摘要：高压断路器是电力系统中的重要设备，其运行可靠性对电网的保护与控制至关重要。而机械特性参数是评价断路器操动性能的重要指标。本文将介绍一种基于计算机视觉技术的断路器机械特性参数测试系统，系统的设计将从硬件和软件两方面进行介绍。
关键词：断路器；机械特性；系统设计
1引言
高压断路器是一种专用于断开或接通电路的开关设备，在电力系统正常运行时它能够接通或切断负荷电流；在电气设备或线路发生短路故障、严重过负荷时，能够由继电保护装置控制而迅速切断故障电流，以防止事故范围的扩大[1-4]。断路器的运行可靠性对电网的稳定运行具有重要意义。利用计算机技术测试断路器的机械特性参数是一种新方法[5]。本文将介绍一种基于计算机视觉技术的断路器机械特性参数测试系统，分别介绍测试系统的硬件组成和软件组成。
2硬件系统设计
本测试系统的组成包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括高速相机、LED聚光灯、NI PXI机箱。
2.1高速相机
本文所用的相机为德国MotionBLITZ高速相机，如图1。该相机在分辨率为1280
1024时帧率能够达到506fps，而在分辨率为128
10时帧率能够达到最大为79540fps。相机的动态范围是90dB，像元大小为14um，像素深度为8bit，内存为8G，光谱范围为400-900nm，最小曝光时间为2μs，具有分辨率高、帧率高、成像稳定等优点，能够很好地适用于观察物体的高速运动过程。
图1 MotionBLITZ高速相机
相机的数据接口采用GigE Vision进行传输，GigE Vision是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，其是由AIA创建并推广，能通过网络传输视频信号，尤其适用于工业成像应用。相比其他数据接口，如Camera Link、IEEE 1394、USB等，GigE Vision具有传输距离长、传输数据率高、传输稳定等优点，允许用户在长距离上用廉价的标准线缆进行快速传输图像，也能够在不同厂商的软硬件之间轻松实现传输交互。
2.2 NI PXI机箱
在运算主机方面，本文采用美国NI公司开发的PXIe-1062Q型号机箱。PXI是一种坚固且基于PC的平台，适用于测量和自动化系统，PXI结合了PCI的电气总线特性、CompactPCI的模块化及Eurocard的机械封装特性，并增加专门的同步总线，具有高性能、低成本的优点，可广泛用于制造测试、军事、航空、机器监控、汽车和工业测试等领域。PXIe-1062Q机箱是为各种测试和测量应用程序设计的，其高带宽背板可提供每插槽高达1 GB/s的专用带宽以满足高效运转需要，具有4个PXI外围插槽、1个拥有系统定时功能的PXI Express插槽、2个既可接受PXI外围模块又可接受PXI Express外围模块的混合插槽。NI PXIe-1062Q机箱具备最新PXI规范的所有特性，总计系统带宽超过3GB/s，可满足各种高处理能力应用软件的需求。
图2 PXIe-1062Q型号机箱
2.3 LED聚光灯
图3 博朗LED-CD系列聚光灯
实验现场采用光源为博朗LED-CD系列聚光灯，如图3所示。该聚光灯采用全新电路设计，具有光线柔和、均匀、舒适、节能等优点。其光效为80-90LM/W，色温为5400K±200k，照射角度大于120°，能够很好地为高速相机提供现场光线强度，满足实验现场的要求。
搭建的断路器测试系统硬件连接如图4所示。高亮度LED聚光灯为高速相机提高足够的光强，断路器动作时线圈电流将触发高速相机工作，捕捉断路器分合闸过程，得到的高速图像序列通过传输通道传至NI PXI机箱，机箱中编写的专用测试软件将图像序列进行处理、分析、计算，最后得到断路器机械特性参数。
图4 测试系统硬件连接图
3软件系统设计
系统的软件部分采用LabVIEW软件平台编写主体程序以及用户界面，同时对图像匹配算法进行优化，调用优化后的算法对目标进行识别跟踪。
3.1 LabVIEW软件平台介绍
本测试系统软件部分由LabVIEW软件平台设计开发。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，由美国国家仪器National Instruments（NI）公司研制开发。LabVIEW具有前面板，用户能够通过前面板创建用户界面，实现对程序软件的控制并使结果显示在前面板，具有很好的交互功能；其程序语言部分采用的是图形化编辑语言，且可以添加所需的各个模块，具有很好扩展功能[6]。LabVIEW软件开发平台广泛应用于测试、测量、控制、仿真等领域，能够快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。
3.2 测试软件工作流程
断路器机械特性参数测试软件工作的基本步骤包括：动作电流触发相机拍摄、图像序列导入、图像预处理、感兴趣区域（region of interest，ROI）设定、目标跟踪识别、参数计算输出。软件工作流程如图5所示，具体工作内容为：首先，用户通过软件界面启动运行测试软件，断路器动作时线圈电流将触发高速相机工作。高速相机捕捉断路器分合闸过程中的高速图像序列再传输至NI PXI机箱，测试软件按照顺序逐一提取图像，并对图像进行预处理（包括：图像滤波、增强、平滑等操作），使得图像去噪、清晰，具有良好的视觉效果。再在预处理后的图像中，以包含主轴或连杆的附近区域作为ROI区域，ROI的设定是为了缩小待处理的图像面积，提高计算速度。接着设置目标模板并选择匹配算法，在设定的ROI区域中对目标进行跟踪识别[7]，获得目标坐标、运动速度等数据，对数据进行计算分析最终获得机械特性参数。
图5 测试软件工作流程图
4 结论
高压断路器是电力系统中的重要设备，机械特性参数是评价其操动性能的重要指标。故对断路器机械特性参数的测试具有重要意义。本文介绍了一种基于计算机视觉技术的断路器机械特性参数测试系统，系统分为硬件和软件两方面。本文详细地阐述了各个硬件器件的参数型号以及连接方式。软件设计采用LabVIEW开发平台，由LabVIEW设计系统软件，最后分析了测试软件的工作流程。
参考文献：
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[6]雷巧利.基于LabVIEW的机器视觉测量技术及应用[D].西安电子科技大学，2011
[7]章毓晋.图像处理和分析基础[M].高等教育出版社，2002
作者简介：
吴成坚（1993-），男，硕士，研究向为电气设备在线监测与故障诊断。
论文作者:吴成坚,孙温和,金浙湘,金新朋,王章宇,陈斌雷
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：断路器论文; 测试论文; 特性论文; 软件论文; 机械论文; 系统论文; 相机论文; 《电力设备》2018年第33期论文;