基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法
2023-10-17 18:11:39 2
專利名稱：基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法
技術領域：
本發明屬於遠程數字視頻監控和圖像識別技術及電力變壓器風機設備運行狀態監測技術領域。具體地說，涉及應用圖像灰度化、二值化、膨脹、歸一化的圖像預處理技術對電力變壓器風機設備圖像的處理及識別，對電力變壓器風機設備運行狀態進行自動圖像識別和故障告警的一種基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法。
背景技術：
目前對電力變壓器風機設備運行狀態自動監測所採用的技術手段，是在風機供電電路中檢測電流的有無來確定風機是否轉動。當風機電動機出現故障時，此時風機已停止轉動，而現有監測手段若沒有檢測出來，將會導致電力變壓器的溫度過高而最終燒毀，使電力企業生產蒙受極大的損失。因此，這種監測手段是不可靠的。採用遠程數字視頻監控與圖像識別技術對風機設備運行狀態進行監測，比現有的監測手段更加直觀、有效，並且不需要接觸設備，避免了對設備正常運行的幹擾。
電力變壓器在變電站中是十分關鍵的設備，運用遠程數字視頻監控與圖像識別技術，對電力變壓器風機運行狀態進行實時監測，通過圖像處理技術實現對電力變壓器風機狀態的自動識別與故障告警，有著非常重要的現實意義。
遠程數字視頻監控與圖像識別系統就是將遠程數字視頻監控和圖像識別技術結合起來，首先通過攝像頭、解碼器以及視頻伺服器等設備，將採集到的數字視頻信號通過傳輸通道以視頻流的方式實時傳送回監控中心，在監控中心對現場進行遠程視頻監視，從視頻流中截取監視目標圖片，通過相應的圖像預處理技術對數字視頻圖像進行分析、處理和識別。因此應用遠程視頻監控和圖像識別技術，能夠實現對電力變壓器風機運行狀態的自動識別和故障告警。該項技術為保證電力企業生產安全以及快速診斷故障提供了一種新的直觀而準確的手段。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法。所述電力變壓器風機設備負責為變壓器散熱，由3個葉片組成。根據風機的結構特徵，實現本發明目的所採用的技術方案是首先對電力變壓器風機圖片進行灰度化、二值化處理提取識別目標扇葉；然後再對圖像進行膨脹處理，以消除扇葉保護網對圖像的幹擾。經過預處理後，當風機處於運行狀態時，圖像為一個黑色圓環；當風機處於停止狀態時，由於扇葉之間存在縫隙，使得圖像為一個帶有白色缺口的圓環區域。大量實驗證明，風機運行時黑色像素點佔整個圓環區域的98％左右；而風機停止時，該值為75％左右。本發明中，通過掃描圖像中風扇所處的圓環區域，計算扇葉所處圓環區域中黑色像素點數目佔總像素點數目的比例值，再經過三次方運算，擴大兩種情況下的差值後，與參數0.68 進行比較，即可得出一次判別的風機狀態；同時通過多次取圖像、預處理、判別後，取多次判別的多數判別結果即為當前風機的工作狀態。
本發明的有益效果是在識別電力變壓器風機運行狀態時，運用遠程數字視頻監控與圖像識別技術，對電力變壓器風機運行狀態進行實時監測，採用多次實驗的結果計算閾值量化標準，降低識別過程中的不確定性，使識別準確率達98％以上，減小識別結果的誤差率；因此通過圖像處理技術實現對電力變壓器風機狀態的自動識別與故障告警，有著非常重要的現實意義。
圖1是本發明的識別對象—電力變壓器風機轉動和停止狀態的原始圖片。
圖2是電力變壓器風機圖像預處理過程的灰度圖。
圖3是電力變壓器風機圖像預處理過程的二值化結果圖。
圖4是電力變壓器風機圖像預處理過程的膨脹結果圖。
圖5是電力變壓器風機圖像預處理過程的二值圖像歸一化結果。
圖6是電力變壓器風機圖像識別的流程圖。
具體實施例方式
本發明是針對現有技術的不足而提供一種基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法。下面結合附圖對本發明予以進一步說明。
圖1是電力變壓器風機轉動和停止狀態的原始圖片。由於彩色圖像的數據量大，為了後期其他特徵量的提取方便快捷，需要對圖像進行灰度化處理。灰度圖(Grayscale)是只含亮度信息，不含色彩信息的圖像，就像我們平時看到亮度由暗到明的黑白照片，變化是連續的。因此，要表示灰度圖，就需要把亮度值進行量化。通常劃分成0到255共256個級別，0最暗(全黑)，255最亮(全白)。從彩色圖像到為灰度圖的轉變可由下式得到Y＝0.299R+0.587G+0.114B其中R表示紅色分量值；G表示綠色分量值；B表示藍色分量值。
對圖1進行灰度化操作，丟棄圖像的顏色信息，得到灰度圖結果如圖2。為了將識別目標從背景中分離出來，對圖2繼續進行二值化處理，使圖片轉換為只具有黑白兩種灰度值的二值圖像，結果如圖3。圖像的二值化將進一步簡化灰度圖像處理的步驟和過程。設圖像f的灰度值範圍在[a，b]內，二值化閾值設為T(a≤T≤b)，二值化處理的一般式可表示如下 fT是二值圖像，通常用1來表示對象物區域(黑色區域)，用0來表示背景區域(白色區域)。
圖像的膨脹運算也稱擴張運算，用符號「」表示，X用S來膨脹記為XS，它定義為XS＝{x|S[x]⌒x≠Φ}式中X為目標圖像的點的集合，S為結構元素點的集合。由於風機設備扇葉前部有隔離網，起到保護扇葉的目的，但是隔離網在圖像二值化處理後會在識別區域產生白色的網狀幹擾，為了去除這些幹擾，本文採用了圖像膨脹的方法對二值化後的圖像進行處理。對圖3進行膨脹處理，結果如圖4。
為了能正常的、方便的提取風機特徵，需將二值化後的圖像進行大小的歸一化處理，結果如圖5。
當風機處於啟動狀態時，經過膨脹處理後的圖像為一個黑色的圓環型區域；而當風機處於停止狀態時，由於三個扇葉之間存在空隙，圖像膨脹處理後為一個帶有三個白色的缺口圓環區域，依據這一特徵進行風機當前工作狀態的識別。大量實驗證明，風機啟動時，膨脹後的圖像中扇葉所處圓環型區域內的黑色像素點數目佔整個圓環型區域像素點數目總和的98％左右；風機停止時，則為75％左右。本發明通過計算扇葉所處圓環型區域內的黑色像素點數佔整個圓環型區域總像素點數的比例的大小，來判斷當前風機所處的狀態，具體算法如下。
(1)掃描待識別的圓環型區域每個像素點，「像素點計數器」加一運算。若該像素點的像素值為255(白色)，「白色像素點計數器」做加一運算。掃描結束後，「白色像素點計數器」和「像素點計數器」的值即為待識別區域的白色像素點的數目與該區域像素點總數。
(2)計算待識別區域黑色像素點數佔整個待識別區像素點總數的百分比黑色像素點數所佔比例＝(像素點總數-白色像素點數)/像素點總數。
(3)對「黑色像素點數所佔比例」做簡單的三次方運算，以增大風機處於兩個不同狀態時該值的相對區別；黑色像素點數所佔比例＝(黑色像素點數所佔比例)3(4)識別判斷。
其中參數0.68的計算過程如下[(0.98)3+(0.75)3]/2≈0.68圖6是電力變壓器風機圖像識別的流程圖。
利用遠程數字視頻監控和圖像識別技術，實現電力變壓器風機設備運行狀態的自動圖像識別和故障告警，包括算法及應用程式。通過圖像灰度化、二值化、濾波、膨脹等方法對圖像進行預處理，利用閾值量化標準作為判斷依據來識別風機轉動或停止的狀態，並將識別結果傳送回監控中心，供事後故障分析之用，識別準確率達98％以上。為電力系統故障監測與故障分析提供一種新的手段，以提高電力系統的信息化水平。
權利要求
1.一種電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別的步驟是首先對風機停止時，扇葉間存在較大縫隙；而風機運行時，縫隙消失的原始圖像進行灰度化、以二值化的方法提取識別目標，並利用圖像膨脹的方法消除風機保護網的幹擾，然後利用計算扇葉所處圓環區域的黑色像素點數目佔整個圓環區域總像素點數的比例來識別開關狀態。
2.根據權利要求1所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是使用圖像灰度化的方法將彩色圖像轉變為灰度圖像，簡化圖像特徵結構的分析與比較。
3.根據權利要求1所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是使用圖像二值化的方法將灰度圖像轉變為只包含黑白兩種灰度值的二值圖像，進一步簡化圖像的特徵結構信息。
4.根據權利要求1所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是使膨脹方法對二值圖像進行處理，消除保護網在圖像二值化後造成的網格狀幹擾，突出圖像結構特徵，優化圖像預處理結果。
5.根據權利要求1所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是在圖像預處理結果的基礎上，計算圖像中扇葉所處圓環區域黑色像素點佔整個圓環區域所有像素點的比例值，將這個比例值進行三次方運算，並閾值量化標準進行比較，進行一次判斷，經多次取圖、處理、判斷後，選取概率大的判斷結果作為最終的風機當前工作狀態。
6.根據權利要求1所述電力變壓器風機運行狀態實時監測的圖像處理與識別方法，其特徵是閾值量化標準通過多次實驗得到，準確率高，誤差範圍較小。
全文摘要
本發明公開了屬於遠程數字視頻監控和圖像識別技術及電力變壓器風機設備運行狀態監測技術領域的一種基於視頻監控與圖像識別的電力變壓器風機狀態識別方法。該方法是將遠程數字視頻監控和圖像識別技術結合起來，首先通過攝像頭、解碼器以及視頻伺服器等設備，將採集到的數字視頻信號通過傳輸通道以視頻流的方式實時傳送回監控中心，在監控中心對現場進行遠程視頻監視，從視頻流中截取監視目標圖片，通過相應的圖像預處理技術對數字視頻圖像進行分析、處理和識別。因此應用遠程視頻監控和圖像識別技術，能夠實現對電力變壓器風機運行狀態的自動識別和故障告警。該項技術為保證電力企業生產安全以及快速診斷故障。
文檔編號G06K9/36GK1845607SQ20061008073
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月15日 優先權日2006年5月15日
發明者孫鳳傑, 範傑清, 許剛 申請人:華北電力大學(北京)