基于紅外技術(shù)的變電站溫度監(jiān)控

王方,岳艷杰,邱道尹,朱云

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川雅安625014）

在電力系統(tǒng)中，往往由于設(shè)備溫度發(fā)生異常而導(dǎo)致不必要的故障。因此通過監(jiān)測電力設(shè)備的各種溫度狀態(tài)變化，可以對設(shè)備的故障做出診斷。在變電站里露天安置著各種變電設(shè)備，其中刀閘觸頭、接線排、開關(guān)等部件需要進(jìn)行實(shí)時非精確的溫度監(jiān)控，當(dāng)檢測點(diǎn)溫度超出某設(shè)定值時給予報(bào)警并在監(jiān)控中心顯示溫度值。使技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)、跟蹤、排除故障，確保電力設(shè)備安全運(yùn)行。利用紅外技術(shù)對電力設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測已越來越多地被應(yīng)用。目前常用的測溫方法有文獻(xiàn)[1-2]所介紹的紅外點(diǎn)溫儀、紅外熱電視和紅外熱像儀等。

1 測溫整體方案設(shè)計(jì)

該方案基于自源無線紅外溫度傳感器，利用微型太陽能電池為測溫模塊、紅外LED發(fā)射設(shè)備和單片機(jī)提供電源，解決了變電站內(nèi)無電源難布線問題。利用紅外信號將溫度信息傳送給紅外監(jiān)控系統(tǒng)，用各種濾波、平均值和小波變換等方法對紅外熱圖像去噪處理，利用紅外理論構(gòu)建熱圖像的測溫模型。結(jié)合圖像識別技術(shù)，解決高溫高壓惡劣環(huán)境條件下變電站溫度檢測、報(bào)警等問題。

該監(jiān)控系統(tǒng)分3大部分:測溫現(xiàn)場、監(jiān)控現(xiàn)場和監(jiān)控室，如圖1所示，其中測溫現(xiàn)場每一個結(jié)點(diǎn)模塊組成框圖如圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 測溫現(xiàn)場每一個結(jié)點(diǎn)模塊組成框圖

2 無線供電電源的選擇

2.1 鋰電池供電

鋰電池是由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動狀態(tài)，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2為氧化還原反應(yīng)放電。鋰電池廣泛應(yīng)用于風(fēng)力、火力、水力和太陽能電站等儲能電源系統(tǒng)。按所用電解質(zhì)不同分為：①固體電解質(zhì)鋰電池；②有機(jī)電解質(zhì)鋰電池；③鋰水電池；④無機(jī)非水電解質(zhì)鋰電池；⑤高溫熔融鹽鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是單體電池電壓高，比能量大，儲存壽命長，高低溫性能好，可在（-40℃～150℃）使用。缺點(diǎn)是價格昂貴，安全性不高。但該方案使用鋰電池供電還存在以下缺點(diǎn)：①不能大電流放電，安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)；②使用壽命有限，更換電池有困難。

2.2 溫差發(fā)電

半導(dǎo)體溫差發(fā)電[3]利用兩種材料的溫度差直接把熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理是賽貝克效應(yīng)[4-5]。由不同材料A、B組成的回路，當(dāng)A、B的溫度不同時，在回路中會產(chǎn)生電流，這就是賽貝克(Seebeck)效應(yīng)。把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，在冷端即可得到一個電壓。若將多個PN結(jié)串聯(lián)起來就可得到足夠大的電壓，組成一個溫差發(fā)電機(jī)來進(jìn)行溫差發(fā)電。它無需化學(xué)反應(yīng)且無機(jī)械移動，因而無燥音、無污染、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但溫差發(fā)電效率低、電源不穩(wěn)定。

2.3 電流互感器取電

該方案考慮變電站設(shè)備本身有電流通過，采用電流互感器取電[6-7]解決電源問題。電流互感器取電的工作原理如圖3所示。

圖3 電流互感器取電原理圖

互感器二次側(cè)的感應(yīng)電勢和鐵心磁通有如下關(guān)系

當(dāng)一次側(cè)電流是正弦電流，即i1=sin ωt,可得感應(yīng)電動熱勢有效值。

式（3）中，N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)；Φm為主磁通；f為一次側(cè)電流頻率；B為鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為鐵心截面積。

電流互感器取電系統(tǒng)框圖如圖4所示。此供電方案主要通過磁場取能，電力設(shè)備通過的電流會產(chǎn)生磁場，通過磁場產(chǎn)生的能量在磁感應(yīng)線圈的次級側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在經(jīng)過整流、濾波和電源變換轉(zhuǎn)換成所需電壓；磁場有效值在隨電流變化，當(dāng)電流正常或出現(xiàn)大電流時，一方面向溫度測量和紅外LED提供所需的穩(wěn)定電壓，另一方面向超級電容充電。當(dāng)飽和大電流時對后續(xù)電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)保護(hù)以提供穩(wěn)定電源，滿足測溫模塊的需要；當(dāng)電流很小或斷電時磁場取能小無法滿足測溫模塊的需要，由超級電容對后面的負(fù)載供電，此方案設(shè)計(jì)利用超級電容，一是可控制飽和大電流，將能量儲存起來；二是可在小電流或短期斷電時作為輔助電源供電。

圖4 電流互感器取電系統(tǒng)框圖

2.4 太陽能電池供電

太陽能電池供電[8]是利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。光伏發(fā)電的整個過程都是固態(tài)且自容式的。也就是說，沒有任何活動部件，即沒有物料消耗，也不產(chǎn)生任何排放。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成，半導(dǎo)體N型中含有較多的空穴，而半導(dǎo)體P型中含有較多的電子，這樣，把N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差。當(dāng)太陽光照射電池表面時，PN結(jié)中的N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差。太陽能供電的優(yōu)點(diǎn)：① 分布廣；② 無污染；③ 長期性；④ 能源巨大。但也存在以下缺點(diǎn)：①能量密度低；②電源的不穩(wěn)定；③轉(zhuǎn)化效率低和成本高。

該方案采用太陽能電池供電，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，在太陽能電池的后面安裝了一個超級電容，太陽能電池產(chǎn)生的電一方面直接給自源無線紅外溫度傳感器供電，另一方面把多余的電能儲存在超級電容里，也就是對超級電容充電。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣，太陽能供電不足時，由超級電容對自源無線紅外溫度傳感器補(bǔ)充供電，這樣兩者的結(jié)合使供電電源有了可靠的保證。

超級電容相比鋰電池有4個優(yōu)點(diǎn)：

1）充放電次數(shù)可達(dá)到100 000次；

2）可提供持續(xù)很高的放電電流；

3）可快速地充電；

4）維護(hù)工作量少。

3 自源無線紅外溫度傳感器

3.1 自源無線紅外溫度傳感器

自源無線紅外溫度傳感器無需外供電源，以紅外線傳輸信號的測溫裝置，可在高壓、高溫、高濕度等惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。工作原理如圖5所示。

圖5 溫度傳感器工作原理圖

該方案把傳感器的底部與被測高溫體相連接，將高溫體的溫度有效地傳送給測溫模塊TC77，太陽能電池一方面給TC77測溫模塊、PIC10F206單片機(jī)和紅外LED供電，另一方面給超級電容充電。TC77測溫模塊將測得的溫度值送給PIC10F206單片機(jī)，PIC10F206單片機(jī)輸出信號為數(shù)字信號，用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電流信號驅(qū)動LED發(fā)出紅外光線。溫度越高對應(yīng)轉(zhuǎn)化電流越大，從而通過調(diào)整電流，即可調(diào)整發(fā)光強(qiáng)度，對應(yīng)達(dá)到測量溫度的目的。通過監(jiān)控現(xiàn)場的紅外攝像機(jī)接收，給出設(shè)限報(bào)警和溫度等級顯示，保護(hù)熱電阻的作用是將紅外管的工作電壓限制在最大值以下。

3.2 測溫模塊TC77

檢測點(diǎn)溫度采集我們采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的低功耗數(shù)字溫度傳感器TC77[9]。它特別適用于低成本和小尺寸場合，它從固態(tài)傳感器得到溫度并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲在其內(nèi)部寄存器中，并能在任何時候通過SPI串行總線接口或Microwire兼容接口讀取，實(shí)現(xiàn)短距離的高速同步通信。TC77的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。TC77與單片機(jī)的接口硬件連接原理如圖7所示。

圖6 TC77的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7 TC77接口硬件連接原理圖

該方案選用的MICROCHIP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能化溫度傳感器TC77有以下特點(diǎn)：

1）溫度測控的低成本、體積小，經(jīng)濟(jì)性好；

2）現(xiàn)場溫度測量以數(shù)字方式傳輸，抗干擾性能更強(qiáng)；

3）有兩種工作模式連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換模式和關(guān)斷模式，功耗更低；

4）溫度分辨率為0.062 5℃／LSB，精度更高。

3.3 紅外LED發(fā)射模塊

紅外發(fā)光二極管[10]發(fā)光強(qiáng)試與注入電流有直接關(guān)系，紅外二極管正向電流越大其輸出光功率越大。可以用電光轉(zhuǎn)換曲線來表示,即P-I特性曲線如圖8所示。紅外LED常采用輻射通量P（輸出光功率）表示光強(qiáng)度的大小，單位為mW，輸入PN結(jié)的電流為IF。

圖8 紅外二極管光輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線

4 自源無線紅外溫度傳感器

4.1 紅外攝像機(jī)選擇

紅外攝像機(jī)測溫的關(guān)鍵要得到準(zhǔn)確、可靠的紅外圖像，但是對電力設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測時，由于現(xiàn)場各種條件的影響，可能導(dǎo)致測量結(jié)果與實(shí)際相差很大。所以為了得到準(zhǔn)確的監(jiān)測結(jié)果，必須分析造成干擾的因素，對監(jiān)測結(jié)果有影響的因素有很多，如電力設(shè)備本身發(fā)射率的影響、設(shè)備熱輻射的影響、太陽光產(chǎn)生輻射的影響、環(huán)境溫度的影響、大氣衰減的影響和風(fēng)力的影響。該方案選擇的紅外攝像機(jī)主要考慮分辨率、成像靈敏度、光譜響應(yīng)等主要特性。表1給出了實(shí)際測量中1號刀觸頭監(jiān)控溫度與實(shí)際溫度的對比數(shù)據(jù)。可以看出測溫誤差小于±6℃，滿足項(xiàng)目監(jiān)控測溫的要求。

表1 實(shí)際溫度與指示溫度 ℃

4.2 紅外攝像機(jī)信號接收

紅外二極管中電流與其發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)[11]，通過二極管電流越大，其發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，則對應(yīng)灰度圖的灰度值越大。下面實(shí)驗(yàn)測定電流與對應(yīng)灰度值之間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)定的6 V電源和電位計(jì)對紅外二級管持續(xù)供電，用軟件通過對攝像機(jī)獲取的測試點(diǎn)的灰度值進(jìn)行讀取。電流大小不同所對應(yīng)的紅外圖像中光點(diǎn)的亮度是不同的，進(jìn)行灰度處理后，采用灰度值對圖像亮度進(jìn)行分析對比，可更加有效地確定不同灰度值對應(yīng)的電流。表2是通過實(shí)驗(yàn)得到的試驗(yàn)參數(shù)與灰度圖像的對應(yīng)關(guān)系。

表2 各試驗(yàn)參數(shù)與灰度圖像的對應(yīng)關(guān)系

由表2可知，不同的灰度圖像的灰度值和電流值是一一對應(yīng)的，這樣就可以進(jìn)一步計(jì)算出對應(yīng)的溫度值，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的溫度測量及在溫度過高時報(bào)警的功能。

4.3 圖像處理與識別

CCD獲取現(xiàn)場監(jiān)控畫面和設(shè)備發(fā)熱缺陷圖像[12-13]后，由相關(guān)分析方法進(jìn)行預(yù)處理，校正圖像的顏色信息，對在現(xiàn)場采集的帶噪聲圖像進(jìn)行平滑、增強(qiáng)處理，以突出識別目標(biāo)。并對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識別、目標(biāo)的分割和濾波，對分割出來的目標(biāo)圖像進(jìn)行特征提取及分類，根據(jù)得到的坐標(biāo)確定出發(fā)熱缺陷的具體位置并報(bào)警，最后對事故的相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并存入數(shù)據(jù)庫。圖像處理流程如圖9所示。

圖9 圖像處理流程圖

4.4 圖像軟件界面顯示

本系統(tǒng)以NI的LabVIEW及NI-DAQmx開發(fā)系統(tǒng)[14-16]為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的軟件功能，利用LabVIEW軟件編寫的軟件界面如圖10所示。本系統(tǒng)用測溫現(xiàn)場的照片為背景圖，在圖上標(biāo)好每一個測溫點(diǎn)的具體位置和編號，把每一點(diǎn)紅外圖像信息通過圖像處理技術(shù)得到相應(yīng)點(diǎn)的溫度值，并在背景圖的相應(yīng)編號上實(shí)時顯示，也可以選取相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)查詢?？梢酝ㄟ^在數(shù)據(jù)庫內(nèi)預(yù)先設(shè)置報(bào)警溫度值，當(dāng)對應(yīng)位置的溫度和溫升高于預(yù)設(shè)值時，報(bào)警燈將閃爍并報(bào)警，將溫度值自動存儲，并可以與監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像兼容，實(shí)現(xiàn)紅外圖像和視頻圖像的切換。

圖10 圖像軟件界面

5 結(jié)論

該方案用紅外攝像機(jī)代替了昂貴的紅外熱像儀對電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時非精確的溫度監(jiān)控。利用太陽能電池為自源無線紅外溫度傳感器供電，解決了變電站內(nèi)無電源難布線等問題。并開發(fā)了軟件界面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，做到了各被測點(diǎn)的溫度、濕度、風(fēng)速實(shí)時顯示。該方案是用變電站的實(shí)拍照片作為背景在其軟件界面顯示各個測量點(diǎn)的溫度信息，如果能在紅外信號顯示的同時，以現(xiàn)場視頻信號作為背景，這樣使紅外溫度信號與視頻信號的融合，將會得到更加生動直觀的被測點(diǎn)的信息。

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