紅外與紫外一體化變電設(shè)備故障的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘瑾+高樹國+陳志勇+劉宏亮+張建軍

摘 要： 針對傳統(tǒng)的檢測方法在對電力設(shè)備實(shí)施非接觸故障檢測時(shí)需要靠人工手段實(shí)施，存在檢測精度和自動化水平低的問題。提出并設(shè)計(jì)了紅外與紫外一體化變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)，采用適用于高壓開關(guān)柜紅外窗口環(huán)境下的紅外與紫外圖像配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)紅外與紫外圖像的配準(zhǔn)。通過雙線性插值算法融合紅外熱圖像和紫外光圖像，在紫外光背景上顯示出目標(biāo)發(fā)熱部位的發(fā)熱情況，以此為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊化分析，給出系統(tǒng)的功能模塊以及工作流程，采用三種工作模式完成變電設(shè)備故障檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的檢測精度和效率。

關(guān)鍵詞： 紅外與紫外； 一體化； 變電設(shè)備； 功能模塊； 故障檢測； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN21?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）01?0120?05

Abstract： The traditional detection methods rely on the manual means to implement non?contact fault detection of electric power equipment， and has the problems of low detection accuracy and automation level. Therefore， an infrared and ultraviolet integrated fault detection system for substation equipment is put forward and designed， in which the infrared and ultraviolet image registration algorithm suitable for infrared window environment of high?voltage switch cabinet is used to match the infrared and ultraviolet images. The infrared and ultraviolet images are fused with bilinear interpolation algorithm. The thermal position of the target is shown in the ultraviolet light background. On these basis， the overall structure design and modular analysis were performed for the system. The functional modules and workflow of the system are given. The three working modes are adopted to realize the fault detection of substation equipment. The experimental results show that the designed system has high detection precision and efficiency.

Keywords： infrared and ultraviolet； integration； substation equipment； functional module； fault detection； system design

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活質(zhì)量的提高，電成為人們不可或缺的必需品。對剛產(chǎn)生的電源要進(jìn)行變電處理，使其滿足日常生活所需用電的大小。為了把發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到較遠(yuǎn)的地方，必須把電壓升高，變?yōu)楦邏弘?，到用戶附近再按需要把電壓降低，這種升降電壓的工作靠變電站來完成[1]。變電站的主要設(shè)備是開關(guān)和變壓器，而對變電設(shè)備故障進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測是確保電網(wǎng)線路正常運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。變電設(shè)備存在故障時(shí)會產(chǎn)生過熱問題，使得出現(xiàn)各種故障，傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)主要針對設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行故障檢測，忽略了運(yùn)行時(shí)間過長及其使用環(huán)境等因素，導(dǎo)致檢測精度低[3]。針對上述研究問題，設(shè)計(jì)紅外與紫外一體化變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備故障的高效、自主檢測。

1 紅外熱圖像與紫外光圖像的配準(zhǔn)分析

變電站中的開關(guān)柜處于常閉狀態(tài)，需要透過紅外窗口采集開關(guān)柜中變電設(shè)備的熱圖像，為了對開關(guān)柜中變電設(shè)備的發(fā)熱部位狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確顯示，應(yīng)先獲取不同開關(guān)柜的紅外熱圖像模板同紫外光圖像模板，塑造模板圖像庫。再采用紅外與紫外圖像配準(zhǔn)的算法進(jìn)行紅外熱圖像與紫外光圖像間的配準(zhǔn)，得到空間變換關(guān)系[4]，融合透過紅外窗口拍攝的高壓接開關(guān)柜內(nèi)的紅外熱圖像以及紫外光模塊圖像，最終對開關(guān)柜內(nèi)部設(shè)備發(fā)熱部位的詳細(xì)情況進(jìn)行直觀顯示。具體過程如圖1所示，描述如下：

1） 通過已標(biāo)定的紅外熱像儀和紫外光攝像機(jī)拍攝變電設(shè)備高壓開關(guān)柜；

2） 手動在紅外熱圖像模板中采集配準(zhǔn)控制點(diǎn)，確保該控制點(diǎn)能夠在紫外光圖像模板中確定位置；

3） 基于各控制點(diǎn)，采用極線運(yùn)算公式獲取紫外光圖像內(nèi)對應(yīng)的極線位置，為紫外光圖像上的配置控制點(diǎn)的選擇創(chuàng)造分析依據(jù)；

4） 在紫外光圖像中選擇合理的配置控制點(diǎn)，這些點(diǎn)都位于相應(yīng)的極線上，按照配準(zhǔn)控制點(diǎn)采用RANSAC算法，獲取紅外熱圖像到紫外光圖像的變換矩陣[H；]

5） 向模板圖像庫中存入各開關(guān)柜的紅外熱圖像、紫外光圖像和空間變換矩陣[H；]

6） 采用紅外窗口對開關(guān)柜拍攝的紅外熱圖像和模板圖像庫中相同開關(guān)柜的紅外熱圖像實(shí)施SURF特征提取，通過BBF算法完成特征點(diǎn)的粗匹配；endprint

7） 采用RANSAC算法對粗匹配特征點(diǎn)集實(shí)施提純處理，過濾掉其中的誤匹配[5]，得到紅外窗口圖像與紅外熱圖像模板的變換矩陣[H；]

8） 基于變換矩陣[H]以及[H]運(yùn)算出紅外窗口圖像到紫外光圖像模板變換矩陣[Hnew=HH，]實(shí)現(xiàn)紅外窗口圖像同開關(guān)柜紫外光圖像的配準(zhǔn)。

2 改進(jìn)變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析

對變電設(shè)備進(jìn)行故障檢測的根本目的是為了保證變電設(shè)備在一定的工作環(huán)境中和一定的工作期限內(nèi)可靠、有效地實(shí)現(xiàn)其功能。變電設(shè)備的檢測過程事實(shí)上可以認(rèn)為是一個模式識別的過程。因?yàn)椴煌臓顟B(tài)可以認(rèn)為是不同的模式，而狀態(tài)識別可認(rèn)為是模式識別。通過系統(tǒng)對變電設(shè)備故障進(jìn)行檢測，可以保證變電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能檢測出有關(guān)信號，并由此識別出故障產(chǎn)生的原因，變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)的總體框架用圖2描述。其中監(jiān)控云平臺由紅外熱像設(shè)備和紫外光攝像機(jī)組成，將兩路監(jiān)控云平臺當(dāng)成圖像采集站，在變電設(shè)備的不同檢測場區(qū)部署圖像采集站[6]；開關(guān)柜中含有多個無線測溫傳感器，可將無線測溫接收器當(dāng)成無線測溫?cái)?shù)據(jù)采集站；采系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由客戶端和服務(wù)端構(gòu)成，服務(wù)端由硬件層、數(shù)據(jù)層以及方案層構(gòu)成，其主要對系統(tǒng)底層硬件實(shí)施處理、對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問以及完成系統(tǒng)的自主巡航處理[7]。服務(wù)端各層的主要功能如下所示：

1） 硬件層是服務(wù)端的基礎(chǔ)，其采用網(wǎng)口和串口對前端硬件進(jìn)行管理，為數(shù)據(jù)層提供硬件接口。硬件層可對相同設(shè)備規(guī)劃統(tǒng)一管理接口，確保檢測系統(tǒng)集成多種類的硬件設(shè)備。

2） 數(shù)據(jù)層主要通過數(shù)據(jù)訪問接口與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互處理，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲速度以及業(yè)務(wù)間的相互獨(dú)立。通過OLEDB技術(shù)對象鏈接嵌入到數(shù)據(jù)庫中，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問擴(kuò)展至其他數(shù)據(jù)庫中，提升系統(tǒng)的使用性能。

3） 方案層的功能是同客戶端進(jìn)行通信，轉(zhuǎn)發(fā)紅外與紫外光視頻信息及維護(hù)在線巡航。采用TCP/IP協(xié)議采集來自客戶端的數(shù)據(jù)訪問和硬件管理申請，將申請傳遞到數(shù)據(jù)層以及硬件層實(shí)施操作[8]，同時(shí)將數(shù)據(jù)處理結(jié)果反饋給客戶端。方案層中的視頻轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要是為了轉(zhuǎn)發(fā)紅外熱像儀與紫外光攝像機(jī)的視頻流，確保不同客戶端的用戶都可觀察到變電設(shè)備的紅外與紫外光視頻。基于規(guī)定的巡航規(guī)劃表和規(guī)定的過程對相應(yīng)變電設(shè)備實(shí)施檢測[9]。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在模塊化集成設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，通過在線式紅外熱像儀、紫外光攝像機(jī)、紅外窗口手持式紅外熱像儀以及無線測溫等方式對變電設(shè)備的故障實(shí)施檢測[10]，全面分析檢測數(shù)據(jù)，為變電設(shè)備的檢修提供基礎(chǔ)。

2.2.1 功能模塊設(shè)計(jì)

采用模塊化方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，提升系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)效率，對變電設(shè)備故障檢測時(shí)易出現(xiàn)故障點(diǎn)重復(fù)、特征不顯著的部分實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，獲取的系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

對圖3中幾個重要的功能模塊進(jìn)行介紹：

1） 云臺控制模塊主要對監(jiān)控云臺的方位選擇，設(shè)置預(yù)存儲位等進(jìn)行控制操作。

2） 紅外熱像儀控制模塊主要對紅外熱像儀的聚焦、抓圖以及采集溫度數(shù)據(jù)等進(jìn)行控制操作。

3） 紫外光攝像機(jī)控制模塊主要對紫外光攝像機(jī)進(jìn)行變焦、截圖以及錄制視頻等控制操作。

4） 無線測溫?cái)?shù)據(jù)接收模塊可基于用戶申請，接收無線測溫接收器傳遞的無線測溫?cái)?shù)據(jù)。

5） 在線監(jiān)控模塊可調(diào)用不同硬件層模塊，在手動運(yùn)行情況下實(shí)時(shí)監(jiān)控場區(qū)中的變電設(shè)備。

6） 紫外窗口檢測模塊對開關(guān)柜中變電設(shè)備的紅外熱圖像進(jìn)行故障檢測。

2.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程分析

系統(tǒng)采用三種工作模式對變電設(shè)備故障進(jìn)行檢測：

1） 現(xiàn)場初始化模式，系統(tǒng)通過巡航預(yù)設(shè)子系統(tǒng)設(shè)置場區(qū)中待檢測變電設(shè)備的云臺預(yù)置位，同時(shí)輸入相關(guān)信息、巡航時(shí)刻表和獲取高壓開關(guān)柜內(nèi)部紅外模板圖像和紫外線模板圖像，完成各模板間的配準(zhǔn)分析；

2） 自動巡航模式可對變電設(shè)備進(jìn)行自動巡航檢測報(bào)警。巡航子系統(tǒng)自主收集待檢測場區(qū)變電設(shè)備的紅外圖像，并分析獲取的紅外圖像溫度數(shù)據(jù)，基于設(shè)置的判斷標(biāo)準(zhǔn)，分析相應(yīng)變電設(shè)備的運(yùn)行情況；

3） 手動控制模式采用手動控制分析不同電氣設(shè)備的工作情況。

系統(tǒng)的檢測流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)的性能測試與分析

通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)的紅外與紫外一體化變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)的性能實(shí)施檢測。

3.1 離線式系統(tǒng)故障檢測結(jié)果分析

在基于紅外的變電設(shè)備監(jiān)測與診斷的應(yīng)用中，變電設(shè)備的故障診斷包括在線式和離線式兩種類型。離線式的變電設(shè)備故障檢測是對已采集的設(shè)備圖像實(shí)施處理分析的過程。受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行離線式系統(tǒng)檢測，對變電設(shè)備實(shí)施批量分類和檢測，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，對未分類的變電設(shè)備圖像和部分設(shè)備故障的檢測實(shí)施人工復(fù)核。實(shí)驗(yàn)采用FLIR E40型號紅外熱像儀采集變電設(shè)備的紅外圖像，先將獲取的RGB圖像變換成灰度圖像，再對灰度圖像實(shí)施分割以及分類，系統(tǒng)的部分目錄以及檢測結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

從圖6中得到設(shè)備的最高溫度是46.3 ℃，環(huán)境溫度是22 ℃，數(shù)據(jù)庫保存的電流互感器正常運(yùn)行溫度是30 ℃，則二者的相對溫差是 67.7%，說明電流互感器存在一般故障，按照數(shù)據(jù)庫內(nèi)的設(shè)備種類以及故障種類，分析可能存在觸桿接觸不良故障。

圖7中的電流互感器的最高溫度是31.3 ℃，相對溫差是15.66%，說明設(shè)備運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)10次檢測過程中本文系統(tǒng)和人工復(fù)核溫度的檢測結(jié)果，用表1描述。

對比分析表1中對本文系統(tǒng)的檢測結(jié)果和人工復(fù)核的結(jié)果可得，本文系統(tǒng)對變電設(shè)備故障檢測時(shí)不僅具有較高的精度，同時(shí)也保持了較高的檢測效率，滿足變電設(shè)備故障檢測的實(shí)時(shí)性檢測需求。endprint

3.2 高壓套管將軍帽故障檢測

通常將變電設(shè)備的高壓套管頂部稱為將軍帽，其是變電設(shè)備內(nèi)外部實(shí)施電能交換的關(guān)鍵部位，可對高壓套管定位實(shí)施密封，避免變電設(shè)備中的絕緣油外泄。如果將軍帽存在故障，則其會影響變電設(shè)備的絕緣能力，干擾變電設(shè)備的正常運(yùn)行。本文系統(tǒng)獲取的高壓套管將軍帽故障紅外檢測結(jié)果用圖8描述。將圖8a）內(nèi)的彩色圈像采用加權(quán)平均法變換成灰度圖像，對圖像實(shí)施濾波操作，獲取的結(jié)果用圖8b）描述。

對圖8中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化分析，用表2描述。從中可以看出，本文系統(tǒng)同參考值相差為0.2%，說明本文系統(tǒng)具有較高的檢測精度。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了紅外與紫外一體化變電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的檢測精度和效率。

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