基于紅外測溫的特高壓直流輸電閥廳設備機器人巡檢系統(tǒng)應用研究

李志龍

（中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州 510663）

特高壓直流輸電系統(tǒng)作為國家電網(wǎng)的重要組成部分，發(fā)揮著跨區(qū)域調(diào)配電力資源的戰(zhàn)略作用。因此，保證其正常、平穩(wěn)、安全運行是國家電網(wǎng)長期以來關(guān)注的焦點問題[1-3]。其中，針對閥廳設備的巡檢與維護是保證特高壓直流輸電系統(tǒng)正常運行的核心任務。但目前的巡檢手段仍以人工現(xiàn)場憑經(jīng)驗檢查為主，效率低且局限性強。亟需引入新的先進技術(shù)來提高巡檢效率，從而滿足國家電網(wǎng)的巡檢與維護需求[4-5]。

因此，文中通過引入紅外測溫技術(shù)，結(jié)合巡檢機器人與可見光攝像設備提出了面向閥廳設備的巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用組合式軌道上的巡檢機器人以及搭載的紅外熱像儀、可見光攝像機等設備，對閥廳內(nèi)各類電氣設備的外部電氣缺陷、內(nèi)部發(fā)熱等問題進行檢測。其檢測數(shù)據(jù)可與后臺進行交互，從而實現(xiàn)閥廳設備運行狀態(tài)的巡檢、智能分析、顯示與故障處理。

1 理論分析

1.1 紅外輻射原理

紅外波段根據(jù)波長范圍可分為：遠紅外（15～1 000 μm）、長波紅外（8～15 μm）、中波紅外（3～8 μm）、短波紅外（1.4～3 μm）與近紅外（0.75～1.4 μm）。因此，紅外輻射的波長覆蓋了可見光與微波之間的波長區(qū)域[6]。在絕對零度之上，任何物體均能向外輻射出紅外能量，這是紅外測溫得以實現(xiàn)的基礎。

普朗克黑體輻射定律利用光譜特征描述黑體的電磁波輻射，其表達式如式（1）所示[7]。

其中，C1與C2分別代表第一和第二輻射常數(shù)。易知，電磁波對外的輻射能量與其波長、溫度有關(guān)，且在波長一定時，溫度越高，電磁波輻射的能量越大。因此，利用普朗克輻射定律，即可實現(xiàn)閥廳設備的紅外測溫，表現(xiàn)在熱成像圖像上，即設備溫度越高，圖像上的亮度越亮。

1.2 紅外熱像儀測溫原理

紅外熱像儀的工作原理如圖1 所示。被測閥廳設備向外發(fā)射出紅外線，經(jīng)光學系統(tǒng)接收與探測器轉(zhuǎn)換，形成微弱的視頻信號；經(jīng)前置放大器放大，將視頻信號顯示在終端顯示器上，呈現(xiàn)出整個設備區(qū)域具有溫度信息的彩色圖像[8]。由于紅外熱像儀能夠獲取不均勻溫度分布的被測設備溫度信息，并可轉(zhuǎn)化為三維圖像。因此，在需要監(jiān)測設備整體溫度的使用場景下能夠發(fā)揮重要作用。

圖1 紅外熱像儀的測溫原理示意圖

2 巡檢系統(tǒng)分析和設計

2.1 需求分析

為了滿足特高壓直流輸電閥廳設備的巡檢要求，文中設計的巡檢系統(tǒng)應當搭載可見光攝像設備、紅外熱像儀、聲音采集設備。通過遙控與自動的方式對閥廳內(nèi)設備的電氣回路與外部故障、內(nèi)部發(fā)熱等異常進行檢測，并將相關(guān)數(shù)據(jù)回傳給后臺供工作人員診斷與后續(xù)處理。因此，文中的巡檢系統(tǒng)需要充分考慮可靠性（如通過添加濾波器、多級浪涌吸收器、漏電保護和電磁屏蔽設備為系統(tǒng)提供瞬態(tài)過電壓防護、漏電流保護等）、實用性（利用現(xiàn)有技術(shù)平衡成本與性能）、先進性、開放性（接口能夠兼容其他系統(tǒng)，且互操作性良好）、可維護性（具備升級與分級維護的能力）、擴展性（軟硬件支持后續(xù)升級）和安全性（包括網(wǎng)絡互聯(lián)安全、機器人和閥廳設備不互相接觸或干擾）。

2.2 整體設計

文中巡檢系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計如圖2 所示。整體而言，文中巡檢系統(tǒng)分為基站層、外部系統(tǒng)層及終端層。其中外部系統(tǒng)層包括OWS 與輔助系統(tǒng)，主要用于輔助系統(tǒng)和操作站的接入；基站層包括后臺智能分析控制軟件與后臺機，主要用于后臺控制機器人接收現(xiàn)場巡檢的數(shù)據(jù)，并進行分析與處理；終端層包括巡檢機器人及該機器人工作的軌道與配套通信控制系統(tǒng)。此外，文中系統(tǒng)借助網(wǎng)絡線纜、交換機、無線模塊等設備構(gòu)建網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)各層間的快速、穩(wěn)定通訊。

為了滿足閥廳設備的巡檢需要，文中巡檢系統(tǒng)提供了定點、遙控與自主巡檢等多種巡檢方式。借助視頻服務器，系統(tǒng)的檢測模塊可將閥廳內(nèi)采集到的紅外圖像、可見光圖像、聲音等信號傳輸給系統(tǒng)后臺，供其分析處理后實現(xiàn)對閥廳內(nèi)設備的模式識別與外觀、溫度判斷。系統(tǒng)的巡檢機器人采用數(shù)字脈沖的方式進行驅(qū)動，系統(tǒng)軟件基于Windows 系統(tǒng)進行開發(fā)設計，數(shù)據(jù)庫選用了SQL 數(shù)據(jù)庫[9-16]。

圖2 文中巡檢系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設計示意圖

2.3 終端層設計

文中的巡檢機器人搭載了紅外熱成像儀、轉(zhuǎn)動云臺、可見光攝像機、拾音器等設備，如圖3 所示。

圖3 文中的巡檢機器人外觀圖

文中巡檢機器人的紅外測溫基于普朗克黑體輻射定律實現(xiàn)。由該定律可知，電磁波輻射能量越強，表明當前被檢測設備或區(qū)域的溫度越高，表現(xiàn)在紅外圖像上，即該設備或區(qū)域在圖像上具有更高的亮度。

文中巡檢機器人搭載的可見光攝像機，能夠?qū)︼L扇是否停滯、氣體壓力是否出現(xiàn)異常、設備附近是否出現(xiàn)異物等故障進行實時識別，從而實現(xiàn)對閥廳設備運行狀態(tài)的監(jiān)控與檢測。此外，為了高效、準確地識別發(fā)熱故障的設備和具體位置，文中設計了紅外測溫圖像與可見光圖像融合的方法，供系統(tǒng)后臺處理、評估和檢測。該方法利用可見光電耦合元件對閥廳畫面與紅外熱成像圖像進行獲取，經(jīng)預處理、圖像信息校正、增強和降噪后得到初步圖像。利用圖像識別、分割、濾波、特征提取與分類，進一步得到發(fā)熱區(qū)域出現(xiàn)在設備的具體位置。其相關(guān)信息會被存儲在數(shù)據(jù)庫并發(fā)出警報，如圖4 所示。圖像融合的流程可描述為：建立坐標系（包括待配準和原始圖像）；對對應控制點進行確定；建立畸形模型；重采樣偏移圖像；幾何糾正后并進行進一步分析。

圖4 紅外測溫圖像和可見光圖像融合識別效果圖

通信控制系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)巡檢機器人與軌道的獨立通信控制，其硬件包括了中繼、檢測組件與動力控制箱、無線網(wǎng)橋、無線模塊、網(wǎng)絡線纜等。其中，中繼控制箱分別通過無線網(wǎng)橋、無線模塊、檢測組件控制箱（用于巡檢機器人的云臺通信和控制）及動力控制箱（用于軌道滑臺的通信和控制）相連，與后臺主機通過光纜進行連接?？紤]到通信干擾，文中巡檢機器人與軌道屬于雙通道通訊控制。文中通信控制系統(tǒng)的軌道通信控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示?；贔INS 通信協(xié)議，PLC 控制芯片和后臺控制軟件通過光纖、無線模塊與網(wǎng)絡相連，執(zhí)行命令并返回實時數(shù)據(jù)。伺服電機在PLC 的控制下，執(zhí)行上下運動、?？康炔僮?。值得注意的是，文中預留了一套伺服驅(qū)動器，可用于后續(xù)巡檢機器人水平運動的升級與拓展。

圖5 通信控制系統(tǒng)的軌道通信控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 基站層的設計

基站層的設計主要是對后臺控制軟件的設計。文中后臺控制軟件的體系架構(gòu)示意圖如圖6 所示。該后臺控制軟件利用Windows 系統(tǒng)、C++語言、NetFramework2.0 組件與SQL 數(shù)據(jù)庫設計進行開發(fā)，其為4 層分層式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)層、邏輯層、功能層和表示層。其中，數(shù)據(jù)層包括實時事項、實時數(shù)據(jù)庫、運行配置、歷史數(shù)據(jù)庫、歷史事項庫與巡檢模型庫；功能層包括事件訪問、模型訪問與數(shù)據(jù)訪問；邏輯層包括報表服務、事項服務、實時服務、電子地圖引擎、巡檢任務處理、設備模式識別和報警服務；表示層包括圖形平臺、人機交互界面、缺陷智能分析、報表組件和巡檢模型配置。

圖6 后臺控制軟件的體系架構(gòu)

文中設計的后臺控制軟件可提供檢測功能、驅(qū)動控制功能、通信功能及分析報警功能。檢測功能主要用于處理巡檢機器人采集到的聲音、視頻等信號，包括閥廳設備的外觀、異物、熱缺陷、故障與噪聲檢測；驅(qū)動控制功能主要用于精確控制巡檢機器人的運動，包括既定任務和實時控制下的上下運動與停靠、累計運動誤差歸位清除等；通信功能主要用于實現(xiàn)巡檢機器人和軌道與交換機等網(wǎng)絡設備的獨立通信，從而保證兩者之間不會出現(xiàn)信號傳輸干擾；分析報警功能主要用于模式識別、溫度外觀檢測后的分析、數(shù)據(jù)存儲和報警處理，其中包括閥廳設備異常的分析、處理與報警、巡檢結(jié)果的報表生成、紅外與可見光圖像的顯示、巡檢歷史查詢等功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

文中將設計的機器人巡檢系統(tǒng)在閥廳中進行安裝與測試。每個閥廳間隔6 m 安裝一個豎直軌道與相應的巡檢機器人作為預置位，每個預置位的軌道上設置3 個?？奎c，與閥塔的層數(shù)相對應，從而盡量覆蓋閥廳內(nèi)的所有設備。在巡檢過程中，若發(fā)現(xiàn)設備溫度異常、外部故障等特殊情況，巡檢機器人則自動發(fā)出預警，并將數(shù)據(jù)傳回后臺控制軟件中。

后臺控制軟件的實現(xiàn)與測試結(jié)果如圖7～8 所示。其中，圖7 為后臺控制軟件的控制與顯示界面圖。顯示區(qū)域位于該界面的上半部分，為當前巡檢機器人視野下的紅外熱像圖像和可見光圖像，最高溫度會在圖像中顯示出來。在預置位操作區(qū)域，通過選擇云臺別名可以更改閥廳內(nèi)不同位置的巡檢機器人。通過設置時間與調(diào)用檢測設備，可以對巡檢機器人的巡檢模式進行設置。在導軌操作區(qū)域，通過點擊“后退”、“停止”與“前進”按鈕，可以控制當前巡檢機器人的上下運動。在導軌操作區(qū)域，通過設置紅外操作可以利用紅外熱像儀對視野內(nèi)的設備進行紅外測溫，并將結(jié)果顯示在該界面的顯示區(qū)域。在云臺操作區(qū)域，可以設置云臺的轉(zhuǎn)動速度并控制云臺進行對焦、方位、視場等調(diào)整。

圖7 后臺控制軟件的控制和顯示界面圖

溫度數(shù)據(jù)曲線界面如圖8 所示。在該界面上，可以通過對云臺名稱、報警類型與起始時間的調(diào)整，對被測設備的溫度數(shù)據(jù)及其紅外、可見光圖像進行調(diào)取與分析，數(shù)據(jù)也會生成歷史溫度變化曲線并顯示在圖像下方。

文中的巡檢系統(tǒng)經(jīng)過為期一個月的測試，測試過程中未出現(xiàn)明顯異常，能夠按照設計要求與設定任務正常、穩(wěn)定運行。具體而言，該系統(tǒng)利用紅外熱像儀可以較為準確地完成閥廳設備的溫度檢測，并順暢切換不同預置位的巡檢機器人執(zhí)行巡檢操作。遇到異常時也能夠及時發(fā)出預警，且抗干擾性能良好。

圖8 后臺控制軟件的分析和溫度數(shù)據(jù)曲線界面

4 結(jié)束語

特高壓直流輸電系統(tǒng)的巡檢與維護是國家電網(wǎng)長期以來的工作重點，傳統(tǒng)的人工巡檢已經(jīng)無法滿足規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)。文中設計了一套面向特高壓直流輸電系統(tǒng)中的閥廳設備巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用搭載可見光攝像機、紅外熱像儀等設備的巡檢機器人，實現(xiàn)了對閥廳內(nèi)各類電氣設備常見問題的常規(guī)檢測。通過控制軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對閥廳設備的運行數(shù)據(jù)進行智能分析、顯示與處理功能。