專利名稱：基于圖像識(shí)別的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，更具體地說(shuō)是基于圖像識(shí)別技術(shù)的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)智能變電站運(yùn)行情況的自動(dòng)化管理。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)自動(dòng)化建設(shè)發(fā)展越加完善，尤其是在變電站的安全防范方面，廣泛采用了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和圖像處理等技術(shù)，實(shí)施了諸如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)以及消防系統(tǒng)等等，這些子系統(tǒng)有機(jī)組成了變電站安防輔助系統(tǒng)。傳統(tǒng)的變電站安防輔助系統(tǒng)受傳統(tǒng)理念和技術(shù)的影響，將變電站的視頻信息全部直接傳送到中心站或應(yīng)急平臺(tái)，這樣就造成幾十路甚至數(shù)百路的視頻圖像需要監(jiān)控，僅依靠人力是不可能實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)控的，而且視覺(jué)的疲勞和人力的懈怠易導(dǎo)致事故發(fā)生而無(wú)法被捕捉到，更無(wú)法被預(yù)防。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于圖像識(shí)別的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)代圖像切割與識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)柜上各指示燈、壓板及開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，然后通過(guò)61850規(guī)約將識(shí)別出來(lái)的相關(guān)狀態(tài)上送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)智能變電站運(yùn)行情況的自動(dòng)化管理。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明基于圖像識(shí)別的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)是設(shè)置—圖像采集單元，利用高頻光源照亮智能變電站開(kāi)關(guān)柜面板，用攝像機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)柜面板進(jìn)行圖像采集，獲取包括有斷路器指示燈、壓板和旋鈕開(kāi)關(guān)的面板采集圖像，根據(jù)已標(biāo)定的器件區(qū)域位置得到器件區(qū)域圖像，所述器件區(qū)域圖像是指包括有一組指示燈，或一組壓板，或一組開(kāi)關(guān)的器件所在區(qū)域的圖像；二圖像識(shí)別單元，對(duì)所述圖像采集單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的器件區(qū)域圖像進(jìn)行處理和識(shí)別；所述圖像識(shí)別單元包括幾何校正模塊、器件切割模塊、光照評(píng)估模塊、特征測(cè)量模塊和狀態(tài)判定模塊；其中所述幾何校正模塊，對(duì)輸入的器件區(qū)域圖像進(jìn)行幾何校正，通過(guò)空間變換和灰度插值算法，去除因攝像機(jī)成像平面與開(kāi)關(guān)柜平面角度偏差而帶來(lái)的圖像畸變，從而獲得標(biāo)定的器件區(qū)域圖像；所述器件切割模塊，對(duì)所述標(biāo)定的器件區(qū)域圖像進(jìn)行切割，獲得每一單個(gè)器件的器件圖像；針對(duì)因器件亮度與器件周邊背景的亮度存在差異，而在器件區(qū)域圖像灰度直方圖中表現(xiàn)出的雙峰樣式，通過(guò)分水嶺算法計(jì)算出灰度直方圖中兩峰之間的谷點(diǎn)，將所述谷點(diǎn)作為閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，再對(duì)二值化后的圖像做水平和垂直兩個(gè)方向上的投影，根據(jù)投影信息，獲取每個(gè)器件在水平和垂直方向上的坐標(biāo)范圍，從而將器件圖像從器件區(qū)域圖像中切割出來(lái)；所述光照評(píng)估模塊，根據(jù)各個(gè)器件圖像的亮度特征值，給出能夠滿足正確識(shí)別圖像的亮度上限值和下限值，并以所述上限值和下限值作為閾值，在器件圖像的亮度值處在閾值范圍內(nèi)時(shí)，判定為光照正常，反之給出光照異常的提示或告警；所述特征測(cè)量模塊，針對(duì)斷路器指示燈、壓板和旋鈕開(kāi)關(guān)，分別選取燈圖像平均亮度-對(duì)比度聯(lián)合特征、壓板圖像壓鈕區(qū)域飽和度-重心聯(lián)合特征，以及開(kāi)關(guān)圖像扳手區(qū)域平均亮度-重心聯(lián)合特征進(jìn)行狀態(tài)描述，獲取現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量；所述狀態(tài)判定模塊，基于預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器件圖像特征向量，與所述現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量進(jìn)行距離計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為器件狀態(tài)的判定依據(jù)。本發(fā)明通過(guò)攝像頭對(duì)智能變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)柜上的斷路器指示燈以及壓板、旋鈕開(kāi)關(guān)等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采集監(jiān)控器件所在區(qū)域的圖像，再運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)獲得各指示燈、壓板及開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，通過(guò)61850協(xié)議將識(shí)別出來(lái)的相關(guān)狀態(tài)上送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能變電站運(yùn)行情況的自動(dòng)化管理。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明融合了變電站視頻監(jiān)控、安全防范以及圖像識(shí)別的功能于一體，實(shí)現(xiàn)了變電站智能安防領(lǐng)域中視頻，動(dòng)力系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，具有極強(qiáng)的實(shí)用性；2、本發(fā)明基于智能圖像識(shí)別技術(shù)，充分利用了高精度的識(shí)別算法，可同時(shí)對(duì)指示燈，壓板，旋鈕開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和判斷，識(shí)別系統(tǒng)基本不受環(huán)境，照度，季節(jié)，識(shí)別對(duì)象的位置等因素的影響，識(shí)別成功率達(dá)到99% ；3、本發(fā)明采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IEC61850通訊規(guī)約，在該規(guī)約的支持下，能將圖像識(shí)別后的指示燈的狀態(tài)，壓板的狀態(tài)，旋鈕開(kāi)關(guān)的位置以數(shù)字信號(hào)的型式上送到變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，完全適應(yīng)智能化變電站的發(fā)展需要；4、本發(fā)明基于的圖像識(shí)別算法簡(jiǎn)單可靠，運(yùn)算量小，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，從指示燈變位到識(shí)別成功，上送到后臺(tái)監(jiān)控的時(shí)間小于1秒；5、本發(fā)明可以為變電站運(yùn)行人員提供最直觀的輔助判據(jù)，當(dāng)運(yùn)行人員利用計(jì)算機(jī)操作實(shí)際線路斷路器或開(kāi)關(guān)時(shí)，除了通過(guò)測(cè)控裝置的返回值來(lái)判斷操作成功與否外，還可以通過(guò)本發(fā)明的視頻監(jiān)控界面和圖像識(shí)別的返回值進(jìn)行判斷，綜合使用多種判據(jù)有利于提高變電站操作運(yùn)行的安全性；6、本發(fā)明不需要額外的硬件配置，只需在原有的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中增加軟件功能即可，每臺(tái)攝像機(jī)可以識(shí)別多個(gè)對(duì)象的狀態(tài)，降低了成本，提高了效率。


圖1為變電站開(kāi)關(guān)柜面板；圖2為智能安防輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；圖4為狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)圖像識(shí)別流程圖；圖中標(biāo)號(hào)1開(kāi)關(guān)柜面板；2斷路器指示燈；3壓板；4旋鈕開(kāi)關(guān)。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中基于圖像識(shí)別的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是變電站智能安防輔助系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，后者還包含了門禁子系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)溫濕度的環(huán)境子系統(tǒng)，監(jiān)控空調(diào)等設(shè)備的動(dòng)力子系統(tǒng)，消防子系統(tǒng)，防盜子系統(tǒng)以及涉及變電站安全防范的其他子系統(tǒng)。智能安防輔助系統(tǒng)通過(guò)整體的存儲(chǔ)和通信架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)。另外，該系統(tǒng)還可以通過(guò)對(duì)外的通訊接口與變電站其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)是智能安防輔助系統(tǒng)的核心，它包括圖像采集單元及圖像識(shí)別單元。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2。智能變電站運(yùn)行人員對(duì)實(shí)際線路斷路器的常規(guī)控制主要是由后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)IEC61850規(guī)約向變電站內(nèi)的測(cè)控裝置發(fā)送斷路器分合信號(hào)，然后測(cè)控裝置遙控?cái)嗦菲鬟M(jìn)行分合，同時(shí)將斷路器分合后的結(jié)果返回到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。在這里，運(yùn)行人員只能通過(guò)這一途徑獲取操作是否成功的信息。變電站開(kāi)關(guān)柜面板示意圖參見(jiàn)圖3。在引入狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)后，運(yùn)行人員在通過(guò)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)向測(cè)控裝置發(fā)送控制命令的同時(shí)，也會(huì)向智能安防輔助系統(tǒng)發(fā)送控制命令信息。 安防輔助系統(tǒng)命令狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中的圖像采集單元用攝像機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)柜面板1進(jìn)行圖像采集，獲取包括有斷路器指示燈2、壓板3和旋鈕開(kāi)關(guān)4的面板采集圖像，根據(jù)已標(biāo)定的器件區(qū)域位置得到器件區(qū)域圖像，器件區(qū)域圖像是指包括有一組指示燈，或一組壓板，或一組開(kāi)關(guān)的器件所在區(qū)域的圖像。然后，一方面將視頻圖像傳送到狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的視頻子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，使運(yùn)行人員能直觀的看到斷路器分合指示燈的情況，另一方面，將拍攝并存儲(chǔ)下來(lái)的圖像傳送給圖像識(shí)別單元，對(duì)指示燈、壓板和旋鈕開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，把識(shí)別后的結(jié)果以數(shù)字信號(hào)的形式通過(guò)IEC61850規(guī)約送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，使運(yùn)行人員結(jié)合多種途徑來(lái)確定本次操作的結(jié)果，提高了變電站操作運(yùn)行的安全性和可靠性。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中圖像識(shí)別單元的流程如圖4所示，根據(jù)對(duì)開(kāi)關(guān)柜的監(jiān)控要求，攝像機(jī)獲取開(kāi)關(guān)、指示燈等目標(biāo)對(duì)象的圖像后，則立即送入圖像識(shí)別單元，圖像識(shí)別單元主要包括幾何校正模塊、器件切割模塊、光照評(píng)估模塊、特征測(cè)量模塊和狀態(tài)判定模塊。其中幾何校正模塊對(duì)輸入的器件區(qū)域圖像進(jìn)行幾何校正，通過(guò)空間變換和灰度插值算法，去除因攝像機(jī)成像平面與開(kāi)關(guān)柜平面角度偏差而帶來(lái)的圖像畸變?？臻g變換用于將傾斜的坐標(biāo)系(傾斜的器件圖像)通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移變換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)化成一個(gè)4*4的矩陣乘操作和一個(gè)1*4的向量加操作；灰度插值算法對(duì)空間變換后的非整數(shù)坐標(biāo)點(diǎn)上的灰度 (R、G、B三個(gè)分量)進(jìn)行估算，從而獲得標(biāo)定的器件區(qū)域圖像。器件切割模塊對(duì)標(biāo)定的器件區(qū)域圖像進(jìn)行切割，獲得每一單個(gè)器件的器件圖像； 針對(duì)因器件亮度與器件周邊背景的亮度存在差異，而在器件區(qū)域圖像灰度直方圖中表現(xiàn)出的雙峰樣式，通過(guò)分水嶺算法計(jì)算出灰度直方圖中兩峰之間的谷點(diǎn)，將谷點(diǎn)作為閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，再對(duì)二值化后的圖像做水平和垂直兩個(gè)方向上的投影，根據(jù)投影信息，獲取每個(gè)器件在水平和垂直方向上的坐標(biāo)范圍，從而將器件圖像從器件區(qū)域圖像中切割出來(lái)；光照評(píng)估模塊根據(jù)各個(gè)器件圖像的亮度特征值，給出能夠滿足正確識(shí)別圖像的亮度上限值和下限值，并以上限值和下限值作為閾值，在器件圖像的亮度值處在閾值范圍內(nèi)時(shí)，判定為光照正常，反之給出光照異常的提示或告警；關(guān)于特征測(cè)量模塊，由于器件的狀態(tài)是通過(guò)相關(guān)特征反映的，所以必須合理地選取圖像的特征，然后對(duì)每塊器件圖像進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，從而獲取相應(yīng)的特征值。針對(duì)斷路器指示燈、壓板和旋鈕開(kāi)關(guān)，分別選取燈圖像平均亮度-對(duì)比度聯(lián)合特征、壓板圖像壓鈕區(qū)域飽和度-重心聯(lián)合特征，以及開(kāi)關(guān)圖像扳手區(qū)域平均亮度-重心聯(lián)合特征進(jìn)行狀態(tài)描述，獲取現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量，這些特征相對(duì)于各自的器件除了具有較強(qiáng)的抗噪能力，還具備旋轉(zhuǎn)不變性以及易于計(jì)算的特點(diǎn)； 狀態(tài)判定模塊是基于預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器件圖像特征向量，與現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量進(jìn)行距離計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為器件狀態(tài)的判定依據(jù)。
權(quán)利要求
1.基于圖像識(shí)別的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是設(shè)置 一圖像采集單元，利用高頻光源照亮智能變電站開(kāi)關(guān)柜面板(1)，用攝像機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)柜面板(1)進(jìn)行圖像采集，獲取包括有斷路器指示燈O)、壓板C3)和旋鈕開(kāi)關(guān)(3)的面板采集圖像，根據(jù)已標(biāo)定的器件區(qū)域位置得到器件區(qū)域圖像，所述器件區(qū)域圖像是指包括有一組指示燈，或一組壓板，或一組開(kāi)關(guān)的器件所在區(qū)域的圖像；二圖像識(shí)別單元，對(duì)所述圖像采集單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的器件區(qū)域圖像進(jìn)行處理和識(shí)別；所述圖像識(shí)別單元包括幾何校正模塊、器件切割模塊、光照評(píng)估模塊、特征測(cè)量模塊和狀態(tài)判定模塊；其中所述幾何校正模塊，對(duì)輸入的器件區(qū)域圖像進(jìn)行幾何校正，通過(guò)空間變換和灰度插值算法，去除因攝像機(jī)成像平面與開(kāi)關(guān)柜平面角度偏差而帶來(lái)的圖像畸變，從而獲得標(biāo)定的器件區(qū)域圖像；所述器件切割模塊，對(duì)所述標(biāo)定的器件區(qū)域圖像進(jìn)行切割，獲得每一單個(gè)器件的器件圖像；針對(duì)因器件亮度與器件周邊背景的亮度存在差異，而在器件區(qū)域圖像灰度直方圖中表現(xiàn)出的雙峰樣式，通過(guò)分水嶺算法計(jì)算出灰度直方圖中兩峰之間的谷點(diǎn)，將所述谷點(diǎn)作為閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化，再對(duì)二值化后的圖像做水平和垂直兩個(gè)方向上的投影，根據(jù)投影信息，獲取每個(gè)器件在水平和垂直方向上的坐標(biāo)范圍，從而將器件圖像從器件區(qū)域圖像中切割出來(lái)；所述光照評(píng)估模塊，根據(jù)各個(gè)器件圖像的亮度特征值，給出能夠滿足正確識(shí)別圖像的亮度上限值和下限值，并以所述上限值和下限值作為閾值，在器件圖像的亮度值處在閾值范圍內(nèi)時(shí)，判定為光照正常，反之給出光照異常的提示或告警；所述特征測(cè)量模塊，針對(duì)斷路器指示燈、壓板和旋鈕開(kāi)關(guān)，分別選取燈圖像平均亮度-對(duì)比度聯(lián)合特征、壓板圖像壓鈕區(qū)域飽和度-重心聯(lián)合特征，以及開(kāi)關(guān)圖像扳手區(qū)域平均亮度-重心聯(lián)合特征進(jìn)行狀態(tài)描述，獲取現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量；所述狀態(tài)判定模塊，基于預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器件圖像特征向量，與所述現(xiàn)場(chǎng)器件圖像特征向量進(jìn)行距離計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為器件狀態(tài)的判定依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于圖像識(shí)別的智能變電站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是通過(guò)攝像頭對(duì)智能變電站內(nèi)開(kāi)關(guān)柜上的斷路器指示燈以及壓板、旋鈕開(kāi)關(guān)等的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采集監(jiān)控器件所在區(qū)域的圖像，再運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)獲得各指示燈、壓板及開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，通過(guò)61850協(xié)議將識(shí)別出來(lái)的相關(guān)狀態(tài)上送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能變電站運(yùn)行情況的自動(dòng)化管理。
文檔編號(hào)H02J13/00GK102412627SQ201110386280
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月29日
發(fā)明者何鳴, 余娟, 況偉, 劉進(jìn)進(jìn), 張庚生, 楊建旭, 王成進(jìn), 王皓 申請(qǐng)人:安徽繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限責(zé)任公司