CN111025137A - 敞开式隔离开关状态感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种敞开式隔离开关状态感知装置，用于识别敞开式隔离开关的分合状态，敞开式隔离开关状态感知装置包括：深度摄像仪和处理单元；深度摄像仪用于拍摄敞开式隔离开关的深度图像；处理单元与深度摄像仪相连接，用于基于深度图像识别敞开式隔离开关的分合状态并输出包含识别结果的识别信号。本发明能够对敞开式隔离开关的开合状态进行监测，具有易于实施，有效可靠、适用面广、改造成本低、运行维护简单等优点。

Description

敞开式隔离开关状态感知装置

技术领域

本发明属于电力设备状态监测和自动化控制领域，具体涉及一种用于实现变电站内设备的远程快速操作和智能化运维所需的敞开式隔离开关状态感知装置。

背景技术

倒闸操作是变电站运行维护工作中最常见的操作类型。随着科技的发展，倒闸操作开始逐渐向“一键顺控”模式过渡。所谓的一键顺控，指的是在远方通过程序化指令遥控变电站设备。与传统的现场操作模式相比，一键顺控实现了远程操作，不需要运维人员往返于变电站之间，因此操作时间短，对电网的影响较小；实现了程序化控制，因此误操作风险小，且操作简单，极大地降低了人力成本。因此，倒闸操作的一键顺控是未来变电站的发展方向。

倒闸操作一般通过分合断路器和隔离开关(刀闸)来改变设备状态。以断路器间隔由运行改冷备用的操作为例，对于如图1所示的断路器间隔，其程序化操作逻辑如图2所示。

可以看到，在每一次断路器/隔离开关动作过后，都需要确认其是否动作到位。这一步骤是十分重要的，因为不论是断路器还是隔离开关，理论上都存在着拒动或者是动作不到位的情况，此时若不加确认就进行下一步操作，则很可能导致带负荷拉合刀闸等严重的误操作事故。在人工倒闸操作中，断路器和隔离开关状态的确认通常通过目视进行，而在一键顺控模式中，这一步骤则需要通过其他手段来实现。

对于断路器而言，由于其机械部件通常是密封的，运行环境较为稳定，本身出现拒动的概率较低，且由于断路器动作通常伴随着电压电流的变化，通过监测线路上的电压电流就可以较为容易地判断断路器的分合状态。

隔离开关分为敞开式和封闭式(GIS)两种。其中GIS隔离开关的运行较为稳定，使用本身的状态感知手段即可较为有效地进行状态监控，故本文不作讨论，以下论述均针对敞开式隔离开关(若不特别标注，下文中的隔离开关均指代敞开式隔离开关)。

敞开式的隔离开关在电网中的数量十分庞大，而由于其机械部件暴露在外，长期运行下的可靠性难以保证，出现分合不到位的概率相对较高，且由于隔离开关通常是在无电状态下操作，其状态改变通常无法通过线路的电压电流变化来反映，因此敞开式隔离开关的状态感知就成了实现变电设备一键顺控的瓶颈。

目前对隔离开关的状态感知方法主要有三种：

1)辅助触点法

在隔离开关的操动机构上的辅助触点为一系列与刀闸触头联动的小开关，当刀闸产生变位时，会带动辅助触点发生变位。通过检测辅助触点的开合情况，即可反映刀闸本身的变位情况。这一方法的优点是实现极为简单，不需要添加任何辅助设备，直接利用现有的装置即可实现，成本低廉且不影响设备固有的运行状态。

但是，辅助触点法毕竟只是一种间接的测量方法，并不能完全保证结果的准确性。现场运行经验表明，因机械原因导致辅助节点信号与刀闸实际位置不一致的情况较为常见。例如，当刀闸的触头由于机械故障无法合到位时，辅助触点却可能已处于闭合状态。此时若进行送电，则可能造成刀闸触头因接触不良而发热，严重者可能导致设备的损害甚至电网事故。

2)压力法

隔离开关的触头之间通常使用插接或压接的方式相连，在触头连接处通常装有弹簧来保证接触的可靠性。在接触弹簧上安装压力传感器，通过检测弹簧压力的变化，即可反映隔离开关的开闭情况。这一方法的优点是可以从机械角度较为直接地监测刀闸触头接触的可靠性，避免了接触不良导致的触头发热问题的产生。

但是，压力传感器虽然能够较好地反映隔离开关合闸后接触是否可靠，却无法反映分闸过程是否到位。若分闸不到位导致绝缘距离不够，则有可能造成触头间气隙被击穿，引起严重的设备和人身事故。同时由于安装于隔离开关上的压力传感器工作环境均为户外，温湿度差异和其它环境因素差异较大，从而导致压力传感器的测量结果及其不稳定，误传感的情况时有发生。此外，由于压力传感器需要安装在触头上，对于运行中的设备需要停电后方可进行改造，改造成本较高，且在高压端只能采用电池供电，给长期维护带来了很大的困难。

3)角度法

隔离开关通常通过旋转触头臂的方法实现分合，因此可以在触头臂的转轴上加装角度传感器，通过触头臂的角度变化监测刀闸的分合状态。相对于压力法而言，理想情况下，角度法既能够有效地反映合闸的情况，也能够感知分闸是否到位。

但是，由于机械加工的精度问题，现实中隔离开关的分合位置并不一定在严格的0°和90°方位上。即便对于同一型号的设备，不同批次、不同个体之间仍然存在差异。更有甚者，在户外长期运行的条件下，刀闸的机械位置精度会逐步下降，对于同一个刀闸，不同次操作时也会有一定的分散性，这就给角度传感器的判定造成了很大的困难，尤其是对于合闸可靠性的判断，存在误判的可能性。此外，由于安装位置的限制，角度传感器同样面临安装维护成本高、供电困难等问题。

隔离开关的分合状态感知，本质上是要解决两个基本问题：1)能够有效地判断合闸是否到位，避免刀闸在运行过程中因触头接触不良而导致发热；2)能够有效地判断分闸是否到位，避免因分闸后绝缘距离不够导致隔离开关的气隙被击穿。

此外，由于现役隔离开关设备数量庞大，考虑到成本原因，状态监测的实现必然只能通过改造现有设备完成。出于安全性和成本考虑，这一过程应当尽量在不停电的状态下完成，且不应当影响原设备的正常运行。另外，加装设备应保证有较高的可靠性和持续的能源供给，降低运行维护成本。

综上，现阶段已有的几种监测方法中，辅助触点法只能通过辅助触点的开闭间接判断刀闸的分合情况，其判断结果并不可靠；压力法只能判断合闸是否到位，却不能判断分闸的到位情况；角度法因机械结构的分散性导致调式较为困难，且存在误判的可能性。并且，后两种方法由于安装位置的限制，无法在不停电的条件下完成改造，且只能通过电池供电，无法满足长期稳定运行的要求。

由于存在上述问题，目前变电站现场尚不具备准确而有效地对刀闸状态进行自动化远程感知的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够简单、有效、可靠地监测敞开式隔离开关状态，且易于改造实施的敞开式隔离开关状态感知装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种敞开式隔离开关状态感知装置，用于识别敞开式隔离开关的分合状态，所述敞开式隔离开关状态感知装置包括：

深度摄像仪，所述深度摄像仪用于拍摄所述敞开式隔离开关的深度图像；

处理单元，所述处理单元与所述深度摄像仪相连接，用于基于所述深度图像识别所述敞开式隔离开关的分合状态并输出包含识别结果的识别信号。

优选的，所述深度摄像仪借助红外光构建所述深度图像。

优选的，所述深度摄像仪对应所述敞开式隔离开关的刀闸断口设置。

优选的，所述处理单元依据所述深度图像中呈现出的所述敞开式隔离开关的两个触头臂之间所成角度或所述敞开式隔离开关的触头之间的空隙识别所述敞开式隔离开关是否合闸到位；所述处理单元依据所述深度图像中呈现出的所述敞开式隔离开关的两个触头之间的绝缘距离以及所述敞开式隔离开关的触头臂相对于合闸位置的夹角识别所述敞开式隔离开关是否分闸到位。

优选的，所述敞开式隔离开关状态感知装置包括一台所述深度摄像仪和一个所述处理单元，或者所述敞开式隔离开关状态感知装置包括与各个所述敞开式隔离开关一一对应设置的若干台所述深度摄像仪和与所述深度摄像仪一一对应设置的若干个所述处理单元，或者所述敞开式隔离开关状态感知装置包括与各个所述敞开式隔离开关一一对应设置的若干台所述深度摄像仪和分别与各台所述深度摄像仪连接的一个所述处理单元。

优选的，所述处理单元与变电站内的隔离开关测控终端通信连接，并将所述识别信号作为遥信信号传输给所述隔离开关测控终端，所述隔离开关测控终端接入所述变电站的监控网络。

优选的，所述监控网络包括与所述隔离开关测控终端通信连接的变电站监控主机，所述处理单元与所述变电站监控主机通信连接并向所述变电站监控主机转发所述深度图像。

优选的，所述处理单元与所述变电站监控主机通过光纤通信连接。

优选的，所述变电站监控主机与监控主站通信连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够对敞开式隔离开关的开合状态进行监测，具有易于实施，有效可靠、适用面广、改造成本低、运行维护简单等优点。

附图说明

附图1为断路器间隔示意图

附图2为断路器程序化倒闸操作流程图。

附图3为深度图像的测量原理图。

附图4为深度图像示意图。

附图5为110kV敞开式隔离开关示意图。

附图6为敞开式隔离开关合闸到位时的深度图像。

附图7为敞开式隔离开关合闸不到位时的深度图像。

附图8为敞开式隔离开关分闸到位时的深度图像。

附图9为敞开式隔离开关分闸不到位时的深度图像。

附图10为敞开式隔离开关状态感知装置接入变电站监控网络的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：对于隔离开关分合情况的最有效判断方法是通过目视触头位置进行判断，这也是目前现场普遍采用且最广为接受的判断方法。但在远程状态监控中，显然不能再依靠人眼目视作为判据。近年来，随着人工智能的不断发展，计算机视觉已经能够在很多方面代替人眼识别，而在此应用场景中，可以考虑在刀闸的合适位置加装光学摄像头，结合图像识别技术实现刀闸位置的有效感知。

目前普遍采用的图像识别使用的是二维可见光图像，其优势在于能够较好地还原被测物体的形状和色彩，但对于物体间的空间位置关系则不敏感，会导致后续图像处理时的算法复杂度较高。对于隔离开关的位置检测而言，其主要关注的是刀闸触头的相对位置变化，且由于装置需要实时监控刀闸的变位情况，要求图像处理的算法较为简洁，以保证计算结果的实时性，因此上述的二维可见光图像识别技术在本场景中的适用性不高。

基于此，设计了一种新型的敞开式隔离开关状态感知装置，它包括深度摄像仪和处理单元。深度摄像仪用于拍摄敞开式隔离开关的深度图像。处理单元与深度摄像仪相连接，用于基于深度图像识别敞开式隔离开关的分合状态并输出包含识别结果的识别信号。

该方案中，采用深度图像来代替二维可见光图像。深度图像的测量原理如附图3所示。深度图像利用的是视差原理，故需要两个镜头，对于被视物上的某一点，两个镜头对其视角分别为α和β，则可计算出该点与视平面之间的距离d为：

据此可求得被视物上所有点与视平面之间的距离，从而得到如图4所示的深度图像。深度图像中使用不同的颜色表示该点与视平面之间的距离。从图中可见，深度图像上忽略了物体本身的颜色等次要属性，但完整地保留了被视物的横截面坐标和纵向深度，从而能够简明地反映出被视物的位置信息，基于深度图像对物体位置进行识别的算法复杂度也得以大大降低。

此外，由于不需要获取被视物的真实外观，深度摄像仪通常借助红外光构建深度图像。由于一切高于绝对零度的物体都会自发地向外辐射红外线，故即便在黑暗环境中也能够得到被视物的深度图像。

对于隔离开关状态感知的应用场景，将深度摄像仪安装到合适的位置，就能实现刀闸位置的实时监控。下面以一个典型的隔离开关为例说明其使用方法。图5所示为一种常用的110kV敞开式隔离开关，其采用中开式结构，两个触头位于两个独立的套管支柱上，断口位于中间位置。图示为刀闸的合闸位置，在分闸时两个触头分别向同一侧转动，形成明显的断口。对于此类刀闸，可将深度摄像仪11安装于断口正下方的底座上，使镜头对准刀闸断口，即深度摄像仪11对应敞开式隔离开关的刀闸断口设置，从而拍摄刀闸断口处的深度图像。

当刀闸触头处于不同的状态时，可在摄像仪上生成不同的深度图像，如图6至图9所示。从图中可见，隔离开关在不同的状态下的触头位置呈现出较为明显的差异。因此，在处理单元中，在判断识别敞开式隔离开关合闸是否到位时，可以依据深度图像中呈现出的敞开式隔离开关的两个触头臂之间所成角度或敞开式隔离开关的触头之间的空隙等进行判别；在判断识别敞开式隔离开关分闸是否到位时，可以依据深度图像中呈现出的敞开式隔离开关的两个触头之间的绝缘距离以及敞开式隔离开关的触头臂相对于合闸位置的夹角等进行判别。

对于敞开式隔离开关而言，由于需要保持足够的绝缘距离，因此导电杆与其他设备之间都有一定的空间距离，这使得站内的其他设备作为背景，在深度图像上体现为单一的色块，与敞开式隔离开关界限明显。因此，用该装置能够比较容易地从图像中提取出被视物的轮廓，并从中找出判别所需要使用的关键点，从而实现隔离开关状态的感知。

图6至图9展示的是中开式隔离开关的深度图像。事实上，对于几乎所有形式的敞开式隔离开关结构，例如伸缩式、双端口式、单臂旋转式等，只要安装位置合适，都可以得到前景和背景分离明显，且不同状态容易区分的深度图像。因此，使用该装置对隔离开关进行状态感知具有很强的普适性。

基于上述基本方案可知，若对一个敞开式隔离开关进行开关状态感知，则装置包括一台深度摄像仪和一个处理单元即可。若对变电站中若干敞开式隔离开关进行开关状态感知，该装置既可以包括与各个敞开式隔离开关一一对应设置的若干台深度摄像仪和与深度摄像仪一一对应设置的若干个处理单元，也可以包括与各个敞开式隔离开关一一对应设置的若干台深度摄像仪和分别与各台深度摄像仪连接的一个处理单元。

如附图10所示，该敞开式隔离开关状态感知装置包括多台深度摄像仪和一个分布式的处理单元。并且，处理单元与变电站内的隔离开关测控终端通信连接，并将识别信号作为遥信信号传输给隔离开关测控终端，隔离开关测控终端接入变电站的监控网络。监控网络包括与隔离开关测控终端通信连接的变电站监控主机，处理单元与变电站监控主机通过光纤通信连接并向变电站监控主机转发深度图像。变电站监控主机与监控主站通信连接。

该方案中，在隔离开关的每一相上都安装有深度摄像仪，其采集得到的图像通过光纤汇集到分布式处理单元上。分布式处理单元通过内置的图像处理算法将深度图像解析为刀闸的分合信息，然后作为遥信信号之一传输给刀闸的测控终端，再接入变电站的监控网络。另一方面，分布式处理单元可以直接将深度摄像仪采集得到的图像通过光纤转发给变电站监控主机，作为变电站视频监控的一部分用于对状态判断存疑的刀闸进行人工判别。

对于变电站监控网络而言，所需要新增的设备即为图10中虚线框内的部分，并只增加了相应的遥测信号，而不改变原有的监控网络的运行，因此改造的成本与影响较小。

由于使用深度图像进行状态感知的算法复杂度较低，上述方案中采用分布式处理单元即可满足算力要求。若算力仍有富余，可使用一个处理单元集中处理多个刀闸的图像，然后将变位信息分发给各自刀闸的测控终端，从而进一步降低成本。

本发明的有益效果在于：

(1)可靠性高。隔离开关状态感知的可靠性会极大程度地影响一键顺控系统的稳定性，防止出现误操作事故。传统的状态感知方法中，辅助触点法和角度法易受机械结构老化的影响，可靠程度不高；压力法只能检测合闸而无法判断分闸情况。本发明中提出的基于深度图像识别的感知方法能够有效地分离刀闸触头和背景图像，对于触头在不同状态下的形式区别具有很高的识别度，且由于其独立于刀闸的机械结构，因此不受刀闸本体结构老化的影响。此外，本方法在自动识别系统之外还能够直接给出深度图像，为人工识别提供影像学依据。

(2)适用面广。现有感知方法中，压力法只适用于触头位置有压接弹簧的刀闸，而角度法只适用于旋转式的隔离开关。而本发明中提出的感知方法由于独立于刀闸的机械结构，因此只要选取合适的安装位置并借助一定的机器学习过程，就可以应用于任何形式的敞开式隔离开关。此外，深度图像通常使用红外波段感知被视物体，不受环境光照的影响，因此是一种全天候、全形式的状态感知方法。

(3)改造成本低：目前电网中已有的隔离开关数量庞大，且除辅助触点以外不具备其他状态感知条件，故需要进行改装。压力法和角度法所需的传感器均需安装在隔离开关的高压部分，故需要停电改装，改造成本较高。而本发明中给出的感知方法所需的设备与隔离开关的高压部分没有电接触，可在设备带电状态下进行改装。此外，深度摄像仪给出的数据经分布式处理单元处理成变位信号后，可直接接入变电站既有的监控网络，不需另行铺设通讯线路，且不影响现有设备的正常运行，故该方法的改造成本较低。

(4)运行维护简单。由于状态感知设备需要在现场长期运行，故其运行维护成本是必须考虑的问题。由于压力法和角度法的传感器均安装在设备的高压部分，因此只能通过电池进行供电，需要定期停电更换，且检测结果易受设备机械结构老化的影响，运行维护成本很高。本发明中，深度摄像仪通常安装在低压区域，故可直接从隔离开关的操作电源或其他位置就近取电，不需要定期更换，且检测可靠性不受设备机械结构老化的影响，可大幅降低运行维护成本。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种敞开式隔离开关状态感知装置，用于识别敞开式隔离开关的分合状态，其特征在于：所述敞开式隔离开关状态感知装置包括：

深度摄像仪，所述深度摄像仪用于拍摄所述敞开式隔离开关的深度图像；

处理单元，所述处理单元与所述深度摄像仪相连接，用于基于所述深度图像识别所述敞开式隔离开关的分合状态并输出包含识别结果的识别信号。

2.根据权利要求1所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述深度摄像仪借助红外光构建所述深度图像。

3.根据权利要求1所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述深度摄像仪对应所述敞开式隔离开关的刀闸断口设置。

4.根据权利要求1所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述处理单元依据所述深度图像中呈现出的所述敞开式隔离开关的两个触头臂之间所成角度或所述敞开式隔离开关的触头之间的空隙识别所述敞开式隔离开关是否合闸到位；所述处理单元依据所述深度图像中呈现出的所述敞开式隔离开关的两个触头之间的绝缘距离以及所述敞开式隔离开关的触头臂相对于合闸位置的夹角识别所述敞开式隔离开关是否分闸到位。

5.根据权利要求1所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述敞开式隔离开关状态感知装置包括一台所述深度摄像仪和一个所述处理单元，或者所述敞开式隔离开关状态感知装置包括与各个所述敞开式隔离开关一一对应设置的若干台所述深度摄像仪和与所述深度摄像仪一一对应设置的若干个所述处理单元，或者所述敞开式隔离开关状态感知装置包括与各个所述敞开式隔离开关一一对应设置的若干台所述深度摄像仪和分别与各台所述深度摄像仪连接的一个所述处理单元。

6.根据权利要求5所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述处理单元与变电站内的隔离开关测控终端通信连接，并将所述识别信号作为遥信信号传输给所述隔离开关测控终端，所述隔离开关测控终端接入所述变电站的监控网络。

7.根据权利要求6所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述监控网络包括与所述隔离开关测控终端通信连接的变电站监控主机，所述处理单元与所述变电站监控主机通信连接并向所述变电站监控主机转发所述深度图像。

8.根据权利要求7所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述处理单元与所述变电站监控主机通过光纤通信连接。

9.根据权利要求7所述的敞开式隔离开关状态感知装置，其特征在于：所述变电站监控主机与监控主站通信连接。

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