基于图像分析的气体继电器积气体积辨识方法与流程

1.本发明涉及气体继电器监测技术领域，具体涉及基于图像分析的气体继电器积气体积辨识方法。


背景技术：

2.现有的气体继电器功能发挥依赖内部机械结构动作，包括轻瓦斯告警和重瓦斯保护。要动态掌握气体继电器的积气情况，需要人工现场巡检，若需进一步对继电器中气体成分进行分析则需要人工带电操作，存在严重的安全隐患，迫切需要研制气体继电器的在线监测装置，实时分析积气情况。
3.当变压器油已经分解了大量气体时或者变压器发生短路故障时，不仅变压器系统面临严重故障威胁，变压器与气体继电器附近区域也都处于危险中，因此希望通过在线监测气体继电器中变压器油位的高度来计算积气体积，既实现对变压器运行状态在线监测，同时还能避免工作人员到到现场遭受人生安全风险。
4.液位高度测量分为接触式和非接触式两种方法。接触式检测对不同液体适应性较弱，易受液体腐蚀，而且安装较为复杂，不适用于气体继电器的液位测量。因此，目前工业上广泛采用非接触式测量，其优点是实现了计量测量远端检测，使用寿命较长，安装相对简单。然而，主流非接触式测量中，超声波检测随着精度的提升价格将呈指数增长，难以普遍应用。雷达检测虽然不受介质密度和温度的变化，噪音、蒸汽、粉尘、真空等工况影响，不易腐蚀性，能在高低压等极限环境正常工作，但价格高昂，抗电磁干扰能力弱。并且，对气体继电器而言，由于其具有金属外壳，对非接触式测量而言存在严重的干扰甚至会出现信号隔断，大部分的非接触式测量方法都无法实现。
5.因此，怎样才能实现长期、准确的智能化检测气体继电器的积气情况，成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于图像分析的气体继电器积气体积辨识方法，能够长期、准确的智能化检测气体继电器的积气情况。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
8.基于图像分析的气体继电器积气体积辨识方法，包括以下步骤：
9.s1、获取气体继电器内注入气体的体积数据及液位高度并进行分析，得到气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式；
10.s2、获取气体继电器的观察窗的背景参考图像；
11.s3、获取气体继电器的观察窗的待检测图像，并结合背景参考图像，通过图像差分的方式进行图像处理，识别当前气体继电器的观察窗内的液位高度；
12.s4、使用液位与气体体积的转换关系式，将当前的液位高度转换为气体体积。
13.优选地，s1包括：
14.s11、打开内部无液体的气体继电器的排气孔；
15.s12、从气体继电器的放气塞向内送入液体n次，且每次送入液体的体积均相等；每次送入液体后，记录已送入的液体的总体积v
li
，并记录对应的液位高度hi；
16.s13、将气体继电器的总容量记录为v，得到每次注入液体后剩余气体体积vi＝v-v
li
；
17.s14、根据记录的送入的液体的总体积v
li
、对应的液位高度hi以及剩余气体体积vi进行分析，得到气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式。
18.优选地，s14中，采用最小二乘法进行线性拟合：
[0019][0020][0021]
得到由液位高度计算气体体积的公式：
[0022]v气
＝k*h b；
[0023]
其中，h为液位高度，v
气
为对应的气体体积。
[0024]
优选地，s2中，所述背景参考图像为观察窗内为空液位的图像。
[0025]
优选地，s3包括：
[0026]
s31、获取气体继电器的观察窗的待检测图像；
[0027]
s32、将待检测图像与背景参考图像进行图像差分处理，得到差分图像；
[0028]
s33、对差分图像进行二值化及消噪处理，得到消噪图像；
[0029]
s34、对消噪图像进行hough变换，检测观测窗的圆形边框，并根据检测结果生成一个半径小于圆形边框的圆形掩膜，利用掩膜对消噪图像进行位与操作，将观测窗的圆形边框去除，获得液位分界面二值图像；
[0030]
s35、对液位分界面图像进行水平投影，得到水平方向的灰度直方图；对直方图进行最大值检测，获得液位位置所在的行数作为当前气体继电器的观察窗内的液位高度。
[0031]
优选地，s33中，采用otsu算法求得差分图像的二值化阈值后，对差分图像进行二值化处理，获得仅有黑白二色的图像，再对二值图像进行中值滤波及形态学变换，得到消噪图像；其中，所述形态学变换包括，使用开运算消除分割边缘的独立噪声点并连通加粗液位信息。
[0032]
优选地，s35中，对直方图进行最大值检测时，测量精度为1个像素。
[0033]
优选地，s4后，还包括s5，判断气体继电器内的当前气体体积是否达到了预设的排气阈值，若达到，则控制自动取气系统将气体继电器内的气体排出，并对排出的气体进行分析。
[0034]
优选地，s5中，所述自动取气系统包括三通阀、集气盒、油枕、气体检测模块和控制模块；气枕通过电磁阀1后与三通阀的接口1连接；气体继电器通过电磁阀2后与三通阀的接口2连接；集气盒的入口与三通阀的接口3连接；集气盒的排气口通过电磁阀4后与气体检测模块连接；集气盒的排油口设有电磁阀3；控制模块分别与气体检测模块、电磁阀1、电磁阀
2、电磁阀3及电磁阀4电连接；
[0035]
自动取气系统的控制过程包括：初始状态时，电磁阀1开启，电磁阀2、电磁阀3及电磁阀4关闭；当气体继电器内的当前气体体积达到预设的排气阈值时，控制模块关闭电磁阀 1、打开电磁阀2和电磁阀3第一预设时长；第一预设时长后，集气盒由于气体注入导致油位下降，气体继电器重新充满油，关闭电磁阀3、打开电磁阀4及气体检测模块第二预设时长；第二预设时长后，集气盒被油充满、排气孔开始出油，关闭电磁阀2和电磁阀4，打开电磁阀1，恢复初始状态。
[0036]
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0037]
1.本发明中，通过获取气体继电器的观察窗的待检测图像，集合背景参考图，可以通过帧间图像差分的方式，自动化的检测出当前观察窗的显示结果，即，当前气体继电器的观察窗内的液位高度。由于气体继电器内的空间全部由液体和积气占据，且气体及电器的内部空间为固定值，那么毫无疑义可以得知，气体继电器内液位高度与气体体积之间存在一个关系转换式。由于预先分析得到了该转换式，因此，在检测出当前气体继电器的观察窗内的液位高度，可通过该转换式准确的得到气体继电器内此时的气体体积。
[0038]
与接触式检测相比，本技术在检测过程中不用和气体继电器内的液体接触，可避免检测端(如传感器探头)被腐蚀的情况。与常规的非接触式检测相比，本技术由于不需要穿透气体继电器的外部壳体，发明也不存在因外部壳体而存在的严重干扰及信号隔断。
[0039]
综上，本发明能够长期、准确的智能化检测气体继电器的积气情况。
[0040]
2.在分析气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式时，本发明采用从气体继电器的放气塞向内送入n次体积相等的液体，并依次记录已送入的液体的总体积v
li
，以及对应的液位高度hi。之后，结合气体继电器内的空间全部由液体和积气占据，且气体及电器的内部空间为固定值这个默认条件，通过最小二乘法进行线性拟合，可以得到准确反映气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系的计算式。从而保证本方法的准确性。
[0041]
3.在分析当前的液位高度时，由于差分运算的结果可能因为反光等原因存在干扰噪声，需要进行二值化及消噪以便后续处理。采用otsu算法求得图像的二值化阈值，对差分图像进行二值化处理，获得仅有黑白二色的图像，再对二值图像进行中值滤波及形态学变换，去除干扰因素。
[0042]
然而，此时图像依然存在由圆形观测窗边框引入的干扰，因此还需要进行进一步的处理。本发明选择对消噪图像进行hough变换，检测圆形边框，根据检测结果，生成一个半径小于检测圆的圆形掩膜，利用掩膜对消噪图像进行位与操作，即可将观测窗边框去除获得液位分界面二值图像。之后，对液位分界面图像进行水平投影，得到水平方向的灰度直方图，由于液位位置的投影值将明显大于其它位置的值，对直方图进行最大值检测，获得液位位置所在的行数作为液位高度h，测量精度为1个像素，用于后续积气容量判断。
[0043]
4.通过s5及自动取气系统的设置，本发明在不改变原装置内部结构、不影响功能前提下，引入电磁阀等控制设备，对气路及油路进行改造，实现远程监控、自动取气与实时测量。
[0044]
集气盒通过三通阀连接油枕及气体继电器，在日常工作状态，集气盒内充满变压器油，电磁阀1处于开启，其它三个电磁阀处于关闭状态。连接油枕作用是在测量气体成分时，通过注油排除集气盒中的气体，以防止存量气体的干扰。
[0045]
当气体继电器有积气，且检测结果为积气体积到达排气阈值时，控制单元将触发取气与测量操作。具体地，关闭电磁阀1，打开电磁阀2和电磁阀3第一预设时长，在排油同时，气体继电器的积气在自身压力下流向集气盒。
[0046]
第一预设时长后，集气盒会由于气体注入导致油位下降，而气体继电器则重新充满油；此时关闭电磁阀3停止排油，打开电磁阀4让积气流向气体传感器，同时启动气体传感器的数据采集与分析过程，获得气体成分数据，用于对变压器运行状态进行分析。
[0047]
第二预设时长后，集气盒被油充满、排气口出油后，关闭电磁阀2和电磁阀4，打开电磁阀1，恢复初始状态，完成本次测量及取气、气体分析工作。
附图说明
[0048]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0049]
图1为实施例一中的流程图；
[0050]
图2为实施例一中的液位高度测量说明图；
[0051]
图3为实施例一中的水平方向的灰度直方图；
[0052]
图4为实施例二中的自动取气系统的示意图。
具体实施方式
[0053]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0054]
实施例一
[0055]
如图1所示，本实施例中公开了一种基于图像分析的气体继电器积气体积辨识方法，包括以下步骤：
[0056]
s1、获取气体继电器内注入气体的体积数据及液位高度，并根据数据进行分析，得到气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式。具体实施时，s1包括：
[0057]
s11、打开内部无液体的气体继电器的排气孔；
[0058]
s12、从气体继电器的放气塞向内送入液体n次，且每次送入液体的体积均相等；每次送入液体后，记录已送入的液体的总体积v
li
，并记录对应的液位高度hi。具体实施时，拧开放气塞后，连接医用注射器的注射针头，使用注射器每次注入液体，为保证分析结果的有效性，液体采用变压器油。
[0059]
s13、将气体继电器的总容量记录为v，得到每次注入液体后剩余气体体积vi＝v-v
li
；
[0060]
s14、根据记录的送入的液体的总体积v
li
、对应的液位高度hi以及剩余气体体积vi进行分析，得到气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式。
[0061]
其中，s14中，采用最小二乘法进行线性拟合：
[0062]
[0063][0064]
得到由液位高度计算气体体积的公式：
[0065]v气
＝k*h b；
[0066]
其中，h为液位高度，v
气
为对应的气体体积。
[0067]
在分析气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系式时，本发明采用从气体继电器的放气塞向内送入n次体积相等的液体，并依次记录已送入的液体的总体积v
li
，以及对应的液位高度hi。之后，结合气体继电器内的空间全部由液体和积气占据，且气体及电器的内部空间为固定值这个默认条件，通过最小二乘法进行线性拟合，可以得到准确反映气体继电器内液位高度与气体体积的转换关系的计算式。从而保证本方法的准确性。
[0068]
s2、获取气体继电器的观察窗的背景参考图像；具体实施时，所述背景参考图像为观察窗内为空液位的图像。如图2(a)所示。
[0069]
s3、获取气体继电器的观察窗的待检测图像，并结合背景参考图像，通过图像差分的方式进行图像处理，识别当前气体继电器的观察窗内的液位高度；
[0070]
具体实施时，s3包括：
[0071]
s31、获取气体继电器的观察窗的待检测图像，如图2(b)所示。
[0072]
s32、将待检测图像与背景参考图像进行图像差分处理，得到差分图像，如图2(c)所示；
[0073]
s33、对差分图像进行二值化及消噪处理，得到消噪图像；具体地，采用otsu算法求得差分图像的二值化阈值后，对差分图像进行二值化处理，获得仅有黑白二色的图像，再对二值图像进行中值滤波及形态学变换，得到消噪图像；其中，所述形态学变换包括，使用开运算消除分割边缘的独立噪声点并连通加粗液位信息。
[0074]
中值滤波具有抑制噪声又能保持细节的特点，即从输入序列中相继取出m个数，取其中的中位数作为滤波输出，表达公式如式(1)，
[0075][0076]
开运算是一种的形态学变换方法，可以用来消除小物体，并在纤细处分离物体，也可以用来平滑大物体的边界，如式(2)：
[0077][0078]
其中为腐蚀运算，为膨胀运算，获得的消噪图像如图2(d)所示。
[0079]
s34、对消噪图像进行hough变换，检测观测窗的圆形边框，并根据检测结果生成一个半径小于圆形边框的圆形掩膜，利用掩膜对消噪图像进行位与操作，将观测窗的圆形边框去除，获得液位分界面二值图像，如图2(e)所示；
[0080]
s35、对液位分界面图像进行水平投影，得到水平方向的灰度直方图，图如3所示；可以看出，液位位置的投影值将明显大于其它位置的值，对直方图进行最大值检测，获得液位位置所在的行数作为当前气体继电器的观察窗内的液位高度。其中，对直方图进行最大值检测时，测量精度为1个像素。
[0081]
在分析当前的液位高度时，由于差分运算的结果可能因为反光等原因存在干扰噪声，需要进行二值化及消噪以便后续处理。采用otsu算法求得图像的二值化阈值，对差分图像进行二值化处理，获得仅有黑白二色的图像，再对二值图像进行中值滤波及形态学变换，去除干扰因素。然而，此时图像依然存在由圆形观测窗边框引入的干扰，因此还需要进行进一步的处理。本发明选择对消噪图像进行hough变换，检测圆形边框，根据检测结果，生成一个半径小于检测圆的圆形掩膜，利用掩膜对消噪图像进行位与操作，即可将观测窗边框去除获得液位分界面二值图像。之后，对液位分界面图像进行水平投影，得到水平方向的灰度直方图，由于液位位置的投影值将明显大于其它位置的值，对直方图进行最大值检测，获得液位位置所在的行数作为液位高度h，测量精度为1个像素，用于后续积气容量判断。
[0082]
s4、使用液位与气体体积的转换关系式，将当前的液位高度转换为气体体积。
[0083]
本发明中，通过获取气体继电器的观察窗的待检测图像，集合背景参考图，可以通过帧间图像差分的方式，自动化的检测出当前观察窗的显示结果，即，当前气体继电器的观察窗内的液位高度。由于气体继电器内的空间全部由液体和积气占据，且气体及电器的内部空间为固定值，那么毫无疑义可以得知，气体继电器内液位高度与气体体积之间存在一个关系转换式。由于预先分析得到了该转换式，因此，在检测出当前气体继电器的观察窗内的液位高度，可通过该转换式准确的得到气体继电器内此时的气体体积。
[0084]
与接触式检测相比，本技术在检测过程中不用和气体继电器内的液体接触，可避免检测端(如传感器探头)被腐蚀的情况。与常规的非接触式检测相比，本技术由于不需要穿透气体继电器的外部壳体，发明也不存在因外部壳体而存在的严重干扰及信号隔断。
[0085]
本发明能够长期、准确的智能化检测气体继电器的积气情况。在判断出积气体积存在异常时，进一步可以实现自动处理或者自动报警，从而能够在不停机状态下自动检测变压器的情况，实时掌握变压器的运行状态，实现变压器故障分析与风险预警，保证变压器安全运行的同时极大的降低了运维人员现场检查的人身安全风险。
[0086]
为验证本发明的实际运行效果，选择openmv嵌入式图像处理模块作为图像处理设备，将图像采集设备安装在气体继电器上，根据装置整体连接结构图采购相应物品并组装后进行实物测试。
[0087]
由于实际运行中openmv的摄像头已经在盖板盒上固定完毕，而且盖板盒的卡扣与气体继电器固定较为牢固，因此图像中气体继电器的位置将不会移动。可以将霍夫变换圆形检测替换为实验下的既定的圆参数，提前制作保存mask节省内存与缩短程序的启动时间。优化代码，使用的图像分辨率为640
×
480，使上述流程在openmv上得以实现。
[0088]
图像测试装备准备完成后进行积气体积计算的为数据拟合实验。使用注射器每次注入 50ml液体，经过13次注入，目测液位到400ml刻度处，可得到总容量为400 50*13＝1050ml，记录实验结果如表1所示：
[0089]
[0090][0091]
表1结果记录
[0092]
分析得到由液位高度计算气体容积公式为：
[0093]v气
＝k*h b＝1.516*h 186.187；
[0094]
验证实验结果如表2所示：
[0095][0096]
表2测试数据记录与计算结果
[0097]
结果表明，气体测量误差最大为2.5％，具有较高的准确度。
[0098]
结合图2的具体实例，在图2(b)所示情况下，由此装置测得的液位像素位于图像的300 行，也就是液位高度h约为300，此时根据v
气
＝k*h b＝1.516*h 186.187，计算出积气体积约为641ml。
[0099]
取气装置测试，首先让气体继电器充满变压器油，然后打开排油装置，通过放气塞注入气体，在压力作用下排油，使油位下降，设置启动取气与测量操作的积气体积阈值，当油位下降到一定程度，计算出积气体积达到阈值时，装置实现了自动取气、实时测量过程，测试结果符合本发明的设计要求。
[0100]
实施例二
[0101]
与实施例一不同的是，本实施例中，s4后还包括s5，判断气体继电器内的当前气体体积是否达到了预设的排气阈值，若达到，则控制自动取气系统将气体继电器内的气体排出，并对排出的气体进行分析。
[0102]
具体实施时，如图4所示，所述自动取气系统包括三通阀、集气盒、油枕、气体检测模块和控制模块；气枕通过电磁阀1后与三通阀的接口1连接；气体继电器通过电磁阀2后与三通阀的接口2连接；集气盒的入口与三通阀的接口3连接；集气盒的排气口通过电磁阀4 后与气体检测模块连接；集气盒的排油口设有电磁阀3；控制模块分别与气体检测模块、电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3及电磁阀4电连接。具体实施时，气体检测模块可以采用气体传感
器，控制模块则可以采用微处理器，如单片机。
[0103]
自动取气系统的控制过程包括：初始状态时，电磁阀1开启，电磁阀2、电磁阀3及电磁阀4关闭；当气体继电器内的当前气体体积达到预设的排气阈值时，控制模块关闭电磁阀 1、打开电磁阀2和电磁阀3第一预设时长；第一预设时长后，集气盒由于气体注入导致油位下降，气体继电器重新充满油，关闭电磁阀3、打开电磁阀4及气体检测模块第二预设时长；第二预设时长后，集气盒被油充满、排气孔开始出油，关闭电磁阀2和电磁阀4，打开电磁阀1，恢复初始状态。第一预设时长及第二预设时间的具体数值，本领域技术人员可依据气体电磁阀的具体型号及相关设备的具体型号具体设置，只要能达到上述效果即可，在此不再赘述。
[0104]
通过s5及自动取气系统的设置，本发明在不改变原装置内部结构、不影响功能前提下，引入电磁阀等控制设备，对气路及油路进行改造，实现远程监控、自动取气与实时测量。具体的流程及原理如下：
[0105]
集气盒通过三通阀连接油枕及气体继电器，在日常工作状态，集气盒内充满变压器油，电磁阀1处于开启，其它三个电磁阀处于关闭状态。连接油枕作用是在测量气体成分时，通过注油排除集气盒中的气体，以防止存量气体的干扰。
[0106]
当气体继电器有积气，且检测结果为积气体积到达排气阈值时，控制单元将触发取气与测量操作。具体地，关闭电磁阀1，打开电磁阀2和电磁阀3第一预设时长，在排油同时，气体继电器的积气在自身压力下流向集气盒。
[0107]
第一预设时长后，集气盒会由于气体注入导致油位下降，而气体继电器则重新充满油；此时关闭电磁阀3停止排油，打开电磁阀4让积气流向气体传感器，同时启动气体传感器的数据采集与分析过程，获得气体成分数据，用于对变压器运行状态进行分析。
[0108]
第二预设时长后，集气盒被油充满、排气口出油后，关闭电磁阀2和电磁阀4，打开电磁阀1，恢复初始状态，完成本次测量及取气、气体分析工作。
[0109]
在图像液位检测的基础上，本发明通过设计相关外围智能检测装置，能在不断电的情况下对气体继电器中产生的气体进行自动采集与检测，从而在线进行变压器的运行状态监测与故障预警。随着物联网技术和嵌入式设备的快速发展，使得上述智能检测装置具有很高的可靠性、较低的制作成本与开发难度。另一方面，微处理器性能的迅速发展使得图像处理也可以在嵌入式环境下实现，从而使得装置轻便，成本较低，易于对气体继电器的积气容量及成分进行实时测量。本发明建立了基于图像分析的液位检测，气体继电器积气体积辨识，取气装置的自动控制，气体成分测量及油色谱仪联动多个环节完整的技术链条，整套流程在无人干预的情况下自动完成，既提高了检测的精度与速度，又保证了相关工作人员的安全，具有十分重要的应用价值。
[0110]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。