韋 良 ，張青青 ，何 峰 ，孟繁國 ，陳 浩

(1.山東濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250001；2.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

溫度是表征變電設(shè)備運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，如果能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控變電設(shè)備的溫度，就可以使運(yùn)行人員隨時掌握設(shè)備的運(yùn)行工況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷，確保變電設(shè)備的正常運(yùn)行。 隨著電力工業(yè)的發(fā)展，變電站數(shù)量劇增而運(yùn)行人員卻在不斷減少，變電設(shè)備的運(yùn)行狀況越來越多的依賴遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控設(shè)備。如何能夠隨時監(jiān)控變電設(shè)備的溫度變化，及時了解設(shè)備的運(yùn)行工況，成為一個重要的研究課題。據(jù)統(tǒng)計，變電設(shè)備現(xiàn)場巡檢所發(fā)現(xiàn)的缺陷中，除了變電站綜合自動化系統(tǒng)所能反應(yīng)的缺陷，與溫度相關(guān)的設(shè)備隱患和缺陷占到了其中的80%以上，因此對變電設(shè)備在線測溫檢測技術(shù)的應(yīng)用是無人值班技術(shù)發(fā)展和狀態(tài)檢修的必然要求［1］。

傳統(tǒng)溫度測量方式反應(yīng)速度慢，并且要求測量設(shè)備必須與被測物體接觸，使用的局限性大，紅外測溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險場合的非接觸測溫，得到了廣泛應(yīng)用。然而現(xiàn)有的紅外測溫設(shè)備多為手持式，該類設(shè)備的體積較小，僅能夠?qū)ψ冸娫O(shè)備的某些部件進(jìn)行點式測溫，而且往往是要求在變電站的周期性巡視中由運(yùn)行人員到現(xiàn)場測溫，起不到隨時監(jiān)控變電設(shè)備運(yùn)行溫度的作用。

基于紅外成像的變電設(shè)備溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用外紅外成像技術(shù)，具有作用距離遠(yuǎn)、抗干擾、穿透力強(qiáng)、全天候、全天時工作等優(yōu)點，通過遠(yuǎn)程自動化信息傳輸和控制，對重要設(shè)備日夜連續(xù)監(jiān)控和紅外測溫，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的運(yùn)行變電設(shè)備進(jìn)行不停頓的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控。

1 紅外測溫原理

物理學(xué)指出，所有高于絕對零度的物體都會不停的以電磁波的形式向外發(fā)射出紅外輻射能量。輻射能量的大小及波長與它的表面溫度有關(guān)，通過對物體輻射能量的測量，能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫的理論依據(jù)。

普朗克定律反映了不同溫度下的光譜輻射度Pb隨波長λ的分布規(guī)律：

式中：k為波爾茲曼常數(shù)；λ為紅外線波長；T為黑體的熱力學(xué)溫度；C1為普朗克第一常數(shù)，C2為普朗克第二常數(shù)。

由于黑體是一種理想化輻射體，現(xiàn)實中并不存在，由此在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)斯特藩—波爾茲曼定律，輻射溫度與物體的實際溫度有如下關(guān)系：

式中：TS為物體的實際溫度；P(T)為物體的輻射度；ε(T)為物體的輻射率；σ為斯特藩—波爾茲曼常數(shù)，上述方程即為紅外測溫的物理學(xué)基礎(chǔ)。

運(yùn)行電氣設(shè)備的溫度都是高于絕對零度的紅外輻射源。紅外測溫系統(tǒng)通過鏡頭接收被測設(shè)備發(fā)出的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，通過相關(guān)軟件處理形成熱像供監(jiān)控使用。由于紅外線不受電磁干擾，非常適用于電磁場復(fù)雜的輸變電設(shè)備，并能遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)追蹤目標(biāo)。 紅外熱像系統(tǒng)能夠真正做到24 h全天候監(jiān)控，利用特定波段紅外線的“大氣窗口”，可以在夜晚、雨、煙等惡劣環(huán)境下，清晰觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)設(shè)備。 應(yīng)用紅外技術(shù)可以監(jiān)測電力設(shè)備的溫度變化，及時對設(shè)備故障做出診斷，特別是測量設(shè)備內(nèi)部溫度的變化［2］。

2 基于紅外成像的遠(yuǎn)程在線測溫方案

變電設(shè)備運(yùn)行溫度的實時監(jiān)控，從功能上劃分，該系統(tǒng)主要由紅外設(shè)備、傳輸控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、專業(yè)軟件組成。從地理位置上其結(jié)構(gòu)主要由前端變電站、傳輸網(wǎng)、監(jiān)控中心三大部分組成。其中：前端變電站設(shè)備主要有在線式紅外熱成像儀、攝像頭、傳感探測器、錄像機(jī)設(shè)備等組成。傳輸通道采用已經(jīng)建好的電力專用傳輸網(wǎng)。監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)管理所轄前端各個變電站，相應(yīng)權(quán)限由公司監(jiān)控中心的管理服務(wù)器統(tǒng)一分配，根據(jù)實際情況選擇錄像或者將其轉(zhuǎn)換為可視的紅外熱像信號輸出至顯示器。操作人員通過監(jiān)控平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、測溫分析、錄像、報警等一系列功能。監(jiān)控中心設(shè)置有服務(wù)器存儲設(shè)備、顯示器及軟件平臺等。具有用戶管理、數(shù)據(jù)配置管理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示、溫度監(jiān)測告警、日志紀(jì)錄、實時熱像監(jiān)控、溫度監(jiān)控報警、云臺控制功能、錄像管理等。

該紅外測溫系統(tǒng)采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在探測器上，它將入射的輻射能轉(zhuǎn)換成可測量的電信號并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。 運(yùn)行中的變電設(shè)備發(fā)出的紅外輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后，調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，再由探測器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號，該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路后，按照系統(tǒng)內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值，通過信息處理傳輸系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心，傳輸網(wǎng)絡(luò)采用已有的電力專網(wǎng)。 最后在監(jiān)控中心的顯示器上將一個區(qū)域內(nèi)的變電設(shè)備熱像實時顯示出來，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)由單片機(jī)、存儲器、I/O模塊，時鐘電路、通信模塊等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

軟件功能上以網(wǎng)絡(luò)集中管理和網(wǎng)絡(luò)傳輸為核心，完成信息采集、傳輸、控制、管理和存儲的全過程，能夠架構(gòu)在電力專網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)之上，并與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)無縫連接。實現(xiàn)監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)、集中管理，大大擴(kuò)展了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的功能，其軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

3 實際應(yīng)用

基于紅外成像的變電設(shè)備溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)在濟(jì)南供電公司 220 kV變電站得到了應(yīng)用，該系統(tǒng)的前端設(shè)備上采用了紅外和普通光成像兩種成像攝像頭，紅外熱像能夠隨時監(jiān)控變電設(shè)備溫度，普通光成像用于分辨紅外熱像所對準(zhǔn)的變電設(shè)備，便于監(jiān)控人員變辨別判斷。

圖4 使用舉例

通過該系統(tǒng)的使用，實現(xiàn)了監(jiān)控室對運(yùn)行變電設(shè)備的24 h不間斷遠(yuǎn)程熱像監(jiān)控，便于監(jiān)控人員及時了解設(shè)備的運(yùn)行工況，對設(shè)備故障做出準(zhǔn)確診斷，確保了變電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也極大地方便了變電監(jiān)控人員的工作。

該系統(tǒng)具有以下幾個特點：

1)實現(xiàn)了對運(yùn)行變電設(shè)備的24 h不間斷、全天候溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控，使運(yùn)行人員及時了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)缺陷后準(zhǔn)確定位。

2)實現(xiàn)了對大面積變電設(shè)備的區(qū)域性測溫，改變了原有紅外測溫設(shè)備只能針對設(shè)備某個點進(jìn)行溫度測量的現(xiàn)狀。

3)通過紅外遠(yuǎn)程測溫實現(xiàn)對運(yùn)行電氣設(shè)備的實時全面溫度檢測，發(fā)現(xiàn)常規(guī)手段所不能發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障。

4 結(jié)語

在線紅外遠(yuǎn)程測溫可以實時在線監(jiān)測和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障，對提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益降低維修成本。有利于推動無人值班變電站的智能化管理，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平，推動企業(yè)的科技創(chuàng)新，并為大規(guī)模推廣狀態(tài)檢修提供技術(shù)支持。