朱利明

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650217)

動態(tài)實時紅外熱成像溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

朱利明

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650217)

針對傳統(tǒng)的紅外成像技術難以有效、及時、準確地檢測出由于電壓制熱導致的變電站設備缺陷問題.本文對比分析了基于可見光與紅外熱成像技術的優(yōu)缺點，設計了基于動態(tài)實時紅外熱成像技術的變電站設備在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)字動態(tài)雙通道紅外熱像儀及360°?n云臺固定安裝方式，配合光纖傳輸，能將所有監(jiān)控到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)阶冸娬镜谋O(jiān)控室，真正實現(xiàn)了有效、實時、準確的設備故障監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸。

電壓制熱；紅外熱成像技術；動態(tài)實時技術；在線監(jiān)測；云臺固定方式

0 前言

變電站設備的在線監(jiān)測系統(tǒng)一般是基于可見光監(jiān)控為主，一般起到安防和消防的目的；而對于變電站設備常見的電流制熱、電壓制熱故障的在線監(jiān)測，目前也已廣泛采用紅外熱成像技術進行故障檢測。

電流制熱缺陷一般是瞬態(tài)可以判定的，所以常規(guī)的紅外熱成像技術，對于電流致熱設備的發(fā)熱檢測相對容易；但對于電壓制熱設備的發(fā)熱，基于其的故障特性，需要長時間觀察設備的溫度變化趨勢才能來判定缺陷，顯然，這一點是常規(guī)熱成像技術無法做到的。常規(guī)熱成像技術只是根據(jù)同類設備的正常狀態(tài)和異常狀態(tài)進行簡單的熱圖對比，這樣無法有效的判定缺陷，判定缺陷帶著很多主觀的因素，給變電站設備的正常工作帶來了不確定的隱患。

為了能夠有效、即時、準確地檢測出變電站設備存在的缺陷，尤其是電壓制熱的缺陷，本次的研究重點放在了基于動態(tài)實時紅外熱成像技術的基礎之上。在變電站的高壓開關場內(nèi)挑選合適的位置，安裝數(shù)字動態(tài)雙通道紅外熱像儀，采用360°?n云臺固定安裝方式，配合光纖傳輸，將所有實時監(jiān)控到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬镜谋O(jiān)控室。系統(tǒng)的工作分為兩種主要方式，第一種為巡視，用于發(fā)現(xiàn)變電站常規(guī)的電流制熱缺陷；第二種為詳細觀察，用于發(fā)現(xiàn)變電站由于電壓制熱所引發(fā)的缺陷。系統(tǒng)配合報警功能，令變電站工作人員能隨時監(jiān)控到變電站設備的工作狀況與潛在故障，并對重點設備的溫度變化趨勢進行監(jiān)控，同時幫助工作人員制作工作報告。設備全面覆蓋220 kV設備區(qū)域，部份覆蓋110 kV設備區(qū)域，同時，可預留出其他安裝點，用于移動式工作探頭的安裝。

1 變電站設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 總體構架

傳輸基礎是基于千兆網(wǎng)的光纖傳輸方案設計的，采用這種設計方案，可使系統(tǒng)有極大的網(wǎng)絡冗余量，以便于用戶進行更深入的應用開拓與系統(tǒng)升級，整體系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構架

如圖1所示，系統(tǒng)整體分為前端探頭，中間傳輸設備，后臺工作站三大部分。三大部分的組成及功能如下：

1)前端探頭：前端探頭部分相當于整個系統(tǒng)的眼睛，由集成16 bit全數(shù)字動態(tài)紅外熱像儀及高清可見光攝像機的云臺組成。16 bit全數(shù)字動態(tài)紅外熱像儀可以實時采集、分析、存儲被測目標每個點的溫度值，并且以數(shù)字的方式通過網(wǎng)絡向后臺傳輸；高清可見光攝像機選擇sony EX48型工業(yè)攝像機，可以清晰拍攝被測目標的白光，并且在夜晚時，自動切換為黑白夜晚模式，仍可清晰拍攝被測目標；云臺具備多達80個預置位，并且可連續(xù)360°旋轉，有效的覆蓋了變電站的測量范圍。

2)中間傳輸設備：中間傳輸設備相當于整個系統(tǒng)的血管，由光端機、光纖和多路光纖適配器組成。光端機負責采集紅外的網(wǎng)絡信號、可見光的視頻信號及云臺的422信號，并將其轉化為光纖信號；光纖負責信號的傳輸；多路光纖適配器保證了系統(tǒng)的多路擴展功能。

3)工作站：工作站相當于整個系統(tǒng)的心臟，由服務器、網(wǎng)絡交換機等組成。負責接收前端探頭采集到的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)系統(tǒng)人機的交互，實現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。

三個部分為一個有機的整體，又相互模塊化獨立工作，一方面保證了系統(tǒng)的所有功能，另一方面，又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成熟性和良好的可擴展性。

1.2 系統(tǒng)擴展方式

圖2 系統(tǒng)擴展連接方式示意圖

如圖1，系統(tǒng)具備良好的可擴展性，系統(tǒng)可在不影響原系統(tǒng)的狀態(tài)下，進行可靠的并行擴展。

1.3 系統(tǒng)特點

1)通訊方式：傳統(tǒng)的變電站紅外遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，采用視頻加串口的通訊方式，記錄的僅僅是視頻數(shù)據(jù)，而并非紅外數(shù)據(jù)，同時，通過串口進行傳輸，傳輸速率慢，傳輸數(shù)據(jù)量有限，不能實時記錄設備的溫度變化，容易遺漏設備潛在故障。本次系統(tǒng)設計將不再采用這種方案，而采用全部基于千兆網(wǎng)絡傳輸設計方案，即通過網(wǎng)絡將紅外熱像儀所拍攝到的包含全部16位溫度數(shù)據(jù)的視頻流實時傳輸?shù)娇刂普尽?/p>

2)數(shù)據(jù)庫 (基于SQL Server數(shù)據(jù)庫)：對于記錄下來的所有數(shù)據(jù)的信息，都能存儲于數(shù)據(jù)庫中。當有需要時，在數(shù)據(jù)庫中輸入關鍵條件 (如設備名稱，記錄時間，設備溫度，缺陷類型等)，即可從數(shù)據(jù)庫中自動搜索到含有上述關鍵條件的數(shù)據(jù)。輸入的條件可以為多種，軟件能對其進行組合并搜索，并自動生成相應設備的歷史溫度變化曲線。

3)對監(jiān)控設備能形成長時間的溫度變化曲線：對于變電站里的重點設備，如主變壓器，可對其溫度變化進行長時間的記錄，并自動生成溫度變化曲線。當有需要時，可從數(shù)據(jù)庫中讀取某指定設備在不同時間段的各條溫度變化曲線，自動組合成一個完整的曲線。

4)云臺監(jiān)控路徑設定：采用具有80個 (或以上)預置位，并可360°?n連續(xù)旋轉的云臺，每個預置位所對應電力設備可以在數(shù)據(jù)庫中建立對應的數(shù)據(jù)檔案資料，可以對設備的運行情況進行實時跟蹤與快速檢索，并自動生成歷史溫度變化曲線圖。

5)在實時監(jiān)控過程中，對監(jiān)控設備在特定云臺預置位的溫度能自動生成曲線

在實時監(jiān)控過程中，可對云臺設置預置位。當云臺每次經(jīng)過設置好的預置位時，能對預置位上的設備進行定位和測溫；用戶只需在軟件上選出感興趣的預置位及其對應的設備以及時間段，軟件便能自動生成關于該設備的溫度——時間變化曲線。該過程可以在云臺正常巡檢過程中實現(xiàn)，而不需要事后生成。

6)能手動輸入負荷，并自動生成負荷曲線，用戶可以在軟件中手動輸入某設備的負荷，軟件隨即對該設備的負荷自動生成相應負荷變化曲線。

7)多路紅外與可見光實時同時顯示，本系統(tǒng)要求在一臺工作站的顯示器上能實時同時顯示4路紅外以及4路可見光圖像 (并且不改變圖像的原始分辨率)。同時，用戶也可以通過同一臺工作站，在兩臺顯示器上對多臺紅外熱像位與可見光攝像機的全分辨率圖像進行實時顯示、操作與溫度數(shù)據(jù)分析，即在一臺顯示器上顯示上述監(jiān)控畫面，同時在另一臺顯示器上分析指定的圖像與溫度數(shù)據(jù)。

8)圖像分辨率的優(yōu)化，對于觀測距離比較遠的設備，若紅外熱像儀所拍攝到的紅外圖像不夠清晰，應能利用多幅圖像分辨率序列增強的技術，將原始分辨率的紅外圖像進行優(yōu)化與處理，使紅外圖像的分辨率得到大幅度提高，以滿足使用需求，同時處理后的圖像依舊可以進行溫度分析。

1.4 實現(xiàn)的功能

1)紅外熱成像與設備異常報警，紅外溫度數(shù)據(jù)趨勢分析。

2)設備歷史溫度數(shù)據(jù)庫檢索。

3)紅外和可見光圖像的遠程傳輸和監(jiān)控：滿足遠程紅外圖像傳輸性能穩(wěn)定，失幀少的特點。

4)滿足紅外熱圖像動態(tài)采集、實時測溫分析、監(jiān)控精確的動態(tài)溫度分析，全數(shù)字化傳輸存儲。

5)具備強大的溫度分析功能，超溫報警提示，測溫校正：環(huán)境溫度、溫度及距離測溫校正。

6)能夠實現(xiàn)遠程攝像機控制，預制定位，遠程切換，自動巡視等。

7)發(fā)生異常時，可自動推出關聯(lián)圖像。

8)具備強大的遠程圖像監(jiān)控功能，可遠程控制鏡頭、云臺等設備。

9)可手動輸入電壓等級。

3 結束語

相對于可見光監(jiān)控系統(tǒng)和常規(guī)的紅外監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)將解決以往的技術難題，可實現(xiàn)如下功能：

1)解決電壓制熱缺陷的判讀難題，實現(xiàn)對變電站設備溫度的動態(tài)實時監(jiān)測，通過趨勢分析軟件對重點設備的溫度變化形成溫度曲線圖，使缺陷的判斷更加直觀、準確。

2)解決傳統(tǒng)的變電站紅外圖像監(jiān)測系統(tǒng)中所采用的視頻信號加串口數(shù)據(jù) (RS232/RS485)的通訊方式所帶來的缺點，如傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量有限，不能實時監(jiān)控等，實現(xiàn)全部監(jiān)控數(shù)據(jù)采用基于光纖的網(wǎng)絡傳輸方案，對所有的數(shù)據(jù)，特別是紅外熱像儀的包含全部16位溫度數(shù)據(jù)的視頻流，必須通過網(wǎng)絡光纖實時傳輸?shù)奖O(jiān)控室。

3)紅外熱像儀的選擇采用16 bit實時動態(tài)紅外熱像儀，較之以前的靜態(tài)紅外熱像儀只傳輸視頻信號，無法實時獲取每個點的溫度值，只能夠通過色標獲得不準確的模擬溫度值，現(xiàn)在可以實現(xiàn)通過數(shù)據(jù)實時獲得被測目標每個像素點的數(shù)字溫度值，提高了測量的準確性與真實性。

4)對于云臺預置位的設定，為滿足拍攝范圍，將云臺的預置位數(shù)量設定為80個，并采用可360°?n連續(xù)旋轉的云臺，每個預置位所對應電力設備可以在數(shù)據(jù)庫中建立對應的數(shù)據(jù)檔案資料，可以對設備的運行情況進行實時跟蹤與快速檢索，并自動生成歷史溫度變化曲線圖。

[1] 雷達技術發(fā)展規(guī)律和宏觀趨勢分析 [J].雷達學報，2012，1(1)：19-27.

[2] 高穎慧，王平，李君龍，等.復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的防空反導光學成像制導技術 [J].現(xiàn)代防御技術，2012，40(1)：6-10.

[3] 范晉祥，岳艷軍.紅外成像系統(tǒng)新概念新體制的發(fā)展 [J] .紅外與激光工程，2011，40(1)：1-6.

[4] 范晉祥，張淵.新概念紅外成像系統(tǒng)的發(fā)展 [J].紅與激光工程，2008，37(3)：386-390.

[5] Keith Lewis.Systems for persistent surveillance[C]//SPIE，2011，8165：816514.

[6] Slinger C W，Bennett C R，Dyer D，et al.An adaptive coded aperture imager：building，testing and trialing a super-resolvingterrestrialdemonstrator[C] //SPIE， 2011，8165：816511.

[7] Willett R M，Marcia R F，Nichols J M.Compressed sensing for practical optical imaging systems：atutorial[J].Optical Engineering，2011，50(7)：072601.

[8] RobertMuise， AbhijitMahalanobis. Recentresultsof integrated sensing and processing using a programmable hyperspectral imaging sensor[C] // SPIE， 2006，6245：624502.

[9] Muise R，Mahalanobis A.Compressive and adaptive imaging for target exploitation[C]//SPIE，2009，7442：74420A.

[10] Dhar N K，Dat R. Advanced imaging research and development at DARPA [C] // SPIE， 2012，8353：835302.

Research on Temperature On-line Monitoring System Based On Dynamic Real-time Infrared Thermal Imaging Technology

ZHU Liming
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid，Kunming 650217，China)

For traditional infrared imaging technology，it is difficult to find out detection of voltage substation of heating due to equipment defects effectively，timely and accurately.This paper bases on comparative analysis of the advantages and disadvantages of the visible and infrared thermal imaging technology，designed the substation equipment on-line monitoring system based on dynamic real-time infrared heat imaging technology，through dynamic dual-channel digital infrared camera and 360°?n PTZ fixed installation，with fiber optic transmission，transferring all monitoring real-time data to the control room of transmission substation，to achieve the inspection of equipment failure and the transferring of data effectively，timely，accurately.

voltage heating；infrared thermal imaging technology；dynamic timely technology；on-line inspection；head fixation

TM76

B

1006-7345(2015)04-0064-04

2015-02-03

朱利明 (1985)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)公司昆明供電局，主要研從事計量自動化方面工作 (e-mail)59984615＠qq.com。