数 加 以抽 取。根 据 它们 的形状 特 点 可定义它们 的隶 属函数：压板闭合 的状 态为模 糊子集，其 隶属 函数 为 f l(n，b)=1 3 l nb l (n+b)。定义变 L x O,J P 5 1 2 1 1 5 1 2 l，并赋初值=-x=y=o 否 苎 从圈像文件中读取数据(像素灰度值)数 j 阈值?是 结 束 维普资讯 http:/ 第 1 8卷第 2期 任 俊杰 等：电力系 统继 电保 护 压板 图像识 别 系统 6 3 压板 断开 的状 态为模糊子集，其隶 属 函数为(，b)=3 l 一b l (+b)。如果 大于，则压板隶属 于模 糊子集(即 压板是 闭合 的)，反之则压板是 断开 的。T。自 圭 6 D 压 板闭合状态 压板断开状 态 图 7压 板 状 态 确定接 头及其 位置 的程序 流程 图如 图 8所示。找到第一行第一列压 板 的三个 接头位 置后，就 可 以 根据上述方法判 断压 板的通 断状态，依次 找到各行 列压板接头位置并判 断压板 的通断状 态，将 结果存 入识别 结果数 组，如对 9 8 5 3号 压板屏 识别 后结 果 存 入数组 s h i b i e 3 4 ，接通 为 1，断开为 0。然 后再 与已建 立的压板 数据 库(如 B 9 8 5 3)进 行 比较，如果 压 板实际状态与要求 状态一致，就给 出连接 正确 的 提示，如果连接 有错误，应 发 出报 警，并 给 出相应压 板 的错误信息，以便工作人员将其检查 改正。2 3 4查询 识 别后 的结果保存 在历 史文档 中，可按 用户要 求进行 查询。2 4 帮助 帮助菜单为用户提 供 了各种操作 的说 明。3 现 场 调试 本系统在一变 电站 进行 了现场调试，现场要 求 减 少 由于外界环境变化造 成 的影响，以室 内照 明为 主，并保证室 内照明稳定在一定 程度。计算 机与监视器在 固定 的操作 台上，操 作人 员 可 以方便 地 进行 各 种操 作。摄 像 机 固定在 一 辆 特 制 的小车上，可 以在压板屏前 运动，调试 时，摄 像 机 为手 动调 整，以便 选 择理 想 的摄像 位 置，调试 成 功 后，可 以通 过安装 小 车导 轨、增 加 电气控 制环 节来 实现 自动调整。以 9 8 5 3号 压板 屏 为例，首先 建 立 其 压 板数 据 文件 B 9 8 5 3，然后进行摄像，调整摄像 位置使图像清 晰，将 图像信息保存 在 图像 数据 文件 B 9 8 5 3中。在 压板识 别菜单 中输入 待识别 压板屏号 9 8 5 3及 其行 列数(3行 4列)，稍后即 出现运行结果。如果压板状 态无 误，运行 结果为：0连接正确 1连接 正确0连接正 确 1连 接正确 0连接正确 1连接 正确0连 接正 确 1连 接正确 定义 变 量 并赋 初 值 x=y=0 j F F 始 扫描 J P x l v l=l?伪 白色苟、-一 是 卜 _ 一 否 列 坐 加 1 列坐 标指定 列 坐标?一 列 坐 等于初值 行 坐 标 加 1 否 在 坐标 fx V)附近 的 区域 统 计 黑色 像 素数 黑色 像 素数 指 定拗 此 区域是压板的一个接头，令 x l-x,计数器 加 1 图 8确 定接 头 及其 位 置 的程序 流程 图 否 维普资讯 http:/ 北京 联合 大 学学 报(自然科 学 版)2 0 0 4年 6月 1连接正 确 接正确 1连接正确0连接正 确0连 接正确 如果将 第 一行 第 一 列 压 板 闭 合 上，运 行 结 果 为：1连接错误，压 板 应 断开 1连接 正 确0连 接正确1连接正 确 0连接正确 1连接 正确0连 接正 确 1连 接正 确 1连接正确 1连接 正确0连 接正 确0连 4 结 论 本 系统经实验及现场 调试，可 以对具有 两 固定 接 头的压 板 连 接位 置进 行 正 确识 别，当连 接 错 误 时，可 以给出正确的错误信 息。使用 本 系统可 以大 大提高工作 效 率 和安 全性。但 系统 对现 场 的光 学 环境有较 高 的要 求，这 有 待 于进 一 步 改 进 识 别 软 件，以适 应各种现场情况。参考文献 1 王积 分，张 新荣 计算 机 图像 识别 M 北 京：中国铁 道 出版社，1 9 8 8 2 戚 飞虎 模 式识 别 与 图像处 理 M 上 海：上 海交通 大 学 出版社，1 9 8 9 3 边肇祺 模式识别 M 北京：清华大学出版社，1 9 8 8 4 肖位 枢 模 糊 数学 基础 及应 用 M 北 京：航 空工业 出版社，1 9 9 2 5 康博 创作 室 V i s u a l C+6 0高级 编 程 M 北 京：清 华 大学 出版 社，1 9 9 9 The I ma g e Re c o g n i t i o n S y s t e m o f Re l a y i ng Pl a t e i n El e c t r i c Po we r Sy s t e m R E N J u n j i e，J I AN G L a n (A u t o m a t i o n C o N e g e o f B e i j i n g U n i o n U n i v e r s i t y，B e ij i n g 1 0 0 1 0 1，C h i n a)Ab s t r a c t：T he i ma g e r e c o g ni t i o n me t h o d t o c h e c k t h e s t a t u s o f t h e r e l a y i n g p l a t e i s p r e s e n t e d f r o m t h e g o a l i n s a f e t y，e c o n o my a n d c o n v e n i e n c e f o r ma i n t e n a n c eT h e h a r d wa r e o f t h e i mag e r e c o gn i t i o n s y s t e m i s c o n f i g u r e d t h s o me d e v i c e s s u c h a s c o mp u t e r an d c a me r aTh e s o f t wa r e o f t h e s y s t e m i s d e s i gn e d wi t h Vi s u al C+Th e s y s t e m C an p e r f o r m a u t o ma t i c a n d no n e l e c t ric r e c o gn i t i o n t o r e l a y i n g pl a t e i n a s u bs t a t i o nTh e fi e l d t e s t c a n s h o w t h e s y s t e m i s e f f e c t i v e a n d h as man y a d v a n t ag e s，s u c h as g o od s afe t y，h i g h r e l i a b i l i t y an d l o we r c o s t Ke y wo r d s：e l e c t ric po we r s y s t e m；r e l a y i n g p l a t e；i mag e r e c o gn i t i o n (责任编辑彭丹宇)维普资讯 http:/