基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法及系统与流程

本发明涉及电力设备测试，尤其涉及一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法及系统。

背景技术：

1、断路器的速度特性是判断其可靠运行的重要依据。分合闸速度过高会使断路器操动机构受到巨大的冲击力，造成机构部件损伤；过低的分合闸速度会延长动静触头之间的燃弧时间，导致触头的电磨损增加，甚至引发断路器爆炸。适当的分合闸速度才能充分的增加断路器的使用寿命。断路器的动、静触头都封装在密闭灭弧室内，无法直接测量速度特性。因此通常采用间接测量与动触头相连接的动作机构的速度来获得断路器速度特性。在传统检修工作中多采用滑阻式位移传感器、加速度传感器等安装于专用的检测工装之上，使用时将装有传感器的测试工装安装在断路器传动连杆之上，当连杆动作时传感器即可测得连杆动作情况。由于现在高压断路器内部结构设计越来越紧凑，操动机构在分合闸操作时运动速度很快，安装操作不当可能会损毁断路器。只能测得断路器机械参数，不能实现在线监测功能。

2、公开号cn105529222a的中国发明专利公开了一种断路器监测装置，通过在断路器开关主体上安装感应贴，在感应贴的另一侧设置屏蔽层，采用无线电感应装置提取感应标签信息生成感应电信号，判断开关状态。该方法可以实现对断路器是否分合闸进行判断，但不能对是否正确分合闸作出判断，且不能显示断路器分合闸机械参数，也没有预警功能。

3、公开号cn107329079a的中国发明专利公开了一种高压断路器监测方法，通过对高压断路器振动信号、线圈电流信号和行程时间信号采集分析，综合多种信号判断断路器分合闸状态和故障类型。该方法虽然可以实现在线监测功能和故障判断，但是需要在断路器本体是安装各种传感器，安装不当会对断路器造成损坏，传感器安装位置不同造成采集的信号不同，且操作步骤繁琐，系统及算法复杂，维护困难、成本高等问题不能及时将监测结果及时反馈给现场。

技术实现思路

1、针对以上测量缺点和不足，本发明提出了一种基于计算机视觉技术的非接触式监测方法，不需要在断路器本体上安装传感器，也不需要采用昂贵的高速摄像机，转而采用普通的监控摄像头即可完成拍摄任务，传至终端进行处理分析，并作出相应预警。本发明的监测方法操作简单，能够实时监测断路器状态，对其作出评估，同时能实现人机交互，提高检修效率。

2、鉴于此，本发明提供一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法及系统。

3、本发明公开了一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其包括：

4、步骤1：图像提取模块提取断路器运动连杆的运动图像序列中关键帧；

5、步骤2：对关键帧中的运动连杆和固定部件追踪，分别得到运动连杆和固定部件的行程轨迹；基于运动连杆和固定部件的行程轨迹，得到修正后的运动连杆的行程轨迹；

6、步骤3：通过断路器分合闸测试加速度法对断路器动触头行程曲线求解，继而获得动触头速度曲线，即断路器速度特性曲线；根据分合闸运动连杆运动行程曲线与断路器速度特性曲线，得到断路器机械特性参数；机械特性参数包括分合闸速度、最大行程、超行程、刚分合速度和弹跳时间；

7、步骤4：中央控制系统将得到的机械特性参数传输至预警子系统，预警子系统对断路器的机械特性参数进行评估，若机械特性参数不合格，则发出预警，同时反馈给现场工作人员。

8、进一步地，所述步骤1包括：

9、步骤11：在获得断路器运动连杆的运动图像序列后，分别将各帧图像分割得到相同大小的子图像；通过每帧图像的子图像的平均灰度值得到该帧图像的平均灰度值，基于每帧图像的平均灰度值，得到该帧图像的方差；

10、步骤12：基于每帧图像的平均灰度值和方差，得到该帧图像的特征向量；基于每帧图像的平均灰度值和特征向量，得到运动图像序列中相邻两帧图像的距离；依次将运动图像序列中相邻两帧图像的特征向量之间的距离与预设值进行比较，最终得到断路器运动连杆的关键帧。

11、进一步地，所述步骤11包括：

12、设置运动连杆拍摄帧数为f，每一帧的像素设为px1*px2，分别将各帧图像进行分割，得到n个大小为n1*n2子图像，子图像的像素数平均值为：

13、

14、其中，表示子图像的像素数平均值，px1表示原始图像的宽，px2表示原始图像的高，n1表示子图像的宽，n2表示子图像的高；

15、原始图像各像素点的灰度值设置为g(i,j)，则子图像的平均灰度值为:

16、

17、其中，gt表示子图像的灰度值，n表示子图像数量，n表示原始图像中像素点的数量，i表示原始图像中的像素点横坐标，j表示原始图像中的像素点纵坐标，gt(a,b)表示a行b列的子图像的灰度值，a与b表示子图像的行与列，处于a行b列的子图像的平均灰度值用m(gt(a,b))描述；

18、由式(1)和式(2)联立获得每帧图像的平均灰度值：

19、

20、其中，m(g)表示每帧图像的平均灰度值；

21、每帧的方差为：

22、

23、其中，σ2(m(gt(a,b)))表示每帧的方差；

24、所述步骤12包括：

25、原始图像中的任一帧设为f，则f帧的特征向量为：

26、

27、其中，xf表示f帧的特征向量；

28、则f帧与下一帧f+1帧的距离为dis(xf,xf+1)：

29、

30、设置断路器运动连杆运动第一帧为i帧，将i帧设置为新图像的第一帧，其阈值设置为t，之后逐次与每一帧进行判定，以f帧为例，若dis(xf,xf+1)>t，则f帧的下一帧f+1帧即为关键帧，依次重复，直至完全识别运动连杆的全部运动图像，最终得到断路器运动连杆的关键帧。

31、进一步地，所述步骤2包括：

32、步骤21：从关键帧序列中取帧k，对帧k进行金字塔分解：将帧k的原始图像作为金字塔底层j0，从j0至jn开始构造一个分辨率降低的金字塔逐层搜寻匹配模板；对模板图像和k帧搜寻得到每层不同分辨率的新模板，接着从金字塔顶层开始往下逐层搜索对应层的目标和固定部件；

33、步骤22：基于对应层的目标的坐标点，得到关键帧序列中相邻帧之间的运动连杆的行程轨迹，继而运动连杆的行程轨迹；基于对应层的固定部件的坐标点，得到关键帧序列中相邻帧之间的固定部件的行程轨迹，继而固定部件的行程轨迹；

34、步骤23：基于运动连杆和固定部件的行程轨迹，得到修正后的运动连杆的行程轨迹。

35、进一步地，所述步骤21包括：

36、假设目标在k帧的坐标点为akf0＝(xkf0,ykf0)，则在金字塔顶层jn的坐标点为akfn＝(xkfn,ykfn)，从顶层jn向下一层jn-1的映射点为akf(n-1)＝(xkf(n-1),ykf(n-1))，逐层映射，直至找到金字塔底层j0的坐标点akf0＝(xkf0,ykf0)，即可完成搜寻目标，实现精准查询k帧的目标坐标；

37、假设固定部件为在k帧的坐标点为akb0＝(xkb0,ykb0)，则在金字塔顶层jn的坐标点为akbn＝(xkbn,ykbn)，则从顶层jn向下一层jn-1的映射点为akb(n-1)＝(xkb(n-1),ykb(n-1))，逐层映射，直至找到金字塔底层j0的坐标点akb0＝(xkb0,ykb0)，即可完成搜寻固定部件，实现精准查询k帧的固定部件坐标。

38、进一步地，所述步骤22包括：

39、k帧与k+1帧之间的运动连杆的行程轨迹为dkf：

40、

41、式中，(x(k+1)f0,y(k+1)f0)为目标在k+1帧的坐标点。

42、则目标在关键帧序列中的运动轨迹为：

43、df＝d1f+d2f…+dkf…+dnf (10)

44、通过对目标精准追踪获得运动连杆的行程轨迹df；

45、所述步骤22还包括：

46、则k帧与k+1帧之间的固定部件的行程轨迹为dkb：

47、

48、式中，(x(k+1)b0,y(k+1)b0)为目标在k+1帧的坐标点。

49、则固定部件在关键帧序列中的运动轨迹为：

50、db＝d1b+d2b…+dkb…+dnb (12)

51、通过精准追踪获得固定部件的行程轨迹db；

52、进一步地，所述步骤23包括：

53、修正后的运动连杆的行程轨迹为：

54、

55、其中，d为修正后的运动连杆的行程轨迹。

56、进一步地，所述步骤4包括：

57、若断路器的机械特性参数评估结果为合格，则弹出合格标志，并生成检测报告；若机械特性参数中的一项参数不合格，则发出一级预警信号，若两项参数不合格，则发出二级预警信号，若三相参数不合格即表明断路器出现严重故障，则发出特级预警信号；参数不合格后，生成检测报告，自动弹出不合格参数对比窗口，提醒检修人员进行相关处理。

58、进一步地，所述步骤1之前，还包括：

59、在断路器运动连杆前方安装监控摄像头，中央控制系统在断路器分合闸前发出开启拍摄指令，分合闸结束后发出开启关闭拍摄指令，视频图像上传至图像储存器。

60、参见图2，本发明还公开了一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测系统，实现上述任一项所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其包括：中央控制系统、视频图像获取子系统、数据分析子系和预警子系统；

61、中央控制系统用于控制和调用视频图像获取子系统、数据分析子系统华润预警子系统；

62、视频图像获取子系统包括用于获得断路器运动连杆的运动图像序列的监控摄像头和图像储存模块；图像储存模块用于存储监控摄像头获取的图像；数据分析子系统包括图像提取模块和图像处理模块；图像提取模块用于从图像储存模块中选取需要分析的图像视频，同时按帧选取要分析的运动连杆图像视频，并将图像传输至图像处理模块以对运动连杆的视频进行解析；

63、预警子系统包括参数评估模块和报警模块；参数评估模块用于对图像处理模块得到的机械特性参数进行评估，并将评估结果发送至报警模块，以确定是否进行预警。

64、由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

65、1.不需要安装传感器，采用监控摄像头进行非接触式测量，采用微型嵌入式处理器搭配基于labview开发的各部分系统，各系统采用tcp协议串口通信。

66、2.在对数据分析时，采用关键帧技术，减少图像解析工作量，在对目标追踪时采用修正测试方法，考虑断路器本体振动的影响，提高了测量精度，方便后续作出正确评估

67、3.实现人机交互功能，在发生故障预警后，及时提供解决策略和在断路器现场发出预警信号，及时提醒现场工作人员，并提供终端与现场工作人员的交流，方便终端进行指导和现场工作人员反馈，提高工作效率。

技术特征：

1.一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤1包括：

3.根据权利要求2所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤11包括：

4.根据权利要求1所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

5.根据权利要求4所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤21包括：

6.根据权利要求5所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤22包括：

7.根据权利要求6所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤23包括：

8.根据权利要求1所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

9.根据权利要求1所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，所述步骤1之前，还包括：

10.一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测系统，实现权利要求1-9任一项所述的基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法，其特征在于，包括：中央控制系统、视频图像获取子系统、数据分析子系和预警子系统；

技术总结
本发明公开了一种基于视觉技术的断路器机械特性参数修正监测方法及系统，该方法包括：图像提取模块提取断路器运动连杆的运动图像序列中关键帧；对关键帧中的运动连杆和固定部件追踪，分别得到运动连杆和固定部件的行程轨迹；基于运动连杆和固定部件的行程轨迹，得到修正后的运动连杆的行程轨迹；通过断路器分合闸测试加速度法对断路器动触头行程曲线求解，继而获得动触头速度曲线，即断路器速度特性曲线；根据分合闸运动连杆运动行程曲线与断路器速度特性曲线，得到断路器机械特性参数；将机械特性参数传输至预警子系统，预警子系统对断路器的机械特性参数进行评估。本发明能够准确有效修正断路器机械特性参数并及时发出预警。

技术研发人员：李勇,鲍明晖,彭华东,赵玉顺,刘蔚,王谦,宋伟,李佳俊,刘更昊,张媛,刘熊,陈正宇,余欣玺,赵紫宁
受保护的技术使用者：国网重庆市电力公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23