王 彦，张薇薇，张庆伟，付龙明，黄 辉

(1.贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州 贵阳 550004；2.中恒博瑞数字电力科技有限公司，北京 100085)

0 引言

当前，随着各个领域对电力系统研究的不断深入，继电保护设备的使用率大幅提升[1]。继电保护设备运行维护的难度较大，产生的数据较多。利用传统运维方式管理继电保护设备信息时，工作量大、质量效果差，给后续信息查阅等工作带来了一定的困难[2]。因此，相关领域专家纷纷对继电保护设备信息管理系统展开了研究。张惠等[3]设计了一种电网继电保护与故障信息管理系统。在继电保护及故障信息管理系统主站设计中，将系统分为三个不同的层次：第一层是通信层，主要负责数据的整理、传输和共享；第二层是数据层，主要负责厂站端数据和其他系统数据的汇总、整理和分析；第三层是应用层，主要以支持系统为基础开展资源管理和数据计算等工作。姚瑾等[4]设计了一种继电保护设备管理信息系统。该系统主要包括工作统计管理模块、运行缺陷管理和动作统计模块、工作任务模块、数据处理模块、系统管理模块。这些模块既可以单独工作，又可以协同工作，能更好地满足用户对信息的需求。以上系统虽能提高继电保护的能力，但维护费用较高，图像处理后的目标不清晰，图像上传时间、图像识别时间、信息下载时间欠佳。

基于此，本文设计了一种基于移动应用和图像识别的继电保护信息管理系统。该设计将移动通信网络与计算机图像识别技术应用于继电保护设备信息管理中，以提升继电保护设备信息管理效果。

1 继电保护信息管理系统设计

1.1 主站结构设计

本文以变电站内的继电保护设备为研究对象，设计了基于移动应用和图像识别的继电保护设备信息管理系统。该系统通过采集管理对象的全部信息并对其作实时分析处理，向使用者提供操作、分析、查询与报警等使用功能[5-6]。系统整体分为主站与子站两部分，通过移动通信网将主站与子站连接为一个整体。系统主站结构如图1所示。系统主站主要包括数据服务器A、磁盘阵列、数据服务器B、运行管理工作站、整定计算工作站和故障分析工作站等。

图1 系统主站结构图

数据服务器A和数据服务器B的主要功能是将系统主站获取的数据经解析后存储至数据库内，供其他应用程序查阅使用。运行管理工作站的主要功能是管理系统内继电保护设备运行与管理过程中设备基本信息，实现系统参数、设备运行管理与图档管理的标准化、数字化与智能化。整定计算工作站的主要功能是对系统数据的整定计算机进行校核。故障分析工作站的主要功能是获取继电保护设备运行的实时信息并完成信息显示与存储、系统历史数据的汇总查询与分析、继电保护设备与录波器数据应用以及设备故障定位等。

1.2 系统子站结构设计

当前，电力系统内的大部分变电站均实现了自动化监控，因此在系统子站结构设计中主要以移动巡检测控模块、继电保护装置与移动智能设备(如移动智能手机等)的接入方式为重点[7]。系统子站结构如图2所示。

图2 系统子站结构图

1.2.1 继电保护装置的接入

在系统子站内，全部继电保护装置、移动巡检测控应用和移动智能设备均由一个管理机进入。管理机利用移动通信网络将信息传输至监控模块内。这种继电保护装置的接入方式具有耗资低、变化小等特征，可应用于已经运行的变电站继电保护信息管理系统中。

1.2.2 监控模块设计

移动巡检测控装置通过移动智能设备与移动巡检测控系统等完成继电保护设备信息的采集，并通过自动纠错功能检测所采集信息的准确性，随后将信息通过移动通信网络传入监控模块的服务器内。

图像处理流程如图3所示。

图3 图像处理流程

监控模块工程师站内的图像识别过程主要是对所采集的继电保护设备图像进行预处理、图像分割、特征提取和选择，以此确保移动巡检测控装置在获取重要的场景后拥有充足的数据用于分析[8]。

在上述过程中，图像预处理采用均值滤波算法对所输入图像进行滤波处理，实现图像降噪。均值滤波根据初始图像内的全部像素确定均值，以均值取代初始图像内各像素值。该方法运算过程简单，能够较好地抑制高斯噪声。均值滤波式描述如下。

(1)

式中：h(x,y)为滤波后图像在此点上的灰度值；S为滤波模板面积；(x,y)为待处理的当前像素点；Z为滤波模板全部像素数量。

针对降噪后的图像，采用最大类间方差法进行图像分割。若滤波处理后的图像为彩色图像，需对其实施灰度化处理。

假设：M×N和T分别为灰度图像尺寸和分割阈值;y0为目标的像素点所占图像整体像素比值；y1为背景像素点所占图像整体像素比值；φ0、φ1和φ分别为目标像素点、背景像素点和整体的灰度均值；N0为目标像素数量；N1为背景像素数量；H0为目标的灰度值总和；H1为背景的灰度值总和。以c为类间方差，对上述参数进行求解。

(2)

(3)

y0+y1=1

(4)

(5)

(6)

φ=φ0×y0+φ1×y1

(7)

c=y0×(φ-φ0)2+y1×(φ-φ1)2

(8)

将式(7)代入式(8)，可得：

c=y0×y1×(φ0-φ1)2

(9)

通过遍历图像内的全部像素值，能够令h达到上限值的像素即为最优分割阈值。

针对图像分割过程获取的目标图像，首先利用卷积神经网络提取图像特征，然后通过信息判断得到最终的图像识别结果，最后在保护模块内对所有图像识别结果进行汇总。

1.3 移动通信网络协议结构

系统子站利用移动通信网络与系统主站进行通信。移动通信网络采用无线应用协议(wireless application protocol,WAP)。WAP协议栈如图4所示。

图4 WAP协议栈

以层级模式设计的WAP协议栈内，各层协议栈均有对应接口，不仅能够被上层协议访问，还能够被其他服务与应用程序直接应用，以此提升系统开发设计的可伸缩性与可扩展性[9-10]。

WAP协议栈内共包含以下五个层级。

①包含无线应用环境的应用层。应用层的主要功能是为系统服务与应用程序提供交互操作环境，在灵活性最高的情况下将不同服务与应用程序接入各模块。

②包含无线会话协议的会话层。会话层优化了低功率、长等待时间的网络数据载体，并向应用层提供两个会话服务的统一接口，分别是在事务层上操作的面向连接的服务和在传输层上的非连接服务。

③包含无线事务协议的事务层。事务层主要在数据服务上运行，主要针对移动终端数据传输，并且能够优化移动终端。

④包含工业标准传输层安全协议的安全层。安全层以安全传输协议安全套接字协议(secure sockets layer,SSL)为基础，优化WAP传输过程中应用的低带宽通信信道，并提供不同应用之间的认证、隐私与安全，确保通信过程的完整性与安全性。

⑤包含无线数据报协议的传输层。传输层能够单独在底层的无线网络中引用，主要功能是数据传输与信息的发送与接收，并向WAP上层协议提供服务支持，确保数据传输过程的透明性。传输层在传输接口与基本特征相同时通过中间网关达到整体工作的互用性，达成无线数据顺利传输。

2 试验分析

为验证本文所设计的基于移动应用和图像识别的继电保护信息管理系统在实际电力系统继电保护设备信息管理中的应用效果，选取某市电力系统作为应用对象，采用文献[3]系统、文献[4]系统以及本文系统对应用对象的继电保护设备进行信息管理，从而测试本文系统在管理过程中的各项性能。

2.1 系统应用环境测试

考虑本文系统以移动与图像识别技术为基础，首先对系统应用环境进行测试。测试内容主要为系统在不同网络环境下对于所采集的图像进行上传、识别与信息下载的时间。试验从所采集的600个继电保护设备图像内随机选取10个场景图像作为测试目标，在不同网络环境下获取10个测试目标的平均时间。测试过程中，所选10个场景图像的分辨率均为960×720像素。

应用测试结果如表1所示。

表1 应用测试结果

分析表1可知，从整体上来看，本文系统的客户端应用时间消耗均低于文献[3]系统以及文献[4]系统。其中：本文系统在移动4G、移动5G和Wi-Fi网络环境下的图像上传时间低于1 s；在移动4G、移动5G和Wi-Fi网络环境下，图像识别时间与信息下载时间低于1.25 s，但是在联通网络环境下图像上传时间、图像识别时间与信息下载时间均高于移动网络和Wi-Fi网络。这主要是因为中国移动和中国联通的无线频率不同，本系统更适应中国移动的无线频率。试验结果表明，本文系统的图像上传时间、图像识别时间、信息下载时间均优于文献[3]系统和文献[4]系统，且本文系统更加适用于移动网络与Wi-Fi网络环境。

2.2 图像识别性能

图像识别性能对于本文系统应用性能有重要影响。但在图像采集过程中，受外界环境影响，所采集图像易出现光照不均匀、目标与背景融合等问题。为此，还需在不同图像采集环境中测试本文系统的图像识别性能。

图像采集环境和图像测试效果如表2所示。

表2 图像采集环境和图像测试效果

分析表1与表2可知，光照条件、目标与背景融合度以及背景成本是影响图像质量的主要因素。与文献[3]系统以及文献[4]系统相比，采用本文系统对不同图像采集环境下所采集到的图像进行处理后，除图像编号7的采集环境外均可获取清晰目标图像。在图像质量极差的条件下，本文系统仍可以确保目标边缘信息完整，在背景无大面积噪点的条件下也能获取较为准确的目标信息。试验结果表明，本文系统能够有效处理不同的继电保护设备图像，并获取图像内的有效信息。

2.3 信息管理性能测试

为测试继电保护设备信息管理性能，本文将均方根误差作为信息分析性能的评价指标。评价指标值越小，表示本文系统的信息分析性能越好，分析结果越精准。在应用对象内全部继电保护设备中随机选取25个设备，利用不同系统对所选设备信息实施分析与管理，获取信息分析的均方根误差。信息分析的均方根误差如表3所示。

表3 信息分析的均方根误差

由表4可知，本文系统与文献[3]系统以及文献[4]系统相比，信息分析的均方根误差更低。其中，利用本文系统对所选继电保护设备信息实施分析管理的均方根误差值基本控制在0.12%以下，上、下限值分别为0.147%和0.000%，均值约为0.061%。由此可知，本文系统可以准确地分析继电保护设备运行信息，能够对继电保护设备运行产生积极影响，进而提升电力系统的安全性与稳定性。

2.4 系统应用测试

为测试本文系统在应用过程中的性能，选取某套继电保护设备，分别采用文献[3]系统、文献[4]系统与本文系统进行应用测试，并统计在使用一年中各系统维护所需费用(包括人工费用、物料费用等)。

系统维护费用对比结果如图5所示。分析图5可知，本文系统与文献[3]系统以及文献[4]系统相比：本文系统的运行维护费用更低，每月的平均费用仅为1.25万元；文献[3]系统与文献[4]系统的月平均费用分别为2.52万元、2.48万元。该结果充分说明采用本文系统进行继电保护设备信息管理后，可有效节约继电保护设备维护费用。

图5 系统维护费用对比结果

3 结论

为了提高继电保护设备信息管理的效益和降低运维成本，本文设计了一种基于移动应用和图像识别的继电保护信息管理系统。该系统利用图像识别技术识别所采集到的继电保护设备图像信息，并利用移动通信网络实现系统子站与主站间的信息通信。试验结果表明，本文系统能够准确识别图像信息、降低继电保护设备维护的费用，实际应用效果好。