一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法及装置与流程

本发明涉及电力设备维护技术领域，具体涉及一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法及装置。

背景技术：

高压断路器不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。高压断路器的主要结构大体分为:导流部分、灭弧部分、绝缘部分以及操作机构部分。高压开关的主要类型按灭弧介质分为:油断路器、空气断路器、真空断路器、六氟化硫断路器、固体产气断路器以及磁吹断路器。高压断路器在电网中起保护与控制作用，当它发生故障或事故时会引起电网事故或扩大事故，造成相当的经济及其它方面的损失。根据cigre与中国电科院的调研结果，机械故障占开关设备故障的近37％,因此对开关设备进行机械故障检测显得极为必要。然而目前的高压断路器检测方式，对于高压断路器的机械特性检测，存在效率低、检测过程繁琐和检修结果判断不准确的技术问题。

如中国专利cn103986084a，公开日2014年8月13日，一种高压断路器机构箱移动检修平台，涉及变电站设备领域，包含有移动装置、检修平台和调节支撑装置，所述检修平台可移动设置于移动装置上，所述调节支撑装置与移动装置可拆卸连接，用以实现移动装置垂直高度的调节和固定支撑。该装置能够灵活移动至断路器机构箱内，提供了组件拆卸、安装的检修平台，适应大质量、大体积的组件检修，随时调节重心，移动方便。但其仍然依靠人工对高压断路器进行组件拆卸才能进行机械特性的检测，不能解决机械特性检测效率低的技术问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：目前对于高压断路器机械特性的检测效率低的技术问题。提出了一种基于图像识别的非接触式的检测快速的基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法，包括以下步骤：a）在高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口以及数据接口，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像；b）连通供电接口使内置光源、高速摄像头以及mcu工作，通过数据接口以及mcu获得高速摄像头所拍摄的图像；c）进行分合闸动作，以频率f采集并存储高速摄像头拍摄到的图像，将图像标记时间戳；d）对每一幅图像进行识别，获得运动部件的位移数据，将位移数据与对应的时间戳关联形成特征点，对特征点进行插值拟合，获得运动部件的运动轨迹以及轨迹各点处的速度，从而获得运动部件的机械特性。

作为优选，还包括步骤：e）生命周期测试；生命周期测试包括：e1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口以及数据接口，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头以及数据接口均与mcu连接，供电接口为高速摄像头以及mcu供电；e2）对试验高压断路器不断进行机械特性试验，并采集高速摄像头拍摄的图像数据，直到试验高压断路器出现故障，记录总共进行的机械特性试验次数n；e3）提取试验过程中，每次试验时，每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，作为参考数据；e4）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，获得与检测数据最接近的参考数据对应的试验次数n，将（n-n）作为待检测高压断路器剩余的生命周期。

作为优选，还包括步骤：f）高压断路器机械故障分析；高压断路器机械故障分析包括：f1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口以及数据接口，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头以及数据接口均与mcu连接，供电接口为高速摄像头以及mcu供电；f2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；f3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的s次机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，并将其与所出现的故障关联，作为故障参考数据；f4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤f3，直到遍历全部维护要求；f5）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，将检测数据与故障参考数据对比，获得与检测数据最接近的故障参考数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障分析结果。

作为优选，还包括步骤：g）高压断路器机械故障预警；高压断路器机械故障预警包括：g1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口以及数据接口，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头以及数据接口均与mcu连接，供电接口为高速摄像头以及mcu供电；g2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；g3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的r次至s次，r>s，机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，并将其与所出现的故障关联，作为故障预警数据；g4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤g3，直到遍历全部维护要求；g5）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，将检测数据与故障预警数据对比，获得与检测数据最接近的故障预警数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障预警结果。

作为优选，所述机械特性包括合闸时间、分闸时间、刚合速度、刚分速度、动触头最大速度、动触头平均速度、动触头动作时间、弹跳时间、弹跳次数、弹跳最大幅度、分合闸行程以及动触头分合闸行程内的时间速度行程动态曲线。

作为优选，步骤a还包括，在高压断路器内设置若干个光电式位移传感器以及无线通信模块，光电式位移传感器检测高压断路器运动部件的位移及振动，光电式位移传感器与无线通信模块连接。

作为替代，还包括步骤：f’）高压断路器机械故障分析；高压断路器机械故障分析包括：f’1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口、若干个光电式位移传感器以及无线通信模块，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，光电式位移传感器检测高压断路器运动部件的位移及振动，供电接口为高速摄像头、光电式位移传感器以及mcu供电，高速摄像头、无线通信模块以及光电式位移传感器均与mcu连接；f’2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；f’3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的s次机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，并将其与所出现的故障关联，作为故障参考数据；f’4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤f’3，直到遍历全部维护要求；f’5）获得待检测高压断路器的运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，作为检测数据，将检测数据与故障参考数据对比，获得与检测数据最接近的故障参考数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障分析结果。

作为替代，还包括步骤：g’）高压断路器机械故障预警；高压断路器机械故障预警包括：g’1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口、若干个光电式位移传感器以及无线通信模块，高速摄像头对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，光电式位移传感器检测高压断路器运动部件的位移及振动，供电接口为高速摄像头、光电式位移传感器以及mcu供电，高速摄像头、无线通信模块以及光电式位移传感器均与mcu连接；g’2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；g’3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的r次至s次，r>s，机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，并将其与所出现的故障关联，作为故障预警数据；g’4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤g’3，直到遍历全部维护要求；g5）获得待检测高压断路器的运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，作为检测数据，将检测数据与故障预警数据对比，获得与检测数据最接近的故障预警数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障预警结果。

一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测装置，用于执行如前述的一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法，包括数据处理单元、存储器、通信单元、供电单元、数据获取单元、光源、若干个高速摄像头、mcu、供电接口、若干个光电式位移传感器以及无线通信模，供电单元与供电接口连接，数据获取单元包括与数据接口连接的数据读取接口以及与无线通信模块通信连接的通信模块，存储器、通信单元以及、数据读取接口以及通信模块均与数据处理单元连接。

作为优选，所述光电式位移传感器包括激光发射器、限流电阻、光敏电阻、供电模块、反射贴纸、电压传感器和通信模块，激光发射器固定安装在高压断路器的外壳内，沿法向对准机械运动部件外表面的一个对准点，调整使激光发射器出射光与机械运动部件外表面法向具有夹角，在机械运动部件的行程内，激光发射器的对准点沿机械运动部件的外表面移动，形成移动范围，反射贴纸贴附在机械运动部件上并覆盖所述对准点的移动范围，所述反射贴纸具有若干个沿机械运动部件行程等间距排列的高反射区，相邻高反射区之间为低反射区，高反射区宽度与低反射区宽度相等，激光发射器的光斑直径等于该间隔宽度的整倍数，光敏电阻安装与激光发射器关于机械运动部件外表面法向对称的另一侧，光敏电阻一端接地，另一端通过限流电阻与供电模块连接，电压传感器采集光敏电阻与限流电阻连接点的电压，电压传感器与通信模块连接。

本发明的实质性效果是：通过图像采集和识别，能够快速获得高压断路器在分合闸过程中每个机械部件的轨迹以及在各个轨迹上的速度，从而获得高压断路器的机械特征，完成高压断路器的机械特性试验；通过内置图像采集的设备，下次进行测试时，仅需要接通供电接口以及数据接口即可，无需拆下护板，安装位移传感器等测试设备，加快机械特性试验效率，提高试验过程的安全性。

附图说明

图1为实施例一机械特性检测方法流程框图。

图2为实施例一生命周期测试流程框图。

图3为实施例一高压断路器机械故障分析流程框图。

图4为实施例一机械故障预警流程框图。

图5为实施例一机械特性检测装置结构示意图。

图6为实施例一非接触式位移传感器结构示意图。

图7、8为实施例一非接触式位移传感器测量示意图。

其中：1、直线反射贴纸，2、激光发射器，3、圆柱面反射贴纸，4、凸轮，5、圆柱端面反射贴纸，6、运动部件，7、对准点轨迹，8、弧形反射贴纸，100、电压传感器，200、无线通信模块，300、光电式位移传感器，400、数据获取单元，500、高速摄像头，600、供电接口，700、供电单元，800、mcu，900、数据接口，1000、数据处理单元，1100、存储器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测方法，如图1所示，包括以下步骤：a）在高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600以及数据接口900，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像。

b）连通供电接口600使内置光源、高速摄像头500以及mcu800工作，通过数据接口900以及mcu800获得高速摄像头500所拍摄的图像。

c）进行分合闸动作，以频率f采集并存储高速摄像头500拍摄到的图像，将图像标记时间戳。

d）对每一幅图像进行识别，获得运动部件的位移数据，将位移数据与对应的时间戳关联形成特征点，对特征点进行插值拟合，获得运动部件的运动轨迹以及轨迹各点处的速度，从而获得运动部件的机械特性。机械特性包括合闸时间、分闸时间、刚合速度、刚分速度、动触头最大速度、动触头平均速度、动触头动作时间、弹跳时间、弹跳次数、弹跳最大幅度、分合闸行程以及动触头分合闸行程内的时间速度行程动态曲线。

e）生命周期测试；如图2所示，生命周期测试包括：e1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600以及数据接口900，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头500以及数据接口900均与mcu800连接，供电接口600为高速摄像头500以及mcu800供电；e2）对试验高压断路器不断进行机械特性试验，并采集高速摄像头500拍摄的图像数据，直到试验高压断路器出现故障，记录总共进行的机械特性试验次数n；e3）提取试验过程中，每次试验时，每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，作为参考数据；e4）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，获得与检测数据最接近的参考数据对应的试验次数n，将（n-n）作为待检测高压断路器剩余的生命周期。

f）高压断路器机械故障分析；如图3所示，高压断路器机械故障分析包括：f1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600以及数据接口900，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头500以及数据接口900均与mcu800连接，供电接口600为高速摄像头500以及mcu800供电；f2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；f3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的s次机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，并将其与所出现的故障关联，作为故障参考数据；f4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤f3，直到遍历全部维护要求；f5）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，将检测数据与故障参考数据对比，获得与检测数据最接近的故障参考数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障分析结果。

g）高压断路器机械故障预警；如图4所示，高压断路器机械故障预警包括：g1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600以及数据接口900，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，高速摄像头500以及数据接口900均与mcu800连接，供电接口600为高速摄像头500以及mcu800供电；g2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；g3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的r次至s次，r>s，机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹及轨迹点上的速度，并将其与所出现的故障关联，作为故障预警数据；g4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤g3，直到遍历全部维护要求；g5）获得待检测高压断路器的运动部件的轨迹以及轨迹点上的速度，作为检测数据，将检测数据与故障预警数据对比，获得与检测数据最接近的故障预警数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障预警结果。

一种基于图像识别的高压断路器机械特性检测装置，如图5所示，包括数据处理单元1000、存储器1100、通信单元、供电单元700、数据获取单元400、光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600、若干个光电式位移传感器300以及无线通信模，供电单元700与供电接口600连接，数据获取单元400包括与数据接口900连接的数据读取接口以及与无线通信模块通信连接的通信模块，存储器1100、通信单元以及、数据读取接口以及通信模块均与数据处理单元1000连接。在高压断路器内设置若干个光电式位移传感器300以及无线通信模块，光电式位移传感器300检测高压断路器运动部件的位移及振动，光电式位移传感器300与无线通信模块连接。

如图6所示，非接触式位移传感器包括激光发射器2、限流电阻、光敏电阻、供电模块、反射贴纸、电压传感器100和无线通信模块200，激光发射器2固定安装在高压断路器的外壳内，沿法向对准机械运动部件6外表面的一个对准点，调整使激光发射器2出射光与机械运动部件6外表面法向具有夹角，在机械运动部件6的行程内，激光发射器2的对准点沿机械运动部件6的外表面移动，形成移动范围，反射贴纸贴附在机械运动部件6上并覆盖对准点的移动范围，反射贴纸具有若干个沿机械运动部件6行程等间距排列的高反射区，相邻高反射区之间为低反射区，高反射区宽度与低反射区宽度相等，激光发射器2的光斑直径等于该间隔宽度的整倍数，光敏电阻安装与激光发射器2关于机械运动部件6外表面法向对称的另一侧，光敏电阻一端接地，另一端通过限流电阻与供电模块连接，电压传感器100采集光敏电阻与限流电阻连接点的电压，电压传感器100与无线通信模块200连接。图6所示为直线反射贴纸1，被检测机械运动部件6沿直线运动，如动触头、解锁锁扣等。如图7所示，在对旋转部件，如轴以及凸轮4进行位移非接触式位移检测时，可以在轴外表面，或凸轮4的等半径圆弧部分贴附圆柱面反射贴纸3，为避免图片模糊不清，图中高反射区与低反射区的间距有所失真。当凸轮4的等半径圆弧部分也是工作面时，则可以在凸轮4端面贴附圆柱端面反射贴纸5。如图8所示，当被检测运动部件6具有复杂的平面运动，即同时包含平移运动和旋转运动时，在被检测运动部件6上选择合适的对准点，使运动部件6行程内，对准点始终在运动部件6上，对准点轨迹7将是一段弧形，贴附适应的弧形反射贴纸8，弧形反射贴纸8沿该弧形间隔排列高反射区和低反射区，使高反射区以及低反射区的边缘均与对应位置的弧形垂直即可。本实施例提供一种非接触式位移传感器实施方式，在现有技术中，非接触式位移传感器用于检测振动、位移是被公知的，本领域技术人员能够自行设计其他形式的非接触式位移传感器来完成位移的检测。

实施例二：

本实施例在实施例一的基础上，分别对步骤f）以及步骤g）做了进一步的改进，形成步骤f’）以及g’），其中步骤：f’）高压断路器机械故障分析；高压断路器机械故障分析包括：f’1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600、若干个光电式位移传感器300以及无线通信模块，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，光电式位移传感器300检测高压断路器运动部件的位移及振动，供电接口600为高速摄像头500、光电式位移传感器300以及mcu800供电，高速摄像头500、无线通信模块以及光电式位移传感器300均与mcu800连接；f’2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；f’3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的s次机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，并将其与所出现的故障关联，作为故障参考数据；f’4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤f’3，直到遍历全部维护要求；f’5）获得待检测高压断路器的运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，作为检测数据，将检测数据与故障参考数据对比，获得与检测数据最接近的故障参考数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障分析结果。

步骤：g’）高压断路器机械故障预警；高压断路器机械故障预警包括：g’1）获得一个试验高压断路器，在实验室条件下，在试验高压断路器内置光源、若干个高速摄像头500、mcu800、供电接口600、若干个光电式位移传感器300以及无线通信模块，高速摄像头500对准高压断路器的运动部件，拍摄运动部件的图像，光电式位移传感器300检测高压断路器运动部件的位移及振动，供电接口600为高速摄像头500、光电式位移传感器300以及mcu800供电，高速摄像头500、无线通信模块以及光电式位移传感器300均与mcu800连接；g’2）对试验高压断路器进行若干次机械特性试验；g’3）根据高压断路器机械部件的维护要求，选择一项维护要求使其不达标，不断进行机械特性试验，直到试验高压断路器出现故障，记录出现故障前的r次至s次，r>s，机械特性试验中的每个运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，并将其与所出现的故障关联，作为故障预警数据；g’4）修复高压断路器后，选择下一项维护要求重复步骤g’3，直到遍历全部维护要求；g5）获得待检测高压断路器的运动部件的运动轨迹、轨迹点上的速度以及行程终点的振动数据，作为检测数据，将检测数据与故障预警数据对比，获得与检测数据最接近的故障预警数据对应的故障，将该故障作为待检测高压断路器机械故障预警结果。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。