變電站智能紅外熱像無(wú)人監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用分析

遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司 程忠輝 王天慧

1 智能紅外熱像無(wú)人監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1.1 監(jiān)控與測(cè)溫功能

為了更好的獲得測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，生成溫度變化圖像，紅外熱像系統(tǒng)利用自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，系統(tǒng)終端能夠?qū)蛻舳诉M(jìn)行遠(yuǎn)程操控，完成自動(dòng)對(duì)焦，可防止電動(dòng)鏡頭長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)的對(duì)焦不清晰問題。系統(tǒng)使用WST技術(shù)降低了風(fēng)速對(duì)溫度監(jiān)測(cè)的影響，聯(lián)合ETT技術(shù)補(bǔ)償各種介質(zhì)對(duì)紅外信號(hào)的影響，加強(qiáng)了對(duì)變電站內(nèi)所有設(shè)施的溫度監(jiān)測(cè)效果。

1.2 自動(dòng)巡航與報(bào)警功能

需對(duì)變電站展開無(wú)人值守操作時(shí)，可直接按巡航按鈕，此時(shí)系統(tǒng)切換到了自動(dòng)監(jiān)測(cè)的工作狀態(tài)，可對(duì)各個(gè)區(qū)域開始巡航掃描。比如針對(duì)某個(gè)區(qū)域內(nèi)的變壓器，先在區(qū)域內(nèi)設(shè)定報(bào)警上限值，如系統(tǒng)檢測(cè)此時(shí)變壓器的溫度已超過了上限值將會(huì)立即發(fā)出報(bào)警。如果溫度正常系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)向一個(gè)區(qū)域巡航、并在該區(qū)域停留幾分鐘，將區(qū)域內(nèi)的實(shí)際溫度數(shù)據(jù)提交到熱像服務(wù)器中，方便監(jiān)控室內(nèi)工作人員及時(shí)查看設(shè)備溫度值，以此作為設(shè)備故障診斷的重要參數(shù)。按照變電站的實(shí)際情況，每隔一小時(shí)系統(tǒng)就會(huì)將巡檢機(jī)器人內(nèi)預(yù)置點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.3 一鍵切換功能

系統(tǒng)自動(dòng)巡航如發(fā)現(xiàn)有設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，可將自動(dòng)巡檢切換為現(xiàn)場(chǎng)分析模式，或通過報(bào)警信息進(jìn)行故障定位，找出故障具體位置，等待故障診斷與分析；診斷分析功能。利用圖像分割完成電氣設(shè)備的有效劃分，從中采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)備識(shí)別可依據(jù)圖像與設(shè)備之間的映射關(guān)系。系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)需對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，由于不同設(shè)備的報(bào)警溫度不同，某個(gè)設(shè)備溫度超限時(shí)須及時(shí)找出具體設(shè)備，因此紅外熱像系統(tǒng)須立即查詢到設(shè)備，再將設(shè)備實(shí)時(shí)溫度提交給系統(tǒng)管理人員，工作人員判斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，了解設(shè)備是否存在過熱問題或者故障，以便及時(shí)完成故障處理[1]。

2 智能紅外熱像無(wú)人監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)共分為三個(gè)模塊，其中監(jiān)測(cè)模塊由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)內(nèi)又包含紅外熱像儀、攝像頭、溫度感知模塊等部分，這些設(shè)備負(fù)責(zé)采集與處理數(shù)據(jù)，在云臺(tái)上搭建攝像頭，系統(tǒng)依靠云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)完成設(shè)備掃描。數(shù)據(jù)采集包含設(shè)備紅外視頻流與溫度數(shù)據(jù)，處理處理包含區(qū)域分割和發(fā)熱區(qū)域檢測(cè)等。服務(wù)器模塊負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)溫度異常數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)查詢異常信息。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，獲取變電站內(nèi)設(shè)備的可見光與紅外視頻流，采集溫度信息，溫度傳感器和MCU連接，經(jīng)過串口將溫度傳遞到工控機(jī)。紅外熱像儀與攝像頭在網(wǎng)線的作用下連接工控機(jī)，每相隔5s工控機(jī)就會(huì)獲取一次數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采集了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，工控機(jī)先對(duì)數(shù)據(jù)展開本地處理，隨后上傳至服務(wù)器，減輕數(shù)據(jù)傳輸壓力。隨后系統(tǒng)在紅外圖像內(nèi)分割設(shè)備區(qū)域，以此作為檢測(cè)區(qū)域，根據(jù)環(huán)境當(dāng)前溫度信息進(jìn)行紅外圖像的發(fā)熱檢測(cè)找出異常區(qū)域，對(duì)區(qū)域準(zhǔn)確定位，經(jīng)過檢測(cè)算法的應(yīng)用完成數(shù)據(jù)處理，得出故障結(jié)論。

2.3 數(shù)據(jù)的傳輸

主要有兩部分，一部分是節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，工控機(jī)向服務(wù)器提出申請(qǐng)后確立Socket連接，雙方確立連接端口，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；另一部分指的是客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，客戶端向服務(wù)器提出申請(qǐng)、確立連接，客戶端查詢數(shù)據(jù)時(shí)向服務(wù)器發(fā)送參數(shù)，服務(wù)器尋找符合條件的數(shù)據(jù)并將結(jié)果顯示在客戶端。如果變電站內(nèi)有電力設(shè)備異常發(fā)熱，或接下來可能會(huì)異常發(fā)熱，此時(shí)服務(wù)器也會(huì)向客戶端發(fā)出信號(hào)。

3 變電站智能紅外熱像無(wú)人監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用分析

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變電站監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，設(shè)備故障的產(chǎn)生會(huì)伴隨異常發(fā)熱，所以系統(tǒng)須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度，檢測(cè)異常發(fā)熱區(qū)域。工控機(jī)間隔5s就會(huì)獲得一幀紅外圖像，先分割發(fā)熱區(qū)域再對(duì)區(qū)域展開異常檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱的情況還需進(jìn)一步檢測(cè)區(qū)域內(nèi)參數(shù)，獲得異常區(qū)域坐標(biāo)、面積、溫度、溫差等數(shù)據(jù)，經(jīng)過紅外和可見光圖像的相互匹配，完成發(fā)熱精確定位，再將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器內(nèi)，向系統(tǒng)客戶端提交報(bào)警信號(hào)。

客戶端軟件設(shè)計(jì)。包含以下模塊：異常信息更新模塊。節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到設(shè)備發(fā)熱異常時(shí)將信息上傳到服務(wù)器，并在系統(tǒng)客戶端內(nèi)顯示，數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)更新，將異常情況以報(bào)警信號(hào)的形式提交給客戶端；異常預(yù)警模塊。節(jié)點(diǎn)經(jīng)過視覺標(biāo)簽對(duì)區(qū)域持續(xù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)分析異常區(qū)域溫度的變化趨勢(shì)，在產(chǎn)生溫度異常之前向服務(wù)器與客戶端發(fā)出預(yù)警信號(hào)，以便采取控制措施；異常信息詳情模塊。對(duì)異常詳細(xì)信息集中顯示，如紅外異常檢測(cè)圖與具體參數(shù)等；異常查詢模塊。系統(tǒng)操作人員可向服務(wù)器提出申請(qǐng)，查詢自己需要的異常信息參數(shù)。

3.2 檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 異常發(fā)熱區(qū)域分割檢測(cè)

提取設(shè)備異常區(qū)域作為檢測(cè)區(qū)域，再對(duì)其中的設(shè)備展開發(fā)熱檢測(cè)分析。需先進(jìn)行設(shè)備區(qū)域提取，按照紅外圖像在成像方面的特點(diǎn)，發(fā)熱目標(biāo)區(qū)域灰度值更高，使用模糊C均值算法完成設(shè)備與非設(shè)備區(qū)域之間的自動(dòng)分割。以往的FCM算法耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法滿足設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的需求，為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的決定采用模糊C均值算法：對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行精簡(jiǎn)處理，統(tǒng)計(jì)圖像灰度級(jí)，將相同灰度級(jí)作為子集代入計(jì)算，減少運(yùn)算量，也提升圖像的分割效率。

對(duì)聚類中心進(jìn)行優(yōu)化處理，將灰度統(tǒng)計(jì)的直方圖分為兩部分，要求兩部分像素?cái)?shù)保持相同，劃分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)是q，定義類中心目標(biāo)函數(shù)f=α(pi/H1+pj/H2)+β(xj-xi)/x，i與j代表的是像素灰度級(jí)，其中0≤i＜q，q＜j≤255，pi為i的像素?cái)?shù)，pj為j的像素?cái)?shù)；H1和H2指的是這兩部分的像素總數(shù)；xi和xj指的是i和j相應(yīng)的灰度值，其中x是最大灰度級(jí)；α與β是相應(yīng)的權(quán)值，α=0.4，β=0.6，這樣能夠讓f最大時(shí)的i和j成為聚類中心相對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)。

關(guān)于鄰域相關(guān)性約束，采用高斯函數(shù)進(jìn)行像素賦權(quán)值分析，再對(duì)隸屬度加權(quán)平均，以此獲得像素隸屬度：ukmn=h(x,y)ukxy，ukmn指的是像素隸屬度；m為像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)，n為像素點(diǎn)的縱坐標(biāo)；k是所屬類別。其中x∈（m-1,m+1），y∈(n-1,n+1)；h（x,y）=1/(2πσ2)exp(-(x2+y2)/(2σ2))作為高斯核函數(shù)，σ取值0.8,鄰域選擇3×3鄰域。圖像分割后改進(jìn)后的算法能讓變電站設(shè)備區(qū)域更加完整。

3.2.2 異常發(fā)熱區(qū)域精確定位

電力設(shè)備的缺陷等級(jí)分為一般、重大、緊急缺陷三種。按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與紅外診斷技術(shù)要求，在紅外熱成像的同時(shí)產(chǎn)生偽色彩溫度映射表，訪問灰度值，再利用映射表獲取像素點(diǎn)的實(shí)際溫度，根據(jù)環(huán)境內(nèi)的溫度信息進(jìn)行發(fā)熱異常檢測(cè)。該過程可檢測(cè)出異常發(fā)熱區(qū)域坐標(biāo)、面積、最低最高溫度、溫差等參數(shù)。

由于紅外圖像的分辨率較低，成像較模糊，而可見光圖像的成像符合人眼視覺要求且分辨率更高，所以經(jīng)可見光圖像映射后的紅外圖像可對(duì)區(qū)域進(jìn)行精確定位。二者安裝位置不同，需對(duì)圖像做好配準(zhǔn)處理。先對(duì)紅外圖像和可見光圖像進(jìn)行灰度化處理，獲得兩個(gè)灰度圖像，再采用邊緣檢測(cè)方法得到邊緣圖像。使用SURF算法進(jìn)行邊緣圖像檢測(cè)獲取特征點(diǎn)，得到特征集，對(duì)特征集內(nèi)的點(diǎn)尋找距離最短的兩個(gè)點(diǎn)，如果最近距離除以次近距離的結(jié)果低于0.7閾值可接受該匹配點(diǎn)。采用最小二乘法計(jì)算仿射變換矩陣，將檢測(cè)的異常發(fā)熱區(qū)域經(jīng)過矩陣映射在可見光圖像內(nèi)，完成對(duì)區(qū)域的精準(zhǔn)定位。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

結(jié)合變電站所在的特殊環(huán)境以及技術(shù)要求，紅外熱像系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)按照電網(wǎng)區(qū)域范圍與變電站數(shù)量組合來定義，局端能對(duì)下屬所有設(shè)備展開遠(yuǎn)程紅外視頻監(jiān)控，采用多級(jí)組網(wǎng)的方式建立大規(guī)模紅外無(wú)人監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在集控中心設(shè)置不同區(qū)域監(jiān)控中心，在調(diào)度中心設(shè)置主控中心，以專業(yè)在線紅外熱像儀為溫度檢測(cè)探頭，配置數(shù)碼攝像槍，利用相應(yīng)軟件完成變電站帶電設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)與預(yù)警，智能分析設(shè)備當(dāng)前溫度情況。在變電站各個(gè)角落設(shè)置監(jiān)控頭，完成對(duì)設(shè)備的紅外圖像監(jiān)測(cè)，圖像和數(shù)據(jù)接入內(nèi)網(wǎng)，用戶使用軟件即可查看。

紅外熱像系統(tǒng)在變電站內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用呈以下特點(diǎn)：紅外熱像儀性能優(yōu)越，安裝簡(jiǎn)便，可先進(jìn)入傳輸系統(tǒng)，保障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)傳輸。采用圖像分析算法，系統(tǒng)只需1個(gè)IP地址即可，帶寬為10Mbps，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生延遲，可有效降低對(duì)帶寬的占用；系統(tǒng)支持多人異地同時(shí)監(jiān)控，軟件使用效率高，可智能識(shí)別設(shè)備溫度異常，完成自動(dòng)報(bào)警后系統(tǒng)將會(huì)生成故障分析報(bào)告；紅外熱像系統(tǒng)將會(huì)依據(jù)設(shè)備的異常發(fā)熱狀況對(duì)設(shè)備展開紅外診斷，判斷故障類型再生成不同級(jí)別的故障分析報(bào)告；系統(tǒng)可對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生歷史最高或最低溫度、平均溫度數(shù)據(jù)匯總曲線圖，方便對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與變化趨勢(shì)實(shí)時(shí)了解，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

紅外成像系統(tǒng)具有高度智能巡航功能，系統(tǒng)內(nèi)配置了自動(dòng)溫度與濕度調(diào)控裝置，可按照變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集到的溫度與濕度信息對(duì)數(shù)據(jù)有效校正，再將數(shù)據(jù)同步到紅外熱像儀內(nèi)生成參數(shù)報(bào)告，提高熱像儀測(cè)溫的精確度。此外系統(tǒng)還具有智能報(bào)警功能，可根據(jù)設(shè)備的實(shí)際異常發(fā)熱情況，依據(jù)紅外診斷的操作規(guī)范完成相應(yīng)故障等級(jí)的報(bào)警，以便用戶及時(shí)了解故障情況，針對(duì)不同的缺陷等級(jí)采取有效解決措施。

3.4 紅外熱像檢測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用

基于紅外測(cè)溫與熱成像功能的變電站巡檢機(jī)器人適用于用電高峰時(shí)期，該時(shí)期變電站內(nèi)的設(shè)備易過載過熱。機(jī)器人安裝紅外熱成像儀可對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)到的溫度超出閾值，機(jī)器人將會(huì)發(fā)出報(bào)警并將將故障信息發(fā)送到系統(tǒng)后臺(tái)，以便人員及時(shí)處理。紅外成像無(wú)人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含巡檢機(jī)器人與固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分，機(jī)器人高度為1.2m、重量在80kg左右，云臺(tái)水平活動(dòng)范圍為±180°，垂直方向活動(dòng)范圍為±90°，系統(tǒng)可在最低零下30℃和最高零上50℃的環(huán)境中工作。機(jī)器人集成可見光與紅外熱成像設(shè)備，底部采用驅(qū)動(dòng)輪，支持轉(zhuǎn)向與移動(dòng)操作。

提前做好變電站巡檢地點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的部署，改造巡檢機(jī)器人的工作路線，做好臺(tái)階轉(zhuǎn)為斜坡和拓寬路面的調(diào)整。機(jī)器人采集到的紅外熱圖像可精準(zhǔn)的展示設(shè)備當(dāng)前溫度分布情況，與實(shí)際溫度的差距在1℃以內(nèi)，測(cè)溫功能較好。當(dāng)光照條件與儀表位置符合的情況下，機(jī)器人能夠拍攝變電站設(shè)備狀態(tài)與儀表狀態(tài)，工作人員在后頭可查看儀表讀數(shù)。系統(tǒng)具有巡檢功能、噪音識(shí)別功能，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行可提升變電站巡檢工作的技術(shù)價(jià)值。

3.5 基于紅外測(cè)溫的開關(guān)柜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作重點(diǎn)是經(jīng)過一定數(shù)量的紅外熱成像儀，采用電網(wǎng)輔助系統(tǒng)對(duì)開關(guān)柜當(dāng)前的溫度情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且并不會(huì)對(duì)設(shè)備造成干擾影響。紅外測(cè)溫技術(shù)有著較強(qiáng)的容錯(cuò)性，防止系統(tǒng)運(yùn)行期間出現(xiàn)崩潰的問題。紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)變電站的圖像信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，確保圖像信息的獲取，能對(duì)所有開關(guān)柜的紅外歷史圖像進(jìn)行回放。通過對(duì)溫度信息的實(shí)時(shí)分析，展現(xiàn)存儲(chǔ)熱成像的功能，強(qiáng)化系統(tǒng)自身無(wú)人自動(dòng)巡檢的功能，并在提前設(shè)定的間隔時(shí)間內(nèi)做好全變電站監(jiān)控點(diǎn)的圖像巡檢分析，從而保證監(jiān)測(cè)工作的時(shí)效性，任意設(shè)定監(jiān)測(cè)對(duì)象。

紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能將采集到的紅外熱像處理成具體的溫度信息并制成生產(chǎn)圖表報(bào)告。系統(tǒng)包含：測(cè)溫探頭。其與計(jì)算機(jī)相連接，利用RS485連線將熱成像數(shù)據(jù)傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部；溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。紅外傳感器內(nèi)置非接觸式溫度感應(yīng)芯片，可進(jìn)行-40～125℃的測(cè)溫。將系統(tǒng)放置在變電站高壓開關(guān)柜內(nèi)，對(duì)三相電纜接頭溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，經(jīng)過監(jiān)測(cè)得知電纜溫度始終處于預(yù)期范圍且系統(tǒng)終端沒有收到報(bào)警信號(hào)，說明開關(guān)柜溫度正常，沒有任何異常情況。