西安西电开关电气有限公司的研究人员张永强、郭诚、张豪俊、耿超鹏，在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文指出（论文标题为“基于图像识别技术的气体绝缘金属封闭开关设备中开关触头位置监测系统”），GIS设备结构复杂，长期运行过程中难免出现各种不可预见的机械故障，有可能出现开关触头的分合指示状态与触头实际的分合状态不相符或者是分合不到位的情况，而导致电气锁机制失效，如果在这种状态下操作GIS，就会产生高压开关操作事故。为了能够直接监测开关的分合状态，避免高压开关运行事故的出现，本文提出了基于图像识别技术的GIS中开关触头位置监测系统。

随着无人值守变电站管理模式的全面推广，在监控中心通过现有的电力通信网对所属变电站实现远程实时视频监控、远程故障和意外情况告警处理，可提高变电站运行和维护的安全性及可靠性，并可逐步实现电网的可视化监控和调度，使电网调控运行更为安全、可靠。

气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated metal enclosed switchgear and controlgear, GIS）开关的分合状态为开关设备的关键状态参数，实现对其的监测可提高GIS设备运行的安全性。

1 系统结构

GIS中开关触头位置监测系统采用3层结构，第一层为传感器层，安装在GIS本体上用于采集触头位置的图像信息；第二层为信息集成层，用于获取所有传感器的监测信息，并把监测信息传送的后台；第三层为后台监测层，用于处理所有传感器的信号，并通过图像识别手段，识别触头图像并进行数字化处理，实现对触头位置的自动监测与告警。系统结构图如图1所示。

1.1 传感器层

传感器层由安装在GIS外壳上面，正对开关触头位置的视频传感器组成，负责采集开关触头位置的视频图像信息，视频信息通过电缆传输到视频服务器上。传感器安装图如图2所示。

1.2 信息集成层

信息集成层由视频服务器和交换机组成，视频传感器数量为一个或者一个以上，传感器与视频服务器采用电缆相连接，视频服务器与交换机连接，交换机与后台系统连接。视频传感器安装在GIS壳体上的，通过观察窗采集GIS内部视频信号，然后通过电缆把视频模拟信号送入视频服务器，视频服务器把模拟视频数据转换为数字信号，并通过交换机使用TCP/IP（网络通信协议）把视频数据送入视频监测后台系统，后台系统通过解码和图像分析把监测画面及分析结果展现出来，并提供触头位置异常报警。

图1 系统结构图

图2 传感器安装位置示意图

1.3 后台监测层

后台监测层由数据服务器组成，负责处理、分析和管理视频数据，数据服务器通过网口与视频服务器相连接，如果有多个视频服务器，就需要使用网络交换机进行组网。视频监测后台系统可以接收多个视频服务器的信号，并对信号进行分析和处理，然后展现在以主接线为表现形式的人机交互界面上。该系统具有用户管理功能、视频解码功能、视频截图功能、视频录像功能、触头位置图像处理、位置异常报警和数据检索等功能。

2 关键技术研究

2.1 视频传感器设计

传感器要解决安装在GIS壳体上的密封和照明的问题，并采集GIS触头的视频信号进行编码和输出，实现对GIS壳体内部触头的视频监测，为GIS中开关触头位置监测提供了有效的监测手段。

GIS视频传感器包括传感器外壳、光学观察窗、连接法兰、接插件、CMOS感光芯片、MCU、光源模块、隔离电源模块、浪涌保护器和连接接插件。传感器壳体与光学观察窗采用螺纹连接，接插件安装在连接法兰上，使用螺钉把连接法兰和传感器壳体连接。

传感器的电子元件安装在传感器壳体内部，通过光学观察窗采集视频信号，并把信号通过接插件送出传感器壳体。GIS设备内部视频监感器的原理图如图3所示。视频传感器结构图如图4所示。

图3 视频传感器原理图

图4 视频传感器结构图

2.2 后台软件设计

GIS触头位置视频监测系统后台软件，包括主程序模块、用户管理模块、信息交互模块、数据管理模块、信号解码处理模块、信息采集模块和数据库等几个部分。图像信号通过TCP/IP协议传入，经过信号解码处理单元对视频信号进行分类和解码和图像识别，分析后的数据传入主程序模块；主程序模块负责协调整个系统的运行，它接受用户的登录和操作，协调视频信息的显示和存储，所有的监测信息都被保存在数据库中方便调用。软件原理图如图5所示。

GIS中开关触头位置监测系统采用主接线的形式实现对视频数据的管理，符合电力系统运行的一般要求。

图5 GIS触头位置视频监测系统原理图

2.3 触头图像识别算法研究

（1）图像识别计算过程

图6为触头图像处理原理图，详细地说明了触头图像的处理过程：①首先，在图像识别之前，需要预先获取合闸到位的标准合闸图像和分闸到位的标准分图像，然后对图像进行灰度处理，把图像转换为灰度图像；②其次，使用合闸灰度图像与分闸灰度图像进行求差处理，获得只有动触头的灰度图像；③最后，在获得触头灰度图像后，对灰度图像进行二值化处理，并进行滤波，获得触头二值化后的图像，再对触头二值化图像进行轮廓识别获取动触头轮廓图。触头图像处理的原理图如图7所示。

图6 触头图像处理原理图

图7 触头图像处理原理图

图8所示为高压开关触头合位标识线图。在触头合到位后，两条黑色的触头合到位标识线就会露出动触头屏蔽罩，通过识别这两条合位识别线，就可以确定触头是否合到位。

图8 合闸标识线

（2）关键计算方法

（3）图像求差分割

用触头图像与标准触头分图像进行求差处理，获得除去背景以外的触头的图像，并使用阀值法对图像进行二值化处理。处理效果如图9所示。

图9 图像求差分割过程

（4）提取轮廓

使用边界闭合求取触头轮廓技术，分别获得标准闭合图像的轮廓图、标准分图像的轮廓图和当前图像的轮廓图。并把轮廓图存储在内存中待用。

利用边界技术提取触头图像轮廓，主要分为两个步骤：①检测边缘点，采用一阶微分算子Roberts边缘检测算子进行边缘处理，分离出触头的图像；②组成目标边界，（使用梯度法连接边界）提取轮廓效果如图10所示。

图10 轮廓提取过程

（5）图像识别

根据当前触头图像的轮廓图与标准合时的轮廓图进行对比，得到当前触头的分合状态，并输出分析结果，计算方法如图11所示。

（6）标识线识别方法

标识线识别方法采用上述（1）—（4）的计算方法，计算方式和识别效果如图12所示。

3 系统应用

该系统已经在GIS项目上进行了应用，可实现对隔离开关、接地开关和快速接地开关触头位置的实时监测和告警，可满足现场运行需求。图13为传感器安装图。图14为后台软件监测画面。

图11 计算结果

图12 标识线的计算方法

图13 传感器安装图

图14 后台软件监测画面

结论

本文通过使用视频监测技术、图像识别技术、网络技术和计算机技术，实现了对GIS设备的触头位置的实时监测和告警，为GIS设备触头位置分合异常监测提供了有效的监测方法。