基于图像处理和光电传感技术的SF6气体在线监测系统设计*

尚秋峰，刘薇，毛训

（华北电力大学，河北 保定 071003）

0 引 言

在变电站中多采用SF6断路器，SF6断路器的绝缘性能和灭弧能力在很大程度上受到SF6气体的压力状态影响［1］。SF6气体压力不足将引起断路器拒动，造成严重的电力事故。传统的监测手段是通过机械式指针仪表来测量设备中SF6气体的密度，值班人员轮流定期查看，受人为和自然因素干扰大，操作繁琐，检测效率低。

目前对SF6气体监测多利用红外成像、声波速度差、负离子式检测原理，以上方法成本昂贵，而且需要修改高压设备，因此有必要寻找与一次系统无接触的低成本监测方法［2］。

文章提出利用光电传感技术、无线传输技术、仪表图像直读算法构建SF6气体在线监测系统。价格低廉，可以实时观察。利用数字图像处理技术，对所要研究的图像进行采集、转换、特征提取、算法分析、结果显示等操作［3］。本文中所要研究的是颜色特征明显的彩色仪表，彩色图像的信息丰富，基于彩色图像的分析处理可以保证检测速度和精度，并且检测方便。

提出了颜色强度的概念，来精确表示指针指示位置，可以避免各种仪表的颜色区域大小的不同、SF6压力表上的数值的大小不同等一系列的问题，具有普适性。

1 SF6气体在线监测系统结构

文中设计的SF6气体在线监测系统结构如图1所示。

图1 SF6气体在线监测系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of SF6 gas on-line monitoring system

该系统分为三个部分：

（1）SF6气体压力状态监测部分

系统通过摄像头采集 SF6仪表图像，由以STM32为核心的装置进行现场分析，通过仪表图像直读算法判断断路器的压力状态是处于正常、预警还是报警。

（2）监测数据无线传输部分

本系统采用 ZigBee无线通信技术［4］，STM32将压力信息发送给ZigBee模块，利用ZigBee模块的自组网络进行信息的传递。

（3）LabVIEW后台监测部分

应用串口通信功能，将作为协调器的ZigBee模块收到的压力信息通过串口传送到PC机上。通过PC机的LabVIEW软件界面实时显示压力状态［5］。PC机监测的数据可以保存，导出，显示。可以根据历史数据曲线对断路器的状态趋势作出判断。

系统的基本工作过程是：CMOS摄像头采集终端仪表图片，通过IO口传递给STM32模块进行图像处理，通过ZigBee模块将本终端的编号及其SF6压力表的信息打包通过ZigBee无线网络传递给控制室内的ZigBee接收模块。ZigBee接收模块将信息通过RS232传递给PC机，LABVIEW程序对接收到的信息分析，判断所接收到的信息是对应于哪个SF6压力表的哪种状态和具体强度，报警并显示。

2 仪表图像处理算法

本文在采集图像后，利用中值滤波法对图像预处理，减影法提取指针，对指针用最小二乘法直线拟合，利用两条不同位置指针确定表盘圆心位置，从而找到指针末端。根据指针末端邻域内的颜色信息判断是否需要报警，根据颜色强度描述指针的具体位置。

2.1 采光问题

系统通过STM32上的摄像头采集SF6仪表图像。考虑到实际使用中的采光问题，阳光照射引起的反光和光线暗都会影响成像质量，系统外加了一个旋转电机来驱动半圆的遮光片，并配有LED灯。图像采集时，系统的旋转电机将驱动遮光片旋转180°遮住阳光，减少反光对图像的影响，同时开启LED灯，采集图像完成后关闭LED灯，旋转电机至原位。LED灯在采集图像时提供照明辅助作用，在光线暗的时候尤其重要。

2.2 仪表图像的中值滤波处理

电力指针式仪表图像在获取过程中，由于各种因素的影响，往往包含大量的噪声，如果不做任何处理，噪声会使图像质量恶化，造成图像模糊，甚至淹没所需的特征［6］。对采集到的彩色图像采用中值滤波去噪。中值滤波的基本原理是把数字图像一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代替，让周围的像素值接近的真实值，从而消除孤立的噪声点。邻域一般称为窗口，当窗口在图像中上下左右进行移动后，利用中值滤波算法就可以很好地对图像进行平滑处理。

在二维图像时的中值滤波算法定义为：

式中W为平面窗口，m为窗口水平尺寸，n为窗口垂直尺寸（这里m，n为奇数），Xi，j为目标中心点的像素，坐标为（i，j）；以Yi，j为中心，窗口W范围内像素点灰度值的中值，即Xi，j的灰度值。

在对彩色图像中值滤波时，先将彩色像素分解为RGB分量分别中值滤波，再通过图像整合来复原彩色图像。

2.3 减影法指针提取

将两幅指针指示不同的图像做减运算。像素值相同的区域，相减后像素值为（0，0，0），显示为黑色背景。像素值不同的区域，相减后将像素值置为（255，255，255），显示为白色指针。这样即将表盘的背景减去，只留下不同位置处的指针［7］。将指针图像灰度化处理，采用动态阈值法对灰度图像进行图像分割，得到二值图像［8］。提取出的指针图像中仍然会包含噪声，包括背景区域中的孤立点。为了提高指针识别精度，对指针图像再进行中值滤波处理，滤除背景中的细小杂点［9］。

为了提高指针图像识别的精度和速度，采用中轴变换的方法对图像细化处理，得到单像素宽度的表盘指针图像。细化后的图像可以有效突出直线特征，减小冗余信息［10］。

2.4 最小二乘法指针拟合

最小二乘法是一种分析数据的常用方法，是在已知多组数据情况下构造经验公式的有效的数值方法。在将指针区域图像细化后，可以得到宽度为一的骨架图像，将各像素点的坐标值作为多组数据，由最小二乘法确定指针所在直线y＝ax+b。其中a，b为待定系数，a，b的选取应遵循使得离散像素点与拟合直线的距离的平方和最小。记做：

要确定Q（a，b）的最小值点，即求取Q（a，b）二元函数的驻点，可得下列方程：

解出这个方程组，即可确定最小二乘法直线拟合的系数a和b：

在X轴与待求的直线垂直时，数组中的所有像素点的横坐标都几乎相等。此时显然上述公式已经不能满足应用条件。所以在这种情况下，就对所有的横坐标求取平均值，直线方程表示为x＝c，c为横坐标的平均值。求出两条不同位置指针的直线方程后，求两条直线的交点，即为圆心。

2.5 颜色强度指针式识别法

确定圆心位置坐标（x0，y0）和指针直线方程y＝ax+b后，扫描指针，计算指针各像素点（xi，yi）到圆心（x0，y0）的距离使di最大的点即为指针末端。考虑到图像中可能存在噪声点，计算像素点偏离指针直线方程的动态范围Δi＝｜yi-（axi+b）｜，确定一个阈值T，当 Δi＜T时，像素点（xi，yi）有效。否则无效。根据指针末端像素点P坐标（x′，y′）和圆心坐标（x0，y0），可以利用距离法求出指针长端的长度R。已知圆的圆心坐标和半径，根据圆的参数方程x＝Rcosθ，y＝Rsinθ。以指针末端像素点 P的当前位置为起点，即θ＝0。顺时针方向θ＝-2°位置处像素点M即为指针右侧像素点，读取M和其八邻域像素点的像素值，将其取均值作为指针右侧的像素信息。逆时针方向θ＝2°位置处像素点N即为指针左侧像素点，读取N和其八邻域像素点的像素值，将其取平均作为指针左侧的像素信息。利用不同颜色区域像素点的RGB分量信息不同，判断像素点的颜色信息。例如若指针左侧和右侧都为红色，则判断指针落入红色区域。若指针左侧红色，右侧黄色，则说明指针刚好落在红色区域和黄色区域的分界线上。

一旦判断了指针所在的区域，则可以确定是否报警输出。若指针落在红色超标区域，则立即发出报警信号。

在对电力系统的日常监测中，仅仅知道各项设备是否出现了异常是远远不够的。为了准确把握设备的工作状态，在故障产生之前及时发现潜在趋势。本文利用颜色强度来表示指针示值。

根据表盘的特点，定义红色区域颜色强度为0～20，黄色区域颜色强度为20～40，红色区域颜色强度为40～100。

在判断表盘的时候，从指针位置出发，同时从顺时针逆时针两个方向以2°为步进单位进行扫描，判断当前位置像素点的颜色信息［6］。如果不同像素点的颜色信息相同，说明仍在同一个区域内。如果颜色信息发生改变，说明到达不同区域的交界处。记录下从逆时针，顺时针方向分别到达两条交界处所经历的角度大小α、β，代表指针与其所在区域始端的角度为α，与终端的角度为β。

如果指针落在红色区域，指针指示位置的颜色强度W计算如下：

如果指针落于黄色区域，指针指示位置的颜色强度W计算如下：

如果指针落于绿色区域，指针指示位置的颜色强度W计算如下：

采用颜色强度来表示彩色仪表指针指示位置，如果需要将仪表示数表示出来，只需要结合仪表不同颜色区域的刻度范围，在后台界面给出对应参数即可。该表示方法适用于不同的彩色仪表。

传统的指针识别算法一般基于Hough变换，运算量大，需要存储空间大。文中指针识别算法是基于最小二乘法运算和指针末端小区域像素点的统计，确定报警信息时只需要计算指针末端邻域内像素均值，根据颜色信息快速确定是否需要报警输出。运算量小，计算时间短，需要存储空间小，适合于嵌入式系统编程实现。可以在指针指示异常时快速识别出来，进而发出报警信号，使工作人员对故障及时处理。

3 无线传输模块

3.1 ZigBee无线通信网络

监测数据的传输选用ZigBee无线通信网络。ZigBee是介于无线标记技术与蓝牙技术之间的一种新兴的无线网络技术［11］，主要用于近距离无线连接和通信，其协议依据IEEE 802.15.4标准，通过无线电波以接力方式将数据在不同传感器间传送，使传感器之间实现相互协调的通信，通信效率高、所需硬件少，数据传输可靠，时延短，网络容量大。

3.2 系统通信机制

系统中数据的传输有主动发送方式和主动查询方式。在主动发送方式下，选取协调器作为时钟同步的根节点，在所有压力表的状态都刷新一遍后发送一次时钟同步信号。若有N台设备，要求每2个小时能完全刷新一次各个仪表的状态，这样120／N分钟便是每个设备的发送数据间隔，每台图像处理终端有各自的时间判断间隔t，每隔时间t判断一次仪表状态，并保存到状态寄存器，当各自的时间发送窗口到达时，就把对应的状态发送过去。当所有的压力表的状态接收到了一遍，协调器就发送一次时钟同步信号。

在主动查询状态下，被查询的设备收到查询指令后，将状态寄存器的内容立即发送到协调器，不再考虑时间窗口的限制。主动查询方式可以在需要的情况下很快的刷新监测数据，提高工作效率［12］。

3.3 系统通信距离测试

利用网络丢包率对系统通信的距离进行测试。在间隔一堵墙的情况下，从六个ZigBee模块，选取一个ZigBee发送模块，一个接收ZigBee模块，其余作为中间路由，以每10 s的间隔发送数据，结果如表1所示。

表1 有障碍物时通信距离测试Tab.1 Test of communication distance with obstacle

可见如果采用15m的间隔可以达到不丢失信息的要求。

4 LabVIEW后台监测软件

4.1 LabVIEW程序设计

后台的LABVIEW程序判断是否需要查询指定终端的状态，若需要，则发送查询指令到该终端并等待15 s，若没有返回数据，继续发送查询指令。如果无需查询，则每15 s判断是否需要查询，其余时间等待接收数据。一旦接收到数据，立即进行分析显示。

4.2 LabVIEW监测界面测试

将系统全部连上，ZIGBEE间隔取15 m对13台断路器进行实验室组网测试。当5号断路器为预警状态，压力强度显示为40时，后台显示如图2所示。

图2 断路器预警状态界面显示Fig.2 Interface display of circuit breaker in warning state

5 结束语

文章针对智能变电站中SF6断路器中的SF6气体压力状态检测问题，设计了基于图像处理和光电传感技术的SF6气体在线监测系统。该系统对SF6仪表进行监测，无需和一次设备直接接触，成本低，利用仪表图像直读算法，可以在压力状态异常时快速报警，并在后台直观的显示压力状态。