袁輝建

(重慶電力高等?？茖W校，重慶400053)

0 引言

變電站中有大量的高壓設備，例如變壓器、母線、隔離開關、耦合電容器、高壓電纜等，其運行狀態(tài)好壞直接決定電力系統的安全和效益。站內高壓設備工作狀態(tài)不正常，若不能得到及時有效的處理，很可能會發(fā)展成嚴重的事故，造成設備損壞甚至人員傷亡。對設備進行有效的監(jiān)測和檢測，保證電力設備的正常運行，已成為目前高電壓測試技術發(fā)展的必然方向之一。

紅外測溫可以在設備不停電、不解體情況下，遠距離、非接觸、快速對設備故障進行診斷，因此得到較為廣泛的應用。目前國內外大多使用紅外熱成像儀進行人工定期巡檢，工人勞動強度大，不能實時全面動態(tài)檢測，且紅外熱成像儀價格非常昂貴，大型變電站方可配備，對于絕大多數的小型變電站，或無人值守變電站則發(fā)揮不了應有的作用。

本文提出一種新的電力設備紅外自動巡檢系統，能將自動行走部分與紅外測溫探頭相結合，通過無線通訊方式將檢測結果發(fā)送至管理控制中心，既可以降低工人勞動強度，又避免紅外成像儀成本高，難以廣泛使用等問題。該系統能充分發(fā)揮計算機技術的優(yōu)勢，有利于提高在線監(jiān)測實時性，實現變電站的無人值守。

1 紅外自動巡檢系統的原理結構

1.1 紅外自動巡檢系統的實現原理

紅外自動巡檢系統主要由電磁導航部分、紅外自動巡檢平臺、無線通信接口模塊和管理計算機四部分組成(如圖1所示)。紅外自動巡檢平臺在變電站內按預置導航電線路徑自動行走，并實現對電力設備溫度數據采集，管理計算機位于管理控制中心，實現數據的處理及對測溫裝置的控制，管理計算機與紅外自動巡檢平臺通過無線網絡連接。紅外自動巡檢平臺采用紅外測溫探頭實現對指定區(qū)域溫度數據和實時圖像的采集，通過H.264編碼壓縮處理數據，再經網絡傳送給管理計算機，后臺監(jiān)控軟件對這些數據進行解碼，顯示現場紅外測溫數據。

圖1 紅外自動巡檢系統結構

1.2 電磁導航部分工作原理

電磁導航部分主要由導航信號發(fā)生器、中心導航電線和兩個水平線圈組成。為了討論方便，在運動路徑上建立如圖2所示坐標系，假設巡檢平臺沿跑道前進的方向為Z軸，垂直跑道往上為Y軸，在跑道平面內垂直于跑道中心線為X軸，XYZ軸滿足右手方向。電磁導航線沿Z軸方向布置于道路中間，在自動巡檢平臺的前上方水平方向固定兩個相距L的線圈，兩個線圈的軸線距電磁導航線導航電線高度為h，則左邊的線圈l的坐標為(x，h，z)，右邊的線圈 Z的位置(x-L，h，z)。

圖2 電磁導航部分結構

本系統h取值為5cm，L取值為30cm，則x∈(-15，+15)cm，導航信號發(fā)生器產生19.3kHz電流，通入中心導航電線，由于導航信號發(fā)生器通入電流頻率較低，且兩個水平線圈較小，本文近似認為小范圍內磁場分布是均勻的。根據電磁學原理，兩個水平線圈分別感應電動勢E1、E2，兩者差值Ed為:

當左邊線圈的位置x=15cm的時候，此時兩個線圈的中心恰好處于運動路徑的中央，感應電動勢差值Ed為零。當線圈往左偏移，x∈(15，30)cm，感應電動勢差值小于零;反之，當線圈往右偏移，x∈(0，15)cm，感應電動勢大于零。因此在位移0～30cm之間，電動勢差值Ed與位移x是一個單調函數。為保證兩個線圈的中心位置為電磁導航中心線，本系統使用Ed這個量對于自動巡檢平臺轉向進行負反饋控制。

1.3 紅外檢測部分工作原理

紅外檢測部分由紅外測溫探頭、二維旋轉平臺和攝像頭構成，結構如圖3所示。紅外測溫探頭固定安裝在二維旋轉平臺上，系統通過二維旋轉平臺的運動實現對電力設備的掃描，并獲取電力設備各點溫度數據。攝像頭實現對電力設備圖像的獲取，然后通過圖像處理將電力設備各點溫度數據與電力設備圖像對應結合，以圖像方式直觀地顯示溫度分布。用戶可以通過圖像分析不同時間設備各部位的溫度數據，得到設備的溫度分布變化，從而及時發(fā)現故障情況。由于電力設備的最高允許溫度均在408K以內，根據維恩位移定律，本系統采用8.0～14.0μm波段的紅外測溫探頭HBIR-5816。

2 自動巡檢系統硬件設計

圖3 紅外檢測部分結構圖

自動巡檢平臺硬件部分由主控模塊、裝置運動控制模塊、電機驅動模塊、電源模塊、無線通訊模塊組成，電路結構如圖4所示。自動巡檢平臺采用四輪結構，前面兩個輪子為主動輪，后面兩個輪子為從動輪，電機驅動模塊實現對主動輪直流電機的驅動;電磁信號檢測模塊用于自動巡檢平臺的導航;二維旋轉云臺用于承載紅外測溫探頭，裝置運動控制模塊可通過對旋轉平臺兩個直流舵機的控制，改變紅外測溫探頭的指向;裝置運動控制模塊基于MC9S12XS128單片機，與主控模塊間通過RS232通信接口連接，接受主控模塊的指令，實現巡檢平臺的導航控制、運動控制和二維旋轉平臺的移動控制;主控模塊是自動巡檢平臺的核心，由基于PXA270的嵌入式系統平臺組成，用于設備圖像數據的采集及編碼壓縮、紅外測溫數據的處理，并與管理計算機進行無線通訊，完成對裝置運動控制模塊的控制。

圖4 自動巡檢平臺硬件結構圖

2.1 電機驅動模塊

由于自動巡檢平臺的重量和體積較大，驅動所需轉矩要足夠大，因此本系統選擇兩臺36W的直流電機作為平臺運動的動力源，直流電機驅動電路采用H型全橋式電路，可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖5所示。

圖5 全橋式驅動電路

H型全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S5為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當S1、S5導通時，S3、S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動;當S3、S4導通時，S1、S5關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。在巡檢平臺運動的過程中，要經常地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S5 導通，且S3、S4 關斷;到S1、S5 關斷，且 S3、S4導通，這兩種狀態(tài)之間轉換。在這種情況下，要求兩組控制信號完全互補。但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。因此，為了避免直通短路且保證各個開關管動作之間的協同性和同步性，兩組控制信號要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程通過硬件實現，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時。另外，直流電機驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通，以防止電流斷續(xù)造成電壓泵升，損傷開關管。當巡檢平臺停止瞬間，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流就通過續(xù)流二極管流通，保護了電路。

3 自動巡檢裝置軟件設計

自動巡檢系統的軟件包括主控模塊軟件、裝置運動控制模塊軟件和后臺監(jiān)控軟件三部分，結構如圖6所示。裝置運動控制模塊軟件通過通信接口程序獲取主控模塊軟件的指令，然后由指令處理程序對指令進行解析，根據主控模塊的指令控制二維旋轉平臺及自動巡檢平臺的運動;主控模塊軟件根據系統預先設定的工作模式或后臺監(jiān)控軟件下傳的控制指令，實現對裝置運動控制模塊的控制，設備溫度數據的測量處理，設備圖像數據的采集和JPEG編碼處理;后臺監(jiān)控軟件保存管理主控模塊軟件傳送的溫度和圖像數據，處理生成設備紅外狀態(tài)圖像，并提供人機接口界面，實現用戶對自動巡檢平臺的控制，以及紅外狀態(tài)圖像和溫度數據等的顯示。

4 結束語

圖6 系統軟件結構圖

本文中的電力設備紅外自動巡檢系統，是針對電力系統中紅外成像的帶電設備非接觸式放電檢測技術存在的問題，并結合電磁導航系統、紅外測溫掃描、攝像和圖像處理技術，研制的一種新型電力設備在線紅外巡檢系統，可以實現無人狀態(tài)下實時對電力設備的發(fā)熱情況進行掃描，通過圖像融合處理技術，將電力設備發(fā)熱數據置入由攝像頭獲得的設備可見光圖像，建立與設備圖像的對應關系，從而及時發(fā)現電力設備的故障情況。本文提出的紅外自動巡檢方法，雖然成像分辨率和成像速度較紅外成像儀低，但是成本低廉，能夠滿足電力系統在線監(jiān)測應用的需要。

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