一种基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法技术

本发明专利技术公开了一种基于归一化互相关图像金字塔扇形匹配(NCC‑P‑S)优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，该方法包括以下内容：安装断路器机械特性参数带电测试专用装置，调节装置参数，启动测试过程。利用高速相机捕捉与动触头运动关联的高速图像序列，确定断路器本体的主轴或拐臂上某一特征部位为运动识别目标。通过NCC‑P‑S优化算法识别运动目标，获得绝缘连杆或主轴的运动轨迹。使用多目标联动圆心定位法修正圆心的微小振动，用多目标联动加权判别法计算主轴旋转角，最后通过主轴与动触头的关联关系计算出断路器的机械特性参数。这是一种新的非接触式断路器机械特性测试方法，可解决传感器安装难题，能够实现断路器机械特性参数的带电测试。

A field test method for mechanical characteristics of circuit breakers based on NCC-P-S optimization algorithm

The invention discloses a live test method based on the normalized cross correlation image Pyramid fan matching (NCC P S) optimization algorithm. The method includes the following contents: installing a special device for measuring the mechanical characteristic parameters of a circuit breaker, adjusting the loading parameters, and starting the test process. The high-speed camera is used to capture the high speed image sequence associated with the moving contact motion, and the main axis of the breaker body or a characteristic part on the turning arm is a motion recognition target. The moving target is identified by the NCC (P) S optimization algorithm, and the trajectories of the insulated connecting rod or spindle are obtained. The multi target center location method is used to correct the small vibration of the center, and the rotation angle of the spindle is calculated by the multi target linkage weighted discriminant method. Finally, the mechanical parameters of the circuit breaker are calculated by the relationship between the spindle and the dynamic contact. This is a new method to test the mechanical characteristics of the contactless circuit breaker, which can solve the problem of sensor installation, and can realize the live test of the mechanical characteristic parameters of the circuit breaker.

【技术实现步骤摘要】
一种基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法
本专利技术涉及电气设备测试
，具体的，涉及一种通过归一化互相关图像金字塔扇形匹配(NCC-P-S)优化算法识别断路器动触头运动轨迹，进而得到断路器机械特性参数的方法。
技术介绍
高压断路器运行可靠性对电网的保护与控制至关重要，机械特性参数是评价断路器操动性能的重要指标。国标GB1984-2003规定，在断路器出厂检验和现场检修后都必须对其机械特性进行严格测试。主要参数包括：分(合)闸时间、分(合)闸同期性、开距、超程、刚分(合)速度、平均速度和最大速度等机械特性参数。目前，对高压断路器机械特性参数测试常采用接触式方法，需要退出运行后进行测试，常采用在拐臂或联杆处加装位移传感器、光栅传感器等。现场安装工艺水平和机械传动冲击影响传感器的测试精度，更重要的是这种“接触式”方法无法获得断路器带电情况下的机械特性参数，不能用于断路器运行状态的在线监测。结合计算机视觉和现代测量技术获得断路器机械特性参数是一种非接触式测试新方法。通过高速相机捕捉断路器操动过程，获得几千帧高速图像序列，传输和处理海量高分辨率图像耗时巨大，在对匹配算法速度和精度有很高要求的场合，现有的基于灰度的归一化互相关匹配(NCC)算法，虽然匹配精度高、不受灰度值线性变换的影响，但计算量大、运行速度慢，影响了在现场的实际应用。因此在保证识别精度的前提下，优化NCC算法跟踪目标的运动过程、提高算法速度是实现断路器机械特性参数带电测试的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种满足对断路器机械特性进行现场带电测试的非接触式测试方法，根据断路器操动中机械部件的联动过程及先验知识，优化高速图像序列的匹配算法，重点在断路器操动过程中对特定运动目标的快速准确识别。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于归一化互相关图像金字塔扇形匹配(NCC-P-S)优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，以断路器本体的主轴或拐臂上的某一特征部位作为运动识别目标，利用电流触发高速相机捕捉与动触头运动直接关联的高速图像序列，通过NCC-P-S优化算法识别运动目标，获得绝缘连杆或主轴的运动轨迹，进而得到断路器的机械特性参数。这是一种新的非接触式断路器机械特性测试方法，可解决传感器安装难题，且满足现场对运行中的断路器机械特性参数测试的精度和速度需求。步骤如下：(1)安装断路器机械特性参数带电测试专用装置，调节装置参数，捕捉断路器操动高速图像序列，并启动测试和计算分析过程；(2)在高速图像系列中先确定运动开始帧，选取该帧图像中断路器主轴拐臂上面的一个特征点作为目标A；(3)识别开始帧图像中目标A的中心坐标，由该坐标确定扇形感兴趣区域(ROI)，记为Z1；准备识别后续第k帧(k＝2，3，4，5，……)中Zk-1区域内目标A的中心坐标，并将依据该坐标重新调整扇形ROI，得到用于识别第k+1帧目标A中心坐标的限定区域Zk；(4)对第k帧的Zk-1区域内图像Gk做金字塔分解，通过金字塔跳跃搜索法找到图像Gk中的目标中心坐标；对图像序列中每帧都进行以上操作，从而得到目标A的坐标变化情况，连接每帧目标中心坐标即可得到动触头的运动轨迹；(5)如(2)相同的方法，选取断路器主轴拐臂上的另一个特定目标B，重复步骤(3)-(4)得到目标B的运动轨迹，以A、B两个目标，采用多目标联动圆心定位法修正圆心位置，解决振动引起的圆心位置微小偏移问题；(6)使用修正后的圆心坐标计算目标A、B运动旋转角，采用多目标联动加权判别法计算主轴旋转角；(7)最终得到目标运动轨迹、运动速度、主轴旋转角，通过主轴与动触头的关联关系计算出断路器的机械特性参数。步骤(1)所述的断路器带电测试专用装置：连接装置的主机、光源、高速相机、传输模块、电流检测触发模块及输出控制模块，调节合适的光源强度和角度，将相机摆放正对于断路器侧面，镜头垂直于传动主轴观测平面，调节焦距使断路器主轴清晰，调节帧率使得在断路器操动过程中捕获足够的图像帧数，以满足机械特性参数测试速度指标的需求(一般调节在2000帧/秒以上)，将电流检测触发模块的钳型传感器连接在断路器分(合)闸控制线圈。启动基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性参数测试专用软件，捕获高速图像序列，并开始进行计算分析。步骤(2)所述的目标A和B的选取，为断路器主轴或拐臂上具有明显几何特征或轮廓特征或灰度特征的部分。步骤(3)所述的扇形ROI：以第k-1帧图像目标中心坐标为参考，根据断路器操动中机械部件的联动过程及先验知识，沿运动方向做一个圆心角为α、半径为r的扇形ROI，该扇形区域包含需要识别的目标A或B，记作Zk-1。Zk-1随每帧图像目标中心坐标的变动沿触头运动方向进行动态调整，为第k帧图像的目标识别限定了区域。则第k帧图像中对应的Zk-1区域内包含第k帧需要识别的目标A或B，故此时只需在第k帧的Zk-1区域内图像中搜索即可快速找到目标，并依据此目标中心坐标重新调整扇形ROI，可得到用于识别第k+1帧目标A中心坐标的限定区域Zk。这种动态扇形ROI优化方法，在帧与帧之间进行动态扇形有向搜索优化，将匹配识别赋予了方向性并限定识别区域，根据断路器主轴拐臂的实际运动情况，从方向上减小了图像的搜索面积，从而提高匹配速度和精度。步骤(4)所述的金字塔跳跃搜索法：首先对识别目标进行金字塔分解，得到降分辨率的模板金字塔图层。再对第k帧的Zk-1区域内图像做金字塔分解，得到降分辨率的金字塔图层，首先使用NCC算法在最低分辨率的顶部图层(第n层)搜索目标的最低分辨率图层模板，寻找到该层的目标中心坐标由目标与模板相似度分值s和当前的金字塔图层位置决定跳跃层数，每一次的跳跃层数由下式决定：m＝INT[k1(s-p)+k2c]其中m为跳跃层数，k1、k2为比例系数，s为当前图层中目标与模板的相似度分值(满分为1000分)，p为匹配跳跃阈值，c为当前金字塔图层的位置，m＝INT[k1(s-p)+k2c]表示对计算结果取整数。用映射到跳跃后的第n-m层金字塔图像上，得到新目标中心坐标在以坐标为中心的映射区域内采用NCC算法重新搜索该层目标，可快速找到此即为修正后图像的目标中心坐标。依次进行跳跃搜索，直至搜索到底部图层的目标中心坐标此即为第k帧所求的准确目标位置。这种金字塔跳跃搜索法具有匹配速度快的优点。利用本专利技术的金字塔跳跃搜索法确定每帧图像中目标A的中心坐标，连接每帧目标中心坐标得即可到目标运动轨迹。步骤(5)所述的多目标联动圆心定位法：识别运动目标坐标位置的变化，得到断路器动触头的运动轨迹后，在计算机械特性参数时，是以拐臂主轴中心为圆心，而主轴圆心会由于断路器操动过程的本体振动而发生微小偏移，从而影响断路器机械特性参数的准确计算。本专利技术采用多目标联动圆心定位法对运动轨迹圆心进行修正，以两目标为例：对于高速图像序列中的相邻两帧图像，在两帧图像的目标A中心坐标点并做中垂线，得到LA；连接目标B在两帧图像的中心坐标点并做中垂线，得到LB。LA与LB交点O即为该帧修正后的圆心坐标。步骤(6)所述的多目标联动加权判别法：为减少环境因素和识别误差对结果的影响，当得到目标A、B的运动旋转角后，首先根据断路器型号、分合闸过程中最大速度等先验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于归一化互相关图像金字塔扇形匹配(NCC‑P‑S)优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，其特征在于，包括步骤：(1)安装断路器机械特性参数带电测试专用装置，调节装置参数，捕捉断路器操动高速图像序列，并启动测试和计算分析过程；(2)在高速图像系列中先确定运动开始帧，选取该帧图像中断路器主轴拐臂上面的一个特征点作为目标A；(3)识别开始帧图像中目标A的中心坐标，由该坐标确定扇形感兴趣区域(ROI)，记为Z1；准备识别后续第k帧(k＝2，3，4，5，……)中Zk‑1区域内目标A的中心坐标，并将依据该坐标重新调整扇形ROI，得到用于识别第k+1帧目标A中心坐标的限定区域Zk；(4)对第k帧的Zk‑1区域内图像Gk做金字塔分解，通过金字塔跳跃搜索法找到图像Gk中的目标中心坐标；对图像序列中每帧都进行以上操作，从而得到目标A的坐标变化情况，连接每帧目标中心坐标即可得到动触头的运动轨迹；(5)如(2)相同的方法，选取断路器主轴拐臂上的另一个特定目标B，重复步骤(3)‑(4)得到目标B的运动轨迹，以A、B两个目标，采用多目标联动圆心定位法修正圆心位置，解决振动引起的圆心位置微小偏移问题；(6)使用修正后的圆心坐标计算目标A、B运动旋转角，采用多目标联动加权判别法计算主轴旋转角；(7)最终得到目标运动轨迹、运动速度、主轴旋转角，通过主轴与动触头的关联关系计算出断路器的机械特性参数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于归一化互相关图像金字塔扇形匹配(NCC-P-S)优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，其特征在于，包括步骤：(1)安装断路器机械特性参数带电测试专用装置，调节装置参数，捕捉断路器操动高速图像序列，并启动测试和计算分析过程；(2)在高速图像系列中先确定运动开始帧，选取该帧图像中断路器主轴拐臂上面的一个特征点作为目标A；(3)识别开始帧图像中目标A的中心坐标，由该坐标确定扇形感兴趣区域(ROI)，记为Z1；准备识别后续第k帧(k＝2，3，4，5，……)中Zk-1区域内目标A的中心坐标，并将依据该坐标重新调整扇形ROI，得到用于识别第k+1帧目标A中心坐标的限定区域Zk；(4)对第k帧的Zk-1区域内图像Gk做金字塔分解，通过金字塔跳跃搜索法找到图像Gk中的目标中心坐标；对图像序列中每帧都进行以上操作，从而得到目标A的坐标变化情况，连接每帧目标中心坐标即可得到动触头的运动轨迹；(5)如(2)相同的方法，选取断路器主轴拐臂上的另一个特定目标B，重复步骤(3)-(4)得到目标B的运动轨迹，以A、B两个目标，采用多目标联动圆心定位法修正圆心位置，解决振动引起的圆心位置微小偏移问题；(6)使用修正后的圆心坐标计算目标A、B运动旋转角，采用多目标联动加权判别法计算主轴旋转角；(7)最终得到目标运动轨迹、运动速度、主轴旋转角，通过主轴与动触头的关联关系计算出断路器的机械特性参数。2.根据权利要求1所述的基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，其特征在于，包括断路器机械特性参数带电测试专用装置：包括主机、光源、高速相机、传输模块、电流检测触发模块和输出控制模块；高速相机的摆放正对于断路器侧面，镜头垂直于传动主轴观测平面，帧率调节在2000帧/秒以上。3.根据权利要求1所述的基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，其特征在于，目标的选取为断路器主轴或拐臂上具有明显几何特征或轮廓特征或灰度特征的部分。4.根据权利要求1所述的基于NCC-P-S优化算法的断路器机械特性现场带电测试方法，其特征在于，包括扇形ROI及其动态调整方法：以前一帧图像的目标中心坐标为参考限定下一帧图像的识别区域，并根据中心坐标不同和动触头(拐臂)运动方向进行动态调整，从而减小了图像的搜索面积、提高匹配速度和精度的ROI确定方法。5.根据权利要求1所述的基于NCC-P-S优化算法的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵书涛，吴成坚，李明，郝家伟，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13