王方,岳艷杰,邱道尹,朱云

（1.華北水利水電學院，河南鄭州450011;2.四川農業(yè)大學，四川雅安625014）

在電力系統(tǒng)中，往往由于設備溫度發(fā)生異常而導致不必要的故障。因此通過監(jiān)測電力設備的各種溫度狀態(tài)變化，可以對設備的故障做出診斷。在變電站里露天安置著各種變電設備，其中刀閘觸頭、接線排、開關等部件需要進行實時非精確的溫度監(jiān)控，當檢測點溫度超出某設定值時給予報警并在監(jiān)控中心顯示溫度值。使技術人員及時發(fā)現、跟蹤、排除故障，確保電力設備安全運行。利用紅外技術對電力設備進行溫度監(jiān)測已越來越多地被應用。目前常用的測溫方法有文獻[1-2]所介紹的紅外點溫儀、紅外熱電視和紅外熱像儀等。

1 測溫整體方案設計

該方案基于自源無線紅外溫度傳感器，利用微型太陽能電池為測溫模塊、紅外LED發(fā)射設備和單片機提供電源，解決了變電站內無電源難布線問題。利用紅外信號將溫度信息傳送給紅外監(jiān)控系統(tǒng)，用各種濾波、平均值和小波變換等方法對紅外熱圖像去噪處理，利用紅外理論構建熱圖像的測溫模型。結合圖像識別技術，解決高溫高壓惡劣環(huán)境條件下變電站溫度檢測、報警等問題。

該監(jiān)控系統(tǒng)分3大部分:測溫現場、監(jiān)控現場和監(jiān)控室，如圖1所示，其中測溫現場每一個結點模塊組成框圖如圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成結構圖

圖2 測溫現場每一個結點模塊組成框圖

2 無線供電電源的選擇

2.1 鋰電池供電

鋰電池是由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)，使用以下反應：Li+MnO2=LiMnO2為氧化還原反應放電。鋰電池廣泛應用于風力、火力、水力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)。按所用電解質不同分為：①固體電解質鋰電池；②有機電解質鋰電池；③鋰水電池；④無機非水電解質鋰電池；⑤高溫熔融鹽鋰電池。鋰電池的優(yōu)點是單體電池電壓高，比能量大，儲存壽命長，高低溫性能好，可在（-40℃～150℃）使用。缺點是價格昂貴，安全性不高。但該方案使用鋰電池供電還存在以下缺點：①不能大電流放電，安全性差，有發(fā)生爆炸的危險；②使用壽命有限，更換電池有困難。

2.2 溫差發(fā)電

半導體溫差發(fā)電[3]利用兩種材料的溫度差直接把熱能轉化為電能，其工作原理是賽貝克效應[4-5]。由不同材料A、B組成的回路，當A、B的溫度不同時，在回路中會產生電流，這就是賽貝克(Seebeck)效應。把P型半導體和N型半導體在熱端連接，在冷端即可得到一個電壓。若將多個PN結串聯(lián)起來就可得到足夠大的電壓，組成一個溫差發(fā)電機來進行溫差發(fā)電。它無需化學反應且無機械移動，因而無燥音、無污染、使用壽命長等優(yōu)點。但溫差發(fā)電效率低、電源不穩(wěn)定。

2.3 電流互感器取電

該方案考慮變電站設備本身有電流通過，采用電流互感器取電[6-7]解決電源問題。電流互感器取電的工作原理如圖3所示。

圖3 電流互感器取電原理圖

互感器二次側的感應電勢和鐵心磁通有如下關系

當一次側電流是正弦電流，即i1=sin ωt,可得感應電動熱勢有效值。

式（3）中，N2為二次側線圈匝數；Φm為主磁通；f為一次側電流頻率；B為鐵心磁感應強度；S為鐵心截面積。

電流互感器取電系統(tǒng)框圖如圖4所示。此供電方案主要通過磁場取能，電力設備通過的電流會產生磁場，通過磁場產生的能量在磁感應線圈的次級側產生感應電壓，在經過整流、濾波和電源變換轉換成所需電壓；磁場有效值在隨電流變化，當電流正常或出現大電流時，一方面向溫度測量和紅外LED提供所需的穩(wěn)定電壓，另一方面向超級電容充電。當飽和大電流時對后續(xù)電路進行穩(wěn)態(tài)保護以提供穩(wěn)定電源，滿足測溫模塊的需要；當電流很小或斷電時磁場取能小無法滿足測溫模塊的需要，由超級電容對后面的負載供電，此方案設計利用超級電容，一是可控制飽和大電流，將能量儲存起來；二是可在小電流或短期斷電時作為輔助電源供電。

圖4 電流互感器取電系統(tǒng)框圖

2.4 太陽能電池供電

太陽能電池供電[8]是利用光伏效應將光能轉換成電能的半導體器件。光伏發(fā)電的整個過程都是固態(tài)且自容式的。也就是說，沒有任何活動部件，即沒有物料消耗，也不產生任何排放。它的基本構造是由半導體的P-N結組成，半導體N型中含有較多的空穴，而半導體P型中含有較多的電子，這樣，把N型和P型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差。當太陽光照射電池表面時，PN結中的N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而在PN結兩側集聚形成電位差。太陽能供電的優(yōu)點：① 分布廣；② 無污染；③ 長期性；④ 能源巨大。但也存在以下缺點：①能量密度低；②電源的不穩(wěn)定；③轉化效率低和成本高。

該方案采用太陽能電池供電，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，在太陽能電池的后面安裝了一個超級電容，太陽能電池產生的電一方面直接給自源無線紅外溫度傳感器供電，另一方面把多余的電能儲存在超級電容里，也就是對超級電容充電。當遇到連續(xù)陰雨天氣，太陽能供電不足時，由超級電容對自源無線紅外溫度傳感器補充供電，這樣兩者的結合使供電電源有了可靠的保證。

超級電容相比鋰電池有4個優(yōu)點：

1）充放電次數可達到100 000次；

2）可提供持續(xù)很高的放電電流；

3）可快速地充電；

4）維護工作量少。

3 自源無線紅外溫度傳感器

3.1 自源無線紅外溫度傳感器

自源無線紅外溫度傳感器無需外供電源，以紅外線傳輸信號的測溫裝置，可在高壓、高溫、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。工作原理如圖5所示。

圖5 溫度傳感器工作原理圖

該方案把傳感器的底部與被測高溫體相連接，將高溫體的溫度有效地傳送給測溫模塊TC77，太陽能電池一方面給TC77測溫模塊、PIC10F206單片機和紅外LED供電，另一方面給超級電容充電。TC77測溫模塊將測得的溫度值送給PIC10F206單片機，PIC10F206單片機輸出信號為數字信號，用D/A轉換器轉化為電流信號驅動LED發(fā)出紅外光線。溫度越高對應轉化電流越大，從而通過調整電流，即可調整發(fā)光強度，對應達到測量溫度的目的。通過監(jiān)控現場的紅外攝像機接收，給出設限報警和溫度等級顯示，保護熱電阻的作用是將紅外管的工作電壓限制在最大值以下。

3.2 測溫模塊TC77

檢測點溫度采集我們采用MICROCHIP公司生產的低功耗數字溫度傳感器TC77[9]。它特別適用于低成本和小尺寸場合，它從固態(tài)傳感器得到溫度并將其轉換成數字數據，再將轉換后的溫度數字數據存儲在其內部寄存器中，并能在任何時候通過SPI串行總線接口或Microwire兼容接口讀取，實現短距離的高速同步通信。TC77的內部結構如圖6所示。TC77與單片機的接口硬件連接原理如圖7所示。

圖6 TC77的內部結構圖

圖7 TC77接口硬件連接原理圖

該方案選用的MICROCHIP半導體公司生產的智能化溫度傳感器TC77有以下特點：

1）溫度測控的低成本、體積小，經濟性好；

2）現場溫度測量以數字方式傳輸，抗干擾性能更強；

3）有兩種工作模式連續(xù)溫度轉換模式和關斷模式，功耗更低；

4）溫度分辨率為0.062 5℃／LSB，精度更高。

3.3 紅外LED發(fā)射模塊

紅外發(fā)光二極管[10]發(fā)光強試與注入電流有直接關系，紅外二極管正向電流越大其輸出光功率越大?？梢杂秒姽廪D換曲線來表示,即P-I特性曲線如圖8所示。紅外LED常采用輻射通量P（輸出光功率）表示光強度的大小，單位為mW，輸入PN結的電流為IF。

圖8 紅外二極管光輸出功率與注入電流的關系曲線

4 自源無線紅外溫度傳感器

4.1 紅外攝像機選擇

紅外攝像機測溫的關鍵要得到準確、可靠的紅外圖像，但是對電力設備進行現場監(jiān)測時，由于現場各種條件的影響，可能導致測量結果與實際相差很大。所以為了得到準確的監(jiān)測結果，必須分析造成干擾的因素，對監(jiān)測結果有影響的因素有很多，如電力設備本身發(fā)射率的影響、設備熱輻射的影響、太陽光產生輻射的影響、環(huán)境溫度的影響、大氣衰減的影響和風力的影響。該方案選擇的紅外攝像機主要考慮分辨率、成像靈敏度、光譜響應等主要特性。表1給出了實際測量中1號刀觸頭監(jiān)控溫度與實際溫度的對比數據?？梢钥闯鰷y溫誤差小于±6℃，滿足項目監(jiān)控測溫的要求。

表1 實際溫度與指示溫度 ℃

4.2 紅外攝像機信號接收

紅外二極管中電流與其發(fā)光強度有關[11]，通過二極管電流越大，其發(fā)光強度越強，則對應灰度圖的灰度值越大。下面實驗測定電流與對應灰度值之間關系，實驗采用穩(wěn)定的6 V電源和電位計對紅外二級管持續(xù)供電，用軟件通過對攝像機獲取的測試點的灰度值進行讀取。電流大小不同所對應的紅外圖像中光點的亮度是不同的，進行灰度處理后，采用灰度值對圖像亮度進行分析對比，可更加有效地確定不同灰度值對應的電流。表2是通過實驗得到的試驗參數與灰度圖像的對應關系。

表2 各試驗參數與灰度圖像的對應關系

由表2可知，不同的灰度圖像的灰度值和電流值是一一對應的，這樣就可以進一步計算出對應的溫度值，從而實現設計要求的溫度測量及在溫度過高時報警的功能。

4.3 圖像處理與識別

CCD獲取現場監(jiān)控畫面和設備發(fā)熱缺陷圖像[12-13]后，由相關分析方法進行預處理，校正圖像的顏色信息，對在現場采集的帶噪聲圖像進行平滑、增強處理，以突出識別目標。并對預處理后的圖像進行識別、目標的分割和濾波，對分割出來的目標圖像進行特征提取及分類，根據得到的坐標確定出發(fā)熱缺陷的具體位置并報警，最后對事故的相關信息進行統(tǒng)計并存入數據庫。圖像處理流程如圖9所示。

圖9 圖像處理流程圖

4.4 圖像軟件界面顯示

本系統(tǒng)以NI的LabVIEW及NI-DAQmx開發(fā)系統(tǒng)[14-16]為基礎來實現的軟件功能，利用LabVIEW軟件編寫的軟件界面如圖10所示。本系統(tǒng)用測溫現場的照片為背景圖，在圖上標好每一個測溫點的具體位置和編號，把每一點紅外圖像信息通過圖像處理技術得到相應點的溫度值，并在背景圖的相應編號上實時顯示，也可以選取相應點進行詳細查詢。可以通過在數據庫內預先設置報警溫度值，當對應位置的溫度和溫升高于預設值時，報警燈將閃爍并報警，將溫度值自動存儲，并可以與監(jiān)控現場的視頻圖像兼容，實現紅外圖像和視頻圖像的切換。

圖10 圖像軟件界面

5 結論

該方案用紅外攝像機代替了昂貴的紅外熱像儀對電力設備進行實時非精確的溫度監(jiān)控。利用太陽能電池為自源無線紅外溫度傳感器供電，解決了變電站內無電源難布線等問題。并開發(fā)了軟件界面進行實時監(jiān)控，做到了各被測點的溫度、濕度、風速實時顯示。該方案是用變電站的實拍照片作為背景在其軟件界面顯示各個測量點的溫度信息，如果能在紅外信號顯示的同時，以現場視頻信號作為背景，這樣使紅外溫度信號與視頻信號的融合，將會得到更加生動直觀的被測點的信息。

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