李樹東

(云南電網(wǎng)公司保山供電局，云南 保山 678000)

智能紅外熱像無人監(jiān)控系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用

李樹東

(云南電網(wǎng)公司保山供電局，云南 保山 678000)

分析變電站紅外無人監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)功能需求，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)功能定位與實現(xiàn)、系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)特點，指出了應(yīng)用中注意的問題及解決辦法。

紅外熱像技術(shù)；智能無人監(jiān)控；變電站應(yīng)用

0 前言

紅外技術(shù)在電力設(shè)備熱故障檢測方面已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但目前變電站電力設(shè)備的監(jiān)控，基本上采取人員定期巡檢方式，缺少智能化管理手段，在預(yù)防電力設(shè)備故障方面不夠完善。隨著在線監(jiān)控系統(tǒng)和無人值守變電站的逐漸普及，采用在線熱像智能監(jiān)測系統(tǒng)對設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控來彌補(bǔ)人工巡視和無人值守在變電設(shè)備安全運行中的不足顯得十分有意義。

變電站紅外無人監(jiān)控系統(tǒng)是集紅外技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)、數(shù)字信息處理技術(shù)、低功耗技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)、能源管理技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，它改變了傳統(tǒng)的對變電站帶電設(shè)備進(jìn)行定期或不定期巡檢的方法，為變電站智能化管理提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。本文以某變電站智能紅外熱像無人監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究為背景，分析了現(xiàn)場智能化監(jiān)控需求和系統(tǒng)實現(xiàn)，并運用結(jié)構(gòu)開放、硬件成熟、軟件標(biāo)準(zhǔn)、防雷特性的思想設(shè)計、開發(fā)了紅外熱像無人監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能分析與建模

1.1 系統(tǒng)功能定位與實現(xiàn)

智能紅外熱像無人監(jiān)控系統(tǒng)面向大型超高壓變電站，適合站內(nèi)設(shè)備運行、維護(hù)和管理要求。整個系統(tǒng)為南京藍(lán)芯電力技術(shù)有限公司采用全球著名廠商FLIR的在線式熱像傳感器，結(jié)合公司自身技術(shù)設(shè)計而成。系統(tǒng)功能涵蓋了站內(nèi)設(shè)備溫度監(jiān)控、自動巡航和自動報警、一鍵切換、診斷分析等生產(chǎn)運行維護(hù)管理的主要內(nèi)容。

1.2 監(jiān)控及測溫

為獲得準(zhǔn)確的測溫數(shù)據(jù)及圖像，系統(tǒng)采用自動對焦技術(shù)：終端可以遠(yuǎn)程在客戶端控制進(jìn)行自動對焦，不需要電動鏡頭，避免了電動鏡頭時間長后滑絲所造成的對焦不清晰；風(fēng)速處理技術(shù)(WST技術(shù))：把風(fēng)速對測溫的影響降到最低。環(huán)境介質(zhì)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償處理技術(shù) (ETT技術(shù))：補(bǔ)償不同介質(zhì)對接收的紅外輻射信號的影響。

1.3 自動巡航和自動報警

當(dāng)需要進(jìn)行無人值守時按下巡航按鈕，監(jiān)控系統(tǒng)即處于自動監(jiān)測狀態(tài)，工作從歸零線開始，依次對四個扇區(qū)進(jìn)行巡航掃描。下圖顯示出云臺在巡航模式下的工作狀態(tài)：

圖1 云臺在巡航模式的工作狀態(tài)示意圖

云臺從扇區(qū)Ⅰ開始順時針轉(zhuǎn)動，依次轉(zhuǎn)過扇區(qū)Ⅰ、扇區(qū)Ⅱ、扇區(qū)Ⅲ、扇區(qū)Ⅳ，然后返回到歸零線，開始下一個循環(huán) (一個周期劃分多少個扇區(qū)根據(jù)現(xiàn)場情況確定)。如果落入扇區(qū)Ⅰ的是一個變壓器，那么我們可以在這個扇區(qū)設(shè)定報警上限值，一旦檢測到變壓器溫度超過報警溫度，系統(tǒng)將馬上報警。

如果沒有發(fā)生報警，云臺將斷續(xù)前進(jìn)，巡航到下一個扇區(qū)。云臺會在每個扇區(qū)內(nèi)停留幾分鐘，并且把扇區(qū)的溫度數(shù)據(jù)庫發(fā)往熱像服務(wù)器，這樣在本地監(jiān)控室就可以看到每個設(shè)備的溫度值，它將做為電力系統(tǒng)對設(shè)備運行故障診斷的一個參考依據(jù)。可以根據(jù)客戶的要求以及現(xiàn)場實際運行情況，每到整點時刻，系統(tǒng)可以將云臺在所有預(yù)置點所采集的數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)庫中，以供歷史查詢。

1.4 一鍵切換

當(dāng)自動巡航發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備異常時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動巡檢模式一鍵切換現(xiàn)場分析模式功能。也可以基于報警信息的快速定位切換到報警位置點和自動回復(fù)到檢測點。

1.5 診斷分析

通過圖像分割實現(xiàn)電氣設(shè)備劃分和分對象采集數(shù)據(jù)，設(shè)備的識別通過建立圖像與設(shè)備的映射關(guān)系實現(xiàn)。識別方式如圖2所示.

當(dāng)云臺轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)后必須對窗口中的設(shè)備進(jìn)行識別，因每個設(shè)備的報警溫度可能不一樣，當(dāng)窗口中的某個設(shè)備超溫不正常時必須能夠及時把它找出來并提示用戶是哪個設(shè)備出現(xiàn)問題，所以有必要讓系統(tǒng)能夠認(rèn)出設(shè)備。以圖2為例說明設(shè)備識別過程：當(dāng)云臺轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)時，窗口中可以看到三個監(jiān)測目標(biāo)，每個目標(biāo)都在其中窗口中的固定位置，記下它們分別在窗口中的坐標(biāo)位置，對窗口進(jìn)行分割，分割成這樣的三個區(qū)域，這樣每個設(shè)備都被包含到對應(yīng)的區(qū)域中，把這個值寫到數(shù)據(jù)庫中，以后每次云臺轉(zhuǎn)到這個位置就會從數(shù)據(jù)庫中取出設(shè)備的區(qū)域，從而在這個區(qū)域里測得設(shè)備的當(dāng)前溫度，得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜靥幚矸?wù)器。

圖2 設(shè)備識別示意圖

這個系統(tǒng)通過紅外實時監(jiān)控把變電站的設(shè)備溫度實時顯示出來，讓值班人員能夠及時準(zhǔn)確的看出所以被監(jiān)測設(shè)備的運行情況，是否過熱或有故障，另外一個作用是實時的發(fā)送設(shè)備溫度數(shù)據(jù)，以供后方處理。圖像可以供值班人員查看，而發(fā)送的數(shù)據(jù)可以給調(diào)度室人看，一個提供直觀信息，一個做為設(shè)備狀況的參考數(shù)據(jù)，兩相結(jié)合，給電力系統(tǒng)提供更科學(xué)、更準(zhǔn)確的預(yù)警手段，大大提高了工作效率和降低了對人的依賴性。

2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

綜合考慮變電站所處特殊環(huán)境及較高技術(shù)要求，系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)電網(wǎng)區(qū)域范圍大小和變電站數(shù)量組合定義，在局端可以對所有下屬的變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程電力紅外視頻監(jiān)控。系統(tǒng)可按多級組網(wǎng)的方式，形成大規(guī)模的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)在各集控中心設(shè)區(qū)域監(jiān)控中心；在條件成熟的前提下可在調(diào)度中心設(shè)立主控中心，在電力系統(tǒng)中，一般是由變電站、市局、省局的層級構(gòu)成方式，智能熱像變電站監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)這種管理模式，可以實現(xiàn)本地監(jiān)控分析，市局監(jiān)控分析，省局監(jiān)控分析的層級結(jié)合的監(jiān)控分析方式。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖3所示。

本地監(jiān)控與分析診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示(變電站部分)。

以上系統(tǒng)軟件具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行功能定制。其具有遠(yuǎn)程與本地間互換的兩大基本功能：熱像故障智能監(jiān)控功能；熱像故障智能分析診斷功能。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖4 本地監(jiān)控與分析診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用進(jìn)口專業(yè)在線式紅外熱像儀作為測溫探頭，配備有高分辨率數(shù)碼攝像槍，通過專業(yè)紅外監(jiān)控軟件軟件對運行中的帶電設(shè)備自動巡檢、自動預(yù)警，并智能分析顯示各設(shè)備溫度情況。

通過布置在變電站內(nèi)的監(jiān)控頭，實時監(jiān)控現(xiàn)場的帶電設(shè)備的可見光圖像及紅外圖像，圖像與數(shù)據(jù)通過光纖接入內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)中的授權(quán)用戶都可以通過專用軟件實時查看、控制現(xiàn)場監(jiān)控頭，并指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

監(jiān)控頭自動按設(shè)定好的預(yù)置位，從預(yù)置位1轉(zhuǎn)到到預(yù)置位n的監(jiān)控位置，實現(xiàn)對重點目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控。

通過預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控方式，監(jiān)控頭自動對各個設(shè)備進(jìn)行圖像采集及測溫，如發(fā)現(xiàn)異常則發(fā)出報警信號及存儲圖像與數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示：

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

網(wǎng)絡(luò)用戶進(jìn)行多級授權(quán)，根據(jù)不同授權(quán)對整套系統(tǒng)進(jìn)行觀看及操作，同時整套系統(tǒng)的所有參數(shù)、圖像及數(shù)據(jù)，都集中保存管理在專用數(shù)據(jù)庫中，從而對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的整理與歸檔。其接線圖如圖6所示.

圖6 接線圖

系統(tǒng)中每個監(jiān)控頭自成獨立體系，獨立運行，互不干擾，如遇到故障可快速查找定位及排除。同時還具有良好的擴(kuò)展性。

考慮到變電站現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜，為了降低干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在變電站現(xiàn)場通過光纜傳遞視頻信號和數(shù)字信號。

監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測前端、主控中心、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶終端組成。監(jiān)測前端位于變電站，使整個系統(tǒng)的第一級信息匯聚點和處理分支，主控中心設(shè)在修試工區(qū)，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的日常操控。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)在局大樓科信部，負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份及維護(hù)。查詢終端為網(wǎng)內(nèi)任何一臺經(jīng)授權(quán)的終端電腦，可依權(quán)限訪問整套系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)特點

1)紅外熱像儀性能優(yōu)越。

2)安裝簡易一線通，先進(jìn)傳輸系統(tǒng)，保證實時傳輸順暢。

自主研發(fā)的圖像分析算法以及壓縮算法，整套系統(tǒng)只需要1個IP地址，10Mbps帶寬，保證實時傳輸順暢，操作控制無延遲，減少了對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用情況。

3)多人同時異地監(jiān)控，監(jiān)控軟件強(qiáng)大易用。

4)智能識別異常、自動報警、自動生成分析報告。

5)系統(tǒng)根據(jù)異常發(fā)熱情況對照帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范識別、判斷異常缺陷的類型，如一般缺陷、嚴(yán)重缺陷、危急缺陷等，同時生成不同類型不同等級的故障分析報告。

6)對定點監(jiān)控目標(biāo) (如主變)形成歷史最高溫度、最低溫度、平均溫度的歷史數(shù)據(jù)匯總曲線圖，以便分析、了解運行狀態(tài)變化，提早發(fā)現(xiàn)問題所在。某主變溫度趨勢如圖7所示。

圖7 主變溫度趨勢圖

7)高度智能巡航。

系統(tǒng)配有自動溫濕度調(diào)控系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場采集的環(huán)境溫濕度進(jìn)行實時校正設(shè)置，并同步到紅外熱像儀的參數(shù)設(shè)置和形成的報告，使熱像儀的測溫準(zhǔn)確度更高。

8)數(shù)據(jù)集中、管理方便。

4 問題及解決方法

1)若系統(tǒng)安裝地方潮濕、晝夜溫差較大，前端設(shè)備應(yīng)盡可能選擇防水、防塵等級高，如IP67，并具備溫濕度調(diào)控功能，保障設(shè)備的正常安全運行。

2)紅外熱成像監(jiān)控槍是整套系統(tǒng)的主要構(gòu)件。建議在選用上要特別注意無故障工作時間(MTBF)和測溫精度。

3)系統(tǒng)應(yīng)具有智能報警功能，能按設(shè)備的異常發(fā)熱情況并參照帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范來實現(xiàn)不同故障等級的報警，如一般缺陷、嚴(yán)重缺陷、危急缺陷等，為用戶提供檢修多樣性的參考。

4)為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定持續(xù)運行，在系統(tǒng)的管理維護(hù)上實行專人負(fù)責(zé)，定期對設(shè)備進(jìn)行巡檢。

5)系統(tǒng)所拍攝的圖片及視頻可通過一般的應(yīng)用軟件打開。所以盡量不選用專業(yè)軟件打開格式，以利于圖片及視頻的后期方便使用。

6)系統(tǒng)除具備穩(wěn)定性、可靠性外，應(yīng)必須有自檢功能，以便及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障并進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)二次故障帶來的損失。

5 結(jié)束語

文中通過監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)和實際應(yīng)用，完成了紅外熱像技術(shù)在變電站內(nèi)應(yīng)用的無人、智能化新要求，為實現(xiàn)智能化變電站奠定了相應(yīng)技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過某變電站投入系統(tǒng)運行效果來看，達(dá)到了預(yù)期研究設(shè)計目標(biāo)。下一步該系統(tǒng)仍需在實際運用中繼續(xù)完善優(yōu)化各功能要求，最終為滿足廣大變電站無人值守的智能化需求服務(wù)。

[1] 鄒積巖，胖質(zhì)玲，尹承尚.高壓開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)檢修技術(shù)[J].高壓電器，1999，06：45-47.

[2] 吳健康.圖像處理與分析 [M].北京：人民郵電出版社，1992.

[3] 吳繼平，李躍年.紅外熱成像儀應(yīng)用于電力設(shè)備故障診斷[J].電力設(shè)備，2006，09.

Application of Intelligent Unmanned Monitoring with Infrared Thermal Imaging Technology in Substation

LI Shudong
(Yunnan Baoshan Power Supply Bureau，Baoshan，Yunnan 678000)

Analysis of function requirement of the monitoring system，the system design and development.This paper describes the function and Realization of monitoring system，the system architecture and the key technical characteristics，points out the problems in applications and solutions.The system establishes the corresponding technical foundation for the realization of intelligent substation.

Infrared thermal imaging technology；Intelligent unmanned monitoring；Application of Substation

TM76

B

1006-7345(2014)04-0056-05

2014-04-04

李樹東 (1970)，助理工程師，云南電網(wǎng)公司保山供電局，從事生產(chǎn)管理工作 (e-mail)ltby928＠163.com。