本发明属于电力系统二次侧应用领域，具体涉及一种变电站保护压板状态识别方法。
背景技术
随着我国经济社会的高速发展，电力系统结构日趋复杂。尤其是在间歇性新能源广泛接入下，电力系统的安全稳定运行面临更大的挑战。在此背景下，具有显著优势的智能变电站正逐步成为建设热点。为促进变电站安全、稳定、高效运行，需有效提升二次设备运行与维护水平，尤其是继保装置巡检水平。作为对一次侧进行测控和继保操作的重要设备，变电站二次设备屏柜的结构愈发复杂，压板数量日渐增多。而保护压板管理作为继保装置巡检的重要内容，其信息化、智能化水平却相对较低，无法与变电站总体智能化水平相匹配，难以满足变电站智能化管理的需要。
此外，现有二次设备压板状态的监视仍主要由人工进行巡检完成。而人工监测时由于视觉疲劳、记忆混淆等原因，导致压板漏操作、误操作的现象时有发生。而且当人为不可控因素导致出现压板误操作时，只有在相关事故出现后，才能够被发现并予以恢复，严重危害着电力系统安全稳定。在智能化发展机遇下，结合自动化和计算机信息技术，开展压板状态识别研究，准确识别电力二次压板的投退状态，将有助于提升变电站运行的安全性和可靠性，具有较强的现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种变电站保护压板状态识别方法，能准确识别变电站保护压板投/退状态，有效解决人工巡检时的误操作问题。
本发明采取的技术方案为：
一种变电站保护压板状态识别方法，包括以下步骤：
步骤1：采集功能压板、出口压板、备用压板的屏柜图像；
步骤2：根据rgb值对采集的屏柜图像提取有效色块；
步骤3：对所得图像进行灰度化、二值化处理，提高压板特征提取的准确性；
步骤4：对二值化图像进行形态学处理，将孔洞区域填充为连通区域，以便于进行形态特征分析；
步骤5：对所有连通区域进行面积分析、尺寸分析、形状分析，计算区域像素面积、区域边界像素尺寸、区域等效长宽比，并进行阈值联合比较，确定有效压板区域个数；
步骤6：判断筛选出的有效压板区域个数是否等于已知，若相等则下一步，否则重新进行图像采集并重复上述步骤，其中识别出的有效压板区域个数就视为有效压板个数；
步骤7：对有效压板区域，依据方向角判据识别各压板的投退状态；
步骤8：依据各区域重心，按照从上至下、从左至右的顺序，确定有效压板顺序，进而识别出屏柜有效压板投退状态的标识序列。
所述步骤2中，采集的屏柜图像多为彩色图像，包含了不同的色块区域，不同的色块区域具有不同的rgb值；其中，备用压板区域为无效色块，显示白色，有效压板区域为有效色块，显示红、绿、黄色；通过设置一定的rgb阈值判断，即可从采集的屏柜图像中筛选出有效色块区域，同时将图像中的非有效色块区域的r、g、b设为相等值，即将背景设为黑色；此时，图片上其它元件、标识以及光线、拍摄角度干扰因素，会导致部分非压板区域被划分为有效色块。
所述步骤3中，在筛选出有效色块区域后，为便于提取相关特征信息，对图像进行灰度化处理，进而推求二值化阈值，基于该阈值对0～255个亮度等级的灰度图像进行图像二值化，得到仍能反映图像整体和局部特征的二值化图像。
所述步骤4对步骤3所得二值化图进行膨胀、腐蚀、开启、闭合形态学处理，实现边界平滑化，并将孔洞区域填充为连通区域，以便于进行形态特征分析。
所述步骤5对步骤4得到的所有连通区域进行像素意义下的面积分析、尺寸分析、形状分析；
所述面积分析：通过对包含有效压板区域和背景干扰区域的二值图分析发现，有效压板的像素面积大小排在前列，考虑可能存在因光照、拍摄角度、屏柜其他标识导致的背景干扰区域以及部分有效压板对应色块较小，定义如下面积阈值进行有效压板区域筛选：
其中，area(i)为按照区域面积从大到小的排列，该阈值含义为：像素面积大小排在前5位的区域面积平均值，再乘以0.3作为判断裕度，像素面积大于阈值threshold_area的区域即可视为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
所述尺寸分析：由于有效压板具有一定的尺寸，对应区域在图像上应占有一定的像素比，即区域边界沿着x、y维方向的长度分别与图像在x、y方向的像素大小具有一定比值。为此，定义如下像素尺寸阈值：
threshold_xwidth＝pixel_xmax/100
threshold_ywidth＝pixel_ymax/100
其中，pixel_xmax、pixel_ymax分别为图像在x、y方向的像素，若区域边界沿着x、y方向的长度均大于对应阈值，则该区域为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
所述形状分析，由于有效压板具有一定的形状，对应区域在图像上具有一定的等效长宽比，即像素意义下，与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆长轴与短轴长度的比值，为提取有效压板区域，定义如下形状比例阈值：
threshold_ratioshape＝2
即若区域对应的等效长宽比值大于2，则该区域为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域；
通过上述三种形态分析，能同时被归为备选有效压板区域的为最终有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
所述步骤6比较步骤5筛选出的有效压板个数，是否等于已知，若相等则下一步，否则重新进行图像采集并重复步骤2～步骤5。
所述步骤7为识别有效压板投退状态，定义压板图像区域的方向角angle，即与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴与x轴的交角，压板投入状态时，方向角为±90度；退出状态时，方向角为±45度；为准确判断有效压板的投退状态，并考虑屏柜图像采集角度偏移的影响，设置一定的判断裕度，取±10度，所得压板投退状态state识别判据如下：
所述步骤8，依据各区域重心，按照从上至下、从左至右的顺序确定步骤5所得有效压板的顺序，进而得到屏柜有效压板投退状态的标识序列，1为投入、0为退出。
本发明提供一种变电站保护压板状态识别方法，有益效果如下：
1)、充分利用了压板的像素面积、像素尺寸、等效长宽比和方向角等形态特征，以实现对有效压板状态的充分描述。
2)、通过从像素面积、像素尺寸、等效长宽比等三方面进行联合阈值设置分析来确定有效压板区域个数，有效减小了屏柜上其它元件以及光线、拍摄角度等干扰因素对识别效果的影响。
3)、本发明方法有效融合了图像处理与形态特征分析的优势，提高了压板状态识别的精度，应用实例表明所提方法具有较好的状态识别效果。
附图说明
图1为本发明实施例的压板状态识别具体流程图。
图2为本发明实施例的压板投退状态示意图。
图3为本发明实施例中采集到的变电站二次屏柜压板图像。
图4为本发明实施例中采集到的变电站二次屏柜压板图像有效色块提取结果图。
图5为本发明实施例中采集到的变电站二次屏柜压板图像灰度化、二值化结果图。
图6为本发明实施例中采集到的变电站二次屏柜压板图像形态学处理结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。附图仅用于示例性说明，不等同于对本专利的限制。对于同领域工作者而言，附图的部分公知结构及相关说明略有省略，不能据此限制本发明的保护范围。
一种变电站保护压板状态识别方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：采集包含所有功能压板、出口压板、备用压板的屏柜图像。
步骤2：根据rgb值对采集图像提取有效色块。
步骤3：对所得图像进行灰度化、二值化处理，进而提高压板特征提取的准确性。
步骤4：对二值化图像进行形态学处理，将孔洞区域填充为连通区域，以便于进行形态特征分析。
步骤5：对所有连通区域进行面积分析、尺寸分析、形状分析，计算区域像素面积、区域边界像素尺寸、区域等效长宽比等，并进行阈值联合比较，确定有效压板区域个数。
步骤6：判断筛选出的有效压板区域个数是否等于已知，若相等则下一步，否则重新进行图像采集并重复上述步骤，其中识别出的有效压板区域个数就视为有效压板个数。
步骤7：对有效压板区域依据方向角判据识别各压板的投退状态。
步骤8：依据各区域重心，按照从上至下、从左至右的顺序确定有效压板顺序，进而识别出屏柜有效压板投退状态的标识序列。
所述步骤2采集的屏柜图像多为彩色图像，包含了不同的色块区域(具有不同的rgb值)，其中备用压板区域为无效色块(白色)、有效压板区域为有效色块(红、绿、黄色)。通过设置一定的rgb阈值判断，即可从采集图像中筛选出有效色块区域，同时将图像中的非有效色块区域的r、g、b设为相等值，即将背景设为黑色。此时，图片上其它元件、标识以及光线、拍摄角度等干扰因素会导致部分非压板区域被划分为有效色块。
所述步骤3在筛选出有效色块区域后，为便于提取相关特征信息，对图像进行灰度化处理，进而推求二值化阈值。基于该阈值对0～255个亮度等级的灰度图像进行图像二值化，得到仍能反映图像整体和局部特征的二值化图像。
所述步骤4对步骤3所得二值化图进行膨胀、腐蚀、开启、闭合等形态学处理，实现边界平滑化，并将孔洞区域填充为连通区域，以便于进行形态特征分析。
所述步骤5对步骤4得到的所有连通区域进行像素意义下的面积分析、尺寸分析、形状分析。
1)、面积分析。通过对包含有效压板区域和背景干扰区域的二值图分析发现，有效压板的像素面积(区域的像素总个数)大小排在前列。考虑可能存在因光照、拍摄角度、屏柜其他标识等导致的背景干扰区域以及部分有效压板对应色块较小，定义如下面积阈值进行有效压板区域筛选：
其中，area(i)为按照区域面积从大到小的排列。该阈值含义为：像素面积大小排在前5位的区域面积平均值，再乘以0.3作为判断裕度。像素面积大于阈值threshold_area的区域即可视为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
2)、尺寸分析。由于有效压板具有一定的尺寸，对应区域在图像上应占有一定的像素比，即区域边界沿着x、y维方向的长度(像素)分别与图像在x、y方向的像素大小具有一定比值。为此，定义如下像素尺寸阈值：
threshold_xwidth＝pixel_xmax/100
threshold_ywidth＝pixel_ymax/100
其中，pixel_xmax、pixel_ymax分别为图像在x、y方向的像素。若区域边界沿着x、y方向的长度均大于对应阈值，则该区域为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
3)、形状分析。由于有效压板具有一定的形状，对应区域在图像上具有一定的等效长宽比，即像素意义下，与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆长轴与短轴长度的比值，为提取有效压板区域。定义如下形状比例阈值：
threshold_ratioshape＝2
即若区域对应的等效长宽比值大于2，则该区域为备选有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
通过上述三种形态分析，能同时被归为备选有效压板区域的为最终有效压板区域，否则视为背景干扰区域。
所述步骤6比较步骤5筛选出的有效压板个数是否等于已知，若相等则下一步，否则重新进行图像采集并重复步骤2～步骤5。
所述步骤7为识别有效压板投退状态，定义压板图像区域的方向角angle，即与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴与x轴的交角。压板投入状态时，方向角为±90度；退出状态时，方向角为±45度。如图2所示。为准确判断有效压板的投退状态，并考虑屏柜图像采集角度偏移的影响，设置一定的判断裕度，取±10度，所得压板投退状态state识别判据如下：
所述步骤8依据各区域重心，按照从上至下、从左至右的顺序确定步骤5所得有效压板的顺序，进而得到屏柜有效压板投退状态的标识序列，1为投入、0为退出。
下面结合采集到的某变电站二次屏柜压板图像识别实例对发明作进一步的详细说明。
实施例：
本实例中采集到的某变电站二次屏柜压板图像分辨率为1280x960像素，水平和垂直分辨率为96dpi，如图3所示。由图可知，屏柜上含有14个有效压板，对应表征开关状态的标识序列为11100111011000。通过图像的rgb值提取其中的有效色块部分，并将其余部分置为黑底，结果如图4所示，进而对其进行二值化，所得结果如图5所示。由图5可知，由于图像的分辨率较低且拍摄角度原因，导致提取到的有效压板面积各异且边界较不规则。基于形态学方法进行孔洞填充，所得图像如图6所示。
对所得孔洞填充后的二值化结果图计算所有区域的形态特征，并根据所提压板状态识别方法从中选出有效压板区域，对应区域的编号(no)、各区域的像素总个数(area)、边界沿着x维数方向的长度(xwidth)、边界沿着y维数方向的长度(ywidth)、与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴长度(amajor)、与区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的短轴长度(aminor)等形态特征见表1。
表1有效压板区域的形态学特征
由表1可知，识别出的有效压板区域个数与待识别的有效压板个数相等，均为14，进一步计算与各有效区域具有相同标准二阶中心矩的椭圆的长轴与x轴的交角(方向角angle)及对应的重心位置(xcore、ycore)，见表2所示。将各方向角带入压板投退状态识别判据中，识别出有效压板区域的投退状态(state)，再根据各有效压板区域的重心按照从上至下、从左至右的顺序将有效压板排序，所得编号顺序为：#2、#6、#20、#23、#40、#36、#42、#1、#4、#15、#30、#35、#41、#29，对应投退状态序列为11100111011000。所得有效压板状态序列与已知的完全一致，即所提方法准确识别出了所有有效压板的投退状态。
表2有效压板的方向角与重心