熊軍華，贠 超，王亭嶺

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院，河南 鄭州 450011）

0 引言

隨著現(xiàn)代電力工業(yè)向著高電壓等級、大容量的發(fā)展，為保證電力生產(chǎn)安全高效運(yùn)行，對電力設(shè)備狀態(tài)檢修提出了更高的要求。由于電力設(shè)備的熱效應(yīng)是多種故障和異?，F(xiàn)象的重要原因，因此對電力設(shè)備的溫度進(jìn)行密切監(jiān)測，是保障電力設(shè)備可靠運(yùn)行的必備手段[1]。目前，專門用于測量高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷的方法主要有兩類：利用紅外熱像儀進(jìn)行非接觸式測量與多種無線檢測裝置進(jìn)行的接觸式測量[2]。

利用紅外測溫技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行熱缺陷檢測已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，其中大部分是采用手持式紅外設(shè)備。近年來，也有將紅外與可見光攝像頭安裝在云臺上，在監(jiān)控計算機(jī)的控制下，自動循環(huán)采集變電站電氣設(shè)備的紅外熱譜圖[3]。利用固定位置紅外熱像儀在線測量時，測量精度受背景輻射、測量距離、環(huán)境溫度等因素影響很大，且存在紅外熱像儀檢測不到的死角，如其他設(shè)備的阻擋、置于電氣柜內(nèi)的設(shè)備等。而使用無線裝置對電力設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測時，由于高壓電會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場，對無線電波干擾很大，需選擇適當(dāng)頻率的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)低成本、短時延、免執(zhí)照頻段、高安全、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，是解決實(shí)時在線監(jiān)測高壓設(shè)備發(fā)熱的理想解決方案[4]。

針對多源信息融合技術(shù)的發(fā)展[5]，提出了一種利用在線式紅外熱像儀配合CCD攝像機(jī)及ZigBee無線測溫傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對高壓設(shè)備熱缺陷實(shí)時在線檢測的新方法，解決了單純使用紅外熱像儀對部分電氣設(shè)備巡檢不到的難題。設(shè)計的熱缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)，在重要設(shè)備上加裝無線測溫傳感器，運(yùn)用能量捕獲技術(shù)重點(diǎn)解決傳感節(jié)點(diǎn)自主供電的難題[6]；采用分步式多傳感器信息融合技術(shù)，快速標(biāo)定熱故障點(diǎn)的位置；利用電力系統(tǒng)專用光纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控與遠(yuǎn)程故障分析。其監(jiān)控程序的設(shè)計嚴(yán)格遵循IEC 61850 規(guī)約，為無人值守變電站高壓設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)管提供技術(shù)保證。

1 熱缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

隨著紅外熱像儀價格的大幅下降，將其固定安裝在變電站測溫現(xiàn)場成為可能。由于紅外熱像儀固定后，存在巡檢不到的死角，因此本文提出了配合無線ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對高壓設(shè)備的實(shí)時在線巡檢的新方法。高壓設(shè)備熱缺陷監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 熱缺陷監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of monitoring system

圖中將在線式紅外熱像儀置于可控制數(shù)字電動萬向云臺上，并根據(jù)變電站實(shí)際位置和紅外熱像儀的有效測溫距離安裝在變電站設(shè)備構(gòu)架上。通過監(jiān)控系統(tǒng)可手動調(diào)整監(jiān)測角度或聚焦設(shè)備的具體部位，或通過對監(jiān)測平臺參數(shù)的設(shè)定，自動對預(yù)設(shè)點(diǎn)進(jìn)行巡檢。自動巡檢時先用紅外熱像儀對電氣設(shè)備所有應(yīng)測部位進(jìn)行全面掃描，找出熱態(tài)異常部位；然后對異常部位和重點(diǎn)檢測設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確測溫，并攝取熱譜圖。紅外熱像儀選用DM60-S 非制冷焦平面在線式紅外熱像儀，像素為384×288，火線或以太網(wǎng)連接方式，MPEG-4 圖像記錄，單幅拍照保存為BMP 格式。CCD攝像機(jī)成像參數(shù)與紅外熱像儀基本一致?？煽卦婆_是圖像獲取的定位裝置，由上位機(jī)通過RS-485 傳輸控制信號進(jìn)行控制，云臺根據(jù)程序指示來選擇相應(yīng)的定位點(diǎn)，不僅起到支撐和安裝集成在一起的攝像機(jī)和熱像儀的作用，且擴(kuò)大了CCD攝像機(jī)和紅外熱像儀的視野范圍。云臺可在水平方向做330°轉(zhuǎn)動，且在垂直方向做±30°俯仰。

圖1中ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計。圖中傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱溫度采集及數(shù)據(jù)無線發(fā)送，路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)送入上位機(jī)[7]。變電站中干擾信號的頻率主要集中在20 k～30 MHz 范圍內(nèi)，因此選擇避開這一頻帶的頻率（2.4 GHz）進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳送，以滿足變電站智能電子設(shè)備電磁兼容性要求。

上位機(jī)通過電力系統(tǒng)專用光纜與遠(yuǎn)程計算機(jī)實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。為了將跨地域的多個變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷集中管理，遠(yuǎn)程PC 機(jī)與各變電站的上位機(jī)通過跨地域以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙向通信，對不同IP 地址的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障分析與數(shù)據(jù)庫管理。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的測溫傳感器節(jié)點(diǎn)加裝于高壓設(shè)備的表面，實(shí)時監(jiān)測高壓設(shè)備的發(fā)熱狀況。針對變電站不提供電源且禁止架設(shè)各種電纜的要求，利用能量捕獲技術(shù)，收集太陽能為傳感器提供電能。測溫傳感器節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖2所示。

圖2 測溫傳感器節(jié)點(diǎn)原理框圖Fig.2 Framework of thermal node

2 多傳感器信息融合與故障點(diǎn)標(biāo)定

2.1 多傳感器信息融合流程

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力設(shè)備檢修人員的勞動強(qiáng)度不斷加大，單一的利用某一傳感器進(jìn)行設(shè)備發(fā)熱缺陷檢測無法保障設(shè)備是否穩(wěn)定運(yùn)行。采用多傳感器信息融合技術(shù)，可以增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的生存能力，同時由于不同傳感器之間的信息冗余，系統(tǒng)具有較好的故障糾錯能力。通過不同傳感器在時間和空間探測能力上的互補(bǔ)和融合，可擴(kuò)展時空覆蓋能力。

紅外監(jiān)測技術(shù)是利用紅外探測器獲取設(shè)備的紅外輻射狀態(tài)的熱分布信息，然后轉(zhuǎn)換成可視圖像進(jìn)行觀測的技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場大面積溫度分布場的觀察和局部缺陷的定點(diǎn)測溫[8]。但由于紅外熱像儀所生成的是不同溫度分布的圖像，因而不能顯示出溫度相同部分的幾何形狀，在被觀測設(shè)備情況復(fù)雜時，如其他設(shè)備的阻擋、置于電氣柜內(nèi)的設(shè)備等，觀察者很難通過紅外熱像圖迅速、準(zhǔn)確地判斷出熱源的位置[9]。本系統(tǒng)在紅外熱像儀檢測不到的關(guān)鍵設(shè)備上加裝無線測溫傳感器，將紅外與CCD 光學(xué)傳感器及ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于熱故障在線監(jiān)測。系統(tǒng)以紅外熱像圖顯示出被測目標(biāo)的熱輻射能量分布，以可視圖像顯示被測目標(biāo)的完整形狀和準(zhǔn)確位置，將紅外熱像與可見光圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后，再將熱故障點(diǎn)溫度信息與無線測溫傳感器獲取的信息相融合，從而實(shí)現(xiàn)熱故障點(diǎn)的快速準(zhǔn)確標(biāo)定。多傳感器信息融合流程如圖3所示。

圖3 信息融合流程圖Fig.3 Flow chart of information fusion

紅外和可見光圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，以及在紅外圖像上精確定位故障點(diǎn)，是電氣設(shè)備故障檢測領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)[10]。本系統(tǒng)采用相位相關(guān)法[11]進(jìn)行圖像配準(zhǔn)。設(shè)圖像 f1(x,y)平移(dx,dy)產(chǎn)生圖像f2(x,y)，即

對應(yīng)傅里葉變換關(guān)系為

則頻域中互功率譜為

式中，“*”表示復(fù)共軛。對互功率譜進(jìn)行反變換，得沖擊函數(shù)函數(shù)在偏移位置處有明顯峰值，可得兩圖像間的平移量。實(shí)驗(yàn)表明，該方法運(yùn)算速度較快，具有較高的可靠性和精度。

2.2 分步式濾波融合算法

多源信息融合系統(tǒng)可分為集中式和分步式融合兩大類。集中式融合算法是將所有采集到的觀測值傳輸?shù)街行奶幚砥鳎ū鞠到y(tǒng)中為上位機(jī)），然后再進(jìn)行處理。隨著傳感器個數(shù)的增加（本系統(tǒng)裝設(shè)4個紅外熱像儀、20個無線測溫傳感器），集中式融合算法的計算量將急劇增加，影響上位機(jī)的執(zhí)行速度，降低算法的實(shí)用性。為有效降低計算量，本文采用一種分步式濾波融合算法[12]，將紅外和可見光圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)與無線射頻傳感器經(jīng)去極大值數(shù)據(jù)均值濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備熱缺陷點(diǎn)的快速標(biāo)定。融合算法中有兩類傳感器對目標(biāo)的特征進(jìn)行同步觀測，對某一具體觀測對象，則僅有兩個傳感器進(jìn)行融合。設(shè)多源傳感器動態(tài)系統(tǒng)為

式中：z1k(i)表示第i個傳感器在1,2,…,k時刻上的測量序列集合；kz1表示兩個傳感器在1,2,…,k時刻上的測量序列集合。

分步式濾波基本思想為：若已獲得k時刻x(k)基于全局的估計值及相應(yīng)誤差協(xié)方差則利用k+1時刻各局部測量值及Kalman濾波器可依次對x(k+)1進(jìn)行估計，得基于全局的估計值和相應(yīng)誤差協(xié)方差其具體步驟如下：

2.3 融合算法結(jié)果及分析

針對變電站中易發(fā)生電流致熱性缺陷的穿墻套管，在鄭州市某變電站2#主變穿墻套管接頭處安裝無線測溫裝置，獲取三相穿墻套管接觸溫度，通過紅外熱像儀及CCD攝像機(jī)獲取現(xiàn)場視頻圖像，經(jīng)圖像配準(zhǔn)后，與協(xié)調(diào)器獲取的三相穿墻套管接觸溫度相融合。設(shè)初始狀態(tài) x (0)=x0，初始協(xié)方差陣 P0，融合周期T=60 s，紅外及無線傳感器采樣周期為T1=T2=20 s。融合結(jié)果如表1所示（選兩個時間為例）。

從結(jié)果知，C相溫升明顯高于其他兩相，疑有缺陷。經(jīng)多次復(fù)測，C相溫升仍偏高，對該2#主變穿墻套管進(jìn)行停電檢查，發(fā)現(xiàn)C 相套管接頭已氧化。分析認(rèn)為：由于穿墻套管導(dǎo)電部分與母排分別為鋁導(dǎo)體和銅導(dǎo)體，在接頭端子處未做銅鋁過渡，導(dǎo)致氧化嚴(yán)重。經(jīng)對氧化處理，重新送電后，測試C相溫升正?！，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：分步式濾波融合算法對目標(biāo)狀態(tài)的估計是有效的。

表1 數(shù)據(jù)融合結(jié)果Table1 Results of data fusion

3 客戶端/服務(wù)器監(jiān)控程序設(shè)計

3.1 套接字與OpenCV的應(yīng)用

常用的網(wǎng)絡(luò)連接模式主要有兩種：B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式和C/S（客戶端/服務(wù)器）模式。對于數(shù)據(jù)量大、使用者單一的高速信息，采用C/S模式進(jìn)行傳輸控制更專業(yè)。針對電力企業(yè)內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)，熱缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控程序與遠(yuǎn)程PC監(jiān)控程序采用Visual C++.NET設(shè)計開發(fā)，通過選取C/S通信模式，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸[12]。在使用MFC應(yīng)用程序向?qū)?chuàng)建項(xiàng)目時，應(yīng)在高級功能中選定使用“Windows 套接字（Sockets）”。套接字（Socket）是支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，至少需要一對套接字，其中一個運(yùn)行在客戶端，另一個運(yùn)行于服務(wù)器。根據(jù)連接啟動的方式以及本地要連接的目標(biāo)，套接字之間的連接過程可分為三個步驟：服務(wù)器監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認(rèn)。

遠(yuǎn)程PC 機(jī)監(jiān)控程序利用電力系統(tǒng)跨地域以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對多個變電站的上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，提高管理級的工作效率。遠(yuǎn)程PC 機(jī)通過自動巡檢模式獲取各檢測區(qū)的可見光圖與紅外熱譜圖。采用OpenCV（Open Source Computer Vision Library）函數(shù)庫中的cv、highgui 和cxcore 這三個類庫以及Proxy Trans 濾波器，快速實(shí)現(xiàn)對可見光圖與紅外熱譜圖的增強(qiáng)、去噪、分割和特征提取等處理[13]，經(jīng)過圖像配準(zhǔn)，提取電氣設(shè)備特征溫度數(shù)據(jù)，將其存入數(shù)據(jù)庫中。

3.2 遠(yuǎn)程圖像的實(shí)時傳輸

在線式紅外熱像儀單幅拍照保存的文件為BMP格式，通過CImage類另存為JPEG格式，臨時存儲在變電站的上位機(jī)中。圖像文件的大小為10～200 kB左右，通過電力專用網(wǎng)絡(luò)傳輸并顯示于客戶端小于1 s，能夠滿足實(shí)時性的要求。為了準(zhǔn)確無誤地傳輸較大的圖像文件，需要定義一個文件信息屬性結(jié)構(gòu)體，首先發(fā)送此結(jié)構(gòu)體，再循環(huán)發(fā)送文件內(nèi)容；接收端先接收文件結(jié)構(gòu)體，再循環(huán)接收文件內(nèi)容，完成大文件的傳輸。

4 結(jié)語

高壓電氣設(shè)備溫度在線監(jiān)測問題己經(jīng)成為電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備安全運(yùn)行所急需解決的實(shí)際問題，是提高電氣設(shè)備可靠性的迫切需要，對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。基于多源傳感器信息融合的熱缺陷在線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅解決了單純使用在線式紅外熱像儀對部分電氣設(shè)備巡檢不到的難題，而且可以在關(guān)鍵設(shè)備上加裝無線測溫傳感器，快速標(biāo)定熱故障點(diǎn)位置。利用能量捕獲技術(shù)獲取太陽能及設(shè)備發(fā)熱提供的能量，解決了傳感器節(jié)點(diǎn)自主供電難題。由于監(jiān)測系統(tǒng)所用傳感器種類和任務(wù)不同，各傳感器可能具有不同的采樣速率，或存在觀測時間的不同以及傳輸延時的不同，這樣測量同步就很難被保證，會產(chǎn)生異步多源傳感器融合問題，這將是今后研究的主要方向。

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