變電站電力設(shè)備紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

袁輝建

(重慶電力高等專科學(xué)校，重慶400053)

0 引言

變電站中有大量的高壓設(shè)備，例如變壓器、母線、隔離開關(guān)、耦合電容器、高壓電纜等，其運(yùn)行狀態(tài)好壞直接決定電力系統(tǒng)的安全和效益。站內(nèi)高壓設(shè)備工作狀態(tài)不正常，若不能得到及時(shí)有效的處理，很可能會(huì)發(fā)展成嚴(yán)重的事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡。對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)，保證電力設(shè)備的正常運(yùn)行，已成為目前高電壓測(cè)試技術(shù)發(fā)展的必然方向之一。

紅外測(cè)溫可以在設(shè)備不停電、不解體情況下，遠(yuǎn)距離、非接觸、快速對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷，因此得到較為廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外大多使用紅外熱成像儀進(jìn)行人工定期巡檢，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能實(shí)時(shí)全面動(dòng)態(tài)檢測(cè)，且紅外熱成像儀價(jià)格非常昂貴，大型變電站方可配備，對(duì)于絕大多數(shù)的小型變電站，或無人值守變電站則發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。

本文提出一種新的電力設(shè)備紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，能將自動(dòng)行走部分與紅外測(cè)溫探頭相結(jié)合，通過無線通訊方式將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至管理控制中心，既可以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，又避免紅外成像儀成本高，難以廣泛使用等問題。該系統(tǒng)能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有利于提高在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)變電站的無人值守。

1 紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

1.1 紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)主要由電磁導(dǎo)航部分、紅外自動(dòng)巡檢平臺(tái)、無線通信接口模塊和管理計(jì)算機(jī)四部分組成(如圖1所示)。紅外自動(dòng)巡檢平臺(tái)在變電站內(nèi)按預(yù)置導(dǎo)航電線路徑自動(dòng)行走，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備溫度數(shù)據(jù)采集，管理計(jì)算機(jī)位于管理控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及對(duì)測(cè)溫裝置的控制，管理計(jì)算機(jī)與紅外自動(dòng)巡檢平臺(tái)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。紅外自動(dòng)巡檢平臺(tái)采用紅外測(cè)溫探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)圖像的采集，通過H.264編碼壓縮處理數(shù)據(jù)，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送給管理計(jì)算機(jī)，后臺(tái)監(jiān)控軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，顯示現(xiàn)場(chǎng)紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

圖1 紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 電磁導(dǎo)航部分工作原理

電磁導(dǎo)航部分主要由導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生器、中心導(dǎo)航電線和兩個(gè)水平線圈組成。為了討論方便，在運(yùn)動(dòng)路徑上建立如圖2所示坐標(biāo)系，假設(shè)巡檢平臺(tái)沿跑道前進(jìn)的方向?yàn)閆軸，垂直跑道往上為Y軸，在跑道平面內(nèi)垂直于跑道中心線為X軸，XYZ軸滿足右手方向。電磁導(dǎo)航線沿Z軸方向布置于道路中間，在自動(dòng)巡檢平臺(tái)的前上方水平方向固定兩個(gè)相距L的線圈，兩個(gè)線圈的軸線距電磁導(dǎo)航線導(dǎo)航電線高度為h，則左邊的線圈l的坐標(biāo)為(x，h，z)，右邊的線圈 Z的位置(x-L，h，z)。

圖2 電磁導(dǎo)航部分結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)h取值為5cm，L取值為30cm，則x∈(-15，+15)cm，導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生19.3kHz電流，通入中心導(dǎo)航電線，由于導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生器通入電流頻率較低，且兩個(gè)水平線圈較小，本文近似認(rèn)為小范圍內(nèi)磁場(chǎng)分布是均勻的。根據(jù)電磁學(xué)原理，兩個(gè)水平線圈分別感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1、E2，兩者差值Ed為:

當(dāng)左邊線圈的位置x=15cm的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于運(yùn)動(dòng)路徑的中央，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值Ed為零。當(dāng)線圈往左偏移，x∈(15，30)cm，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值小于零;反之，當(dāng)線圈往右偏移，x∈(0，15)cm，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于零。因此在位移0～30cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。為保證兩個(gè)線圈的中心位置為電磁導(dǎo)航中心線，本系統(tǒng)使用Ed這個(gè)量對(duì)于自動(dòng)巡檢平臺(tái)轉(zhuǎn)向進(jìn)行負(fù)反饋控制。

1.3 紅外檢測(cè)部分工作原理

紅外檢測(cè)部分由紅外測(cè)溫探頭、二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和攝像頭構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。紅外測(cè)溫探頭固定安裝在二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，系統(tǒng)通過二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的掃描，并獲取電力設(shè)備各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備圖像的獲取，然后通過圖像處理將電力設(shè)備各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)與電力設(shè)備圖像對(duì)應(yīng)結(jié)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(shí)間設(shè)備各部位的溫度數(shù)據(jù)，得到設(shè)備的溫度分布變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況。由于電力設(shè)備的最高允許溫度均在408K以內(nèi)，根據(jù)維恩位移定律，本系統(tǒng)采用8.0～14.0μm波段的紅外測(cè)溫探頭HBIR-5816。

2 自動(dòng)巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3 紅外檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)巡檢平臺(tái)硬件部分由主控模塊、裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、無線通訊模塊組成，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。自動(dòng)巡檢平臺(tái)采用四輪結(jié)構(gòu)，前面兩個(gè)輪子為主動(dòng)輪，后面兩個(gè)輪子為從動(dòng)輪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)輪直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng);電磁信號(hào)檢測(cè)模塊用于自動(dòng)巡檢平臺(tái)的導(dǎo)航;二維旋轉(zhuǎn)云臺(tái)用于承載紅外測(cè)溫探頭，裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊可通過對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)兩個(gè)直流舵機(jī)的控制，改變紅外測(cè)溫探頭的指向;裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊基于MC9S12XS128單片機(jī)，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(shí)現(xiàn)巡檢平臺(tái)的導(dǎo)航控制、運(yùn)動(dòng)控制和二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的移動(dòng)控制;主控模塊是自動(dòng)巡檢平臺(tái)的核心，由基于PXA270的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)組成，用于設(shè)備圖像數(shù)據(jù)的采集及編碼壓縮、紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的處理，并與管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線通訊，完成對(duì)裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制。

圖4 自動(dòng)巡檢平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

由于自動(dòng)巡檢平臺(tái)的重量和體積較大，驅(qū)動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩要足夠大，因此本系統(tǒng)選擇兩臺(tái)36W的直流電機(jī)作為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H型全橋式電路，可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。它的基本原理圖如圖5所示。

圖5 全橋式驅(qū)動(dòng)電路

H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)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(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S5導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng);當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S5關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。在巡檢平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的過程中，要經(jīng)常地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S5 導(dǎo)通，且S3、S4 關(guān)斷;到S1、S5 關(guān)斷，且 S3、S4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下，要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)。但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。因此，為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)要求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實(shí)際上卻必須相差一個(gè)足夠的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)矯正過程通過硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)。另外，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流不僅可以通過主開關(guān)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(guān)管。當(dāng)巡檢平臺(tái)停止瞬間，電機(jī)便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流就通過續(xù)流二極管流通，保護(hù)了電路。

3 自動(dòng)巡檢裝置軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)巡檢系統(tǒng)的軟件包括主控模塊軟件、裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊軟件和后臺(tái)監(jiān)控軟件三部分，結(jié)構(gòu)如圖6所示。裝置運(yùn)動(dòng)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?qū)χ噶钸M(jìn)行解析，根據(jù)主控模塊的指令控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及自動(dòng)巡檢平臺(tái)的運(yùn)動(dòng);主控模塊軟件根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的工作模式或后臺(tái)監(jiān)控軟件下傳的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制，設(shè)備溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量處理，設(shè)備圖像數(shù)據(jù)的采集和JPEG編碼處理;后臺(tái)監(jiān)控軟件保存管理主控模塊軟件傳送的溫度和圖像數(shù)據(jù)，處理生成設(shè)備紅外狀態(tài)圖像，并提供人機(jī)接口界面，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)自動(dòng)巡檢平臺(tái)的控制，以及紅外狀態(tài)圖像和溫度數(shù)據(jù)等的顯示。

4 結(jié)束語

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

本文中的電力設(shè)備紅外自動(dòng)巡檢系統(tǒng)，是針對(duì)電力系統(tǒng)中紅外成像的帶電設(shè)備非接觸式放電檢測(cè)技術(shù)存在的問題，并結(jié)合電磁導(dǎo)航系統(tǒng)、紅外測(cè)溫掃描、攝像和圖像處理技術(shù)，研制的一種新型電力設(shè)備在線紅外巡檢系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無人狀態(tài)下實(shí)時(shí)對(duì)電力設(shè)備的發(fā)熱情況進(jìn)行掃描，通過圖像融合處理技術(shù)，將電力設(shè)備發(fā)熱數(shù)據(jù)置入由攝像頭獲得的設(shè)備可見光圖像，建立與設(shè)備圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的故障情況。本文提出的紅外自動(dòng)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(tǒng)在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需要。

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