端子熱成像檢測(cè)系統(tǒng)工藝研發(fā)方案

◇大連科技學(xué)院交通運(yùn)輸學(xué)院 毛俊 鄭欣宇 李怡萱

隨著我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，變電、用電負(fù)荷逐年增加，配電柜的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及可靠性十分重要。通過(guò)基于目前先進(jìn)的紅外熱成像技術(shù)的非接觸式測(cè)溫系統(tǒng)，集紅外、可見光及智能算法于一體的配電柜接線端子熱成像檢測(cè)系統(tǒng)，有效辨別配電柜排線接頭的過(guò)熱及短路造成的火災(zāi)事故隱患，同時(shí)檢測(cè)其溫度走向進(jìn)行前期預(yù)判，為電力設(shè)備運(yùn)行提供有力保證。紅外熱成像技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，同時(shí)是根據(jù)目標(biāo)設(shè)備的紅外輻射探測(cè)來(lái)捕獲目標(biāo)的圖像技術(shù)[1]。我們提出了一種電氣化設(shè)備紅外圖像自動(dòng)分析及處理方法，對(duì)配電柜中的特定電氣化設(shè)備過(guò)熱現(xiàn)象進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)及故障判別，實(shí)現(xiàn)了故障診斷領(lǐng)域中追求的高效和精準(zhǔn)。

1 應(yīng)用背景介紹

配電柜是電動(dòng)機(jī)控制中心的統(tǒng)稱。它應(yīng)用在回路較少、負(fù)荷比較分散的場(chǎng)合；把上一級(jí)配電設(shè)備某條電路的電能就近分配給負(fù)荷。這級(jí)設(shè)備應(yīng)負(fù)責(zé)保護(hù)、監(jiān)視和控制負(fù)荷，采用溫度識(shí)別方法用比色程序?qū)Ρ粰z電氣化設(shè)備進(jìn)行溫度分析，并算出各個(gè)溫度區(qū)域的總面積。相對(duì)溫度識(shí)別方法既能科學(xué)讀出故障的嚴(yán)重程度，又方便準(zhǔn)確可計(jì)算。相位拓?fù)渚仃嚳蓪?duì)故障進(jìn)行自動(dòng)定位，改進(jìn)了設(shè)備缺陷。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用不同的算法識(shí)別，形成了互感系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)、套管的故障診斷完整流程，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜中的故障設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷[2-4]。

2 端子熱成像檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及檢測(cè)原理

2.1 硬件設(shè)計(jì)

板卡的組成。板卡主要由：CPU、OV2680-26P-200萬(wàn)像素可見光攝像頭、Xmodule-S0系列212-90W超廣角紅外攝像頭模組、HTU20D(F)數(shù)字溫濕度傳感器（板載溫濕度采集）、XR819的WIFI模塊、外界電池模塊、DC-DC電源、USB等組成。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）通信協(xié)議。

考慮到設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，通信協(xié)議采用無(wú)應(yīng)答式傳輸方式，即設(shè)備工作后，自動(dòng)通 過(guò)wifi模塊向外界輸出信息。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，wifi輸出時(shí)采用固定幀長(zhǎng)度方式，可配置，這樣方便接收和解析。另外周期性發(fā)送配置信息（主要為輸出圖像的分辨率），暫定為1FPS，可配置，間接性的起到心跳報(bào)文的作用。結(jié)果信息和圖像輸出的幀率可配置，暫定為1FPS。

a、根據(jù)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，可以制訂如下通信協(xié)議：

b、通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

c、載荷數(shù)據(jù)格式。

如果為非圖像數(shù)據(jù)，那么載荷數(shù)據(jù)都是有效載荷；如果為圖像數(shù)據(jù)（包括紅外、可見光及融合圖像），那么載荷數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 載荷數(shù)據(jù)格式

（2）設(shè)備端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

設(shè)備端應(yīng)用程序由多個(gè)線程組成，具體包括紅外圖像采集、可見光圖像采集、雙光融合算法、WIFI無(wú)線發(fā)送[5]、看門狗監(jiān)控線程。

a、圖像采集線程。負(fù)責(zé)按照系統(tǒng)指定的顯示幀率要求，周期性采集紅外和可見光圖像（兩個(gè)并行的線程），并采用幀循環(huán)緩沖（其大小默認(rèn)為3幀）的機(jī)制，送雙光融合線程進(jìn)行融合算法處理。

b、雙光融合線程。利用IHS變換將已經(jīng)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的可見光圖像分解成I、H、S三個(gè)相關(guān)性很低的分量，將其飽和的亮度分量I進(jìn)行與紅外圖像單獨(dú)處理，選用2層的小波變換分解，得到圖像在不同分辨率下的代表不同信息的高低頻分量，再對(duì)得到的低頻分量采用平均值法，高頻利用絕對(duì)值取大進(jìn)行融合，對(duì)新的高低頻分量實(shí)現(xiàn)小波重構(gòu)后通過(guò)IHS逆變換得到新的I分量與原始圖像H、S融合后得到新的圖像處理結(jié)果，另外根據(jù)顯示的需要，對(duì)融合后的圖像進(jìn)行裁剪，然后將裁剪后的圖像放在輸出幀循環(huán)緩沖區(qū)（其大小默認(rèn)為3幀）里面，供WIFI無(wú)線發(fā)送模塊使用。

c、WIFI無(wú)線發(fā)送線程。從雙光融合線程獲取到融合后的圖像數(shù)據(jù)，然后按照約定的通信協(xié)議，經(jīng)由WIFI模塊將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

d、看門狗監(jiān)控線程。對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行監(jiān)護(hù)，并實(shí)現(xiàn)一些低優(yōu)先級(jí)的輔助功能。

（3）PC端平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)利用QT、C#、VS等軟件，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、解析、圖像數(shù)據(jù)拼接及顯示等功能。

a、數(shù)據(jù)接收及解析。結(jié)合使用場(chǎng)景，將接收做得穩(wěn)定可靠，盡量減少數(shù)據(jù)丟失。將設(shè)備端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)接收下來(lái)后，按照協(xié)議解析一下，獲得檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)、配置信息數(shù)據(jù)及各種圖像數(shù)據(jù)。

b、圖像數(shù)據(jù)拼接?？紤]到傳輸模式，檢測(cè)設(shè)備在輸出圖像幀時(shí)，采用切片傳輸方式，即將一幀完整圖像切片成多個(gè)子幀發(fā)送，每次接收到的圖像數(shù)據(jù)只是一幀完整圖像的一部分。當(dāng)所有子幀圖像數(shù)據(jù)接收完以后，就可以組合為一幀完整圖像幀數(shù)據(jù)。

c、圖像拼接。由于檢測(cè)設(shè)備的視角問(wèn)題，一個(gè)檢測(cè)設(shè)備并不能監(jiān)控到整個(gè)高低壓配電柜，而是需要多個(gè)檢測(cè)設(shè)備配合完成一個(gè)高低壓配電柜的監(jiān)控功能。因此，需要將多個(gè)檢測(cè)設(shè)備的多路輸出一同顯示到監(jiān)控平臺(tái)上，此時(shí)就牽涉到一個(gè)圖像拼接。

檢測(cè)設(shè)備圖像輸出采用插花的YUV422格式，即數(shù)據(jù)排列為YUYVYUYVo每個(gè)檢測(cè)設(shè)備輸出的圖像為條狀矩形區(qū)域，有點(diǎn)類似于下面左側(cè)的3副小圖。而圖像拼接的作用就是將左側(cè)的3幅小圖拼接為右側(cè)的完整圖像，以便于顯示（圖1）。

圖1 拼接效果圖

2.3 檢測(cè)原理

（1）特征圖譜判別法。

在運(yùn)行的過(guò)程中，無(wú)論是哪一種電力設(shè)備，其表面都有固定的發(fā)熱溫度。特征圖譜判別法就是熱像圖特征判斷法，很適用于電壓致熱型電力設(shè)備。特征圖譜判別法主要是比對(duì)正常與故障兩種現(xiàn)象下的熱像圖，若是差別較大則判斷此部分可能存在故障，沒(méi)有較大差別則表示設(shè)備運(yùn)行正常，在排除如環(huán)境色彩或是陽(yáng)光光線等干擾因素后，精準(zhǔn)判斷出此種電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[6]。

（2）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸原理。

完全集成的WLAN解決方案：大功率PA；收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)；內(nèi)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；0FDM/CCK PHY處理器；SDIO2.0主機(jī)接口支持6Mbps至65Mbps；OFDM具有并發(fā)操作的WiFi直接支持，支持MAC增強(qiáng)。XR819芯片特點(diǎn)：兼容ieee.802.11 b/g/n標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘：從13～52MHz輸入xtal.或外部參考時(shí)鐘；內(nèi)部或外部32.768千赫低功率時(shí)鐘；片上自動(dòng)校準(zhǔn)。智能自適應(yīng)功率控制：節(jié)約用電；容忍VSWR變化以保持 EVM性能。

（3）設(shè)備工作流程。

設(shè)備通過(guò)各個(gè)紅外傳感器采集對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)WIFI上傳的數(shù)據(jù)，如若發(fā)現(xiàn)有采集的環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值并達(dá)到報(bào)警條件，設(shè)備會(huì)點(diǎn)亮報(bào)警指示燈和驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警電路從而產(chǎn)生聲光報(bào)警提醒相關(guān)人員。

對(duì)于傳輸距離較遠(yuǎn)或周圍干擾比較強(qiáng)烈的環(huán)境，可以通過(guò)“熱成像檢測(cè)終端”+“中繼模塊”+“無(wú)線網(wǎng)關(guān)”；增加“中繼模塊”的方式達(dá)到增加傳輸距離和傳輸質(zhì)量的目的；上位機(jī)顯示終端可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或者有線網(wǎng)絡(luò)接收前一級(jí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，并在對(duì)應(yīng)顯示界面顯示。顯示終端收到的數(shù)據(jù)流中包含視頻流，報(bào)警信息等。

2.4 現(xiàn)狀分析

我國(guó)輸配電設(shè)備及開關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)容量按照我國(guó)年新增裝機(jī)容量1500萬(wàn)kW。

2000年，新增裝機(jī)容量達(dá)2000萬(wàn)kW。加上老電網(wǎng)設(shè)備更新改造，高壓開關(guān)設(shè)備市場(chǎng)容量可達(dá)180億元。

配電柜產(chǎn)業(yè)涉及保安報(bào)警服務(wù)、CCTV監(jiān)控、防盜報(bào)警、樓宇對(duì)講、智能家居、生物識(shí)別、智能交通等諸多領(lǐng)域?qū)ζ涞谋Ｗo(hù)也是不可忽視的[7-8]。

3 應(yīng)用前景及優(yōu)點(diǎn)

3.1 應(yīng)用前景

本項(xiàng)目主要針對(duì)于配電柜安防市場(chǎng)，目前我國(guó)輸配電設(shè)備及開關(guān)設(shè)備的市場(chǎng)容量逐年劇增，變相推動(dòng)了配電柜安防市場(chǎng)應(yīng)用需求的與日俱增，對(duì)于安防產(chǎn)品技術(shù)要求日益提升，端子熱成像系統(tǒng)這個(gè)項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

3.2 項(xiàng)目?jī)?yōu)點(diǎn)

項(xiàng)目采用熱成像檢測(cè)技術(shù)，利用溫度既可以科學(xué)地讀取出故障的嚴(yán)重程度，又可以精準(zhǔn)方便的計(jì)算。結(jié)合計(jì)算機(jī)程序算法，使用相位拓?fù)渚仃噷?duì)故障進(jìn)行自動(dòng)定位，更加智能便捷化。所需器件較小，方便攜帶，應(yīng)用廣泛實(shí)用價(jià)值高。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于紅外檢測(cè)技術(shù)，采用特征圖譜判別法對(duì)檢測(cè)形成的圖像進(jìn)行分析，自動(dòng)完成設(shè)備的檢測(cè)與高溫預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化操作且提高了工作效率，節(jié)省了人力物力資源，同時(shí)減少了人為誤差，但此系統(tǒng)還存在一些令人不滿意的地方，例如受外部環(huán)境或其他因素影響，后期在系統(tǒng)抗干擾和穩(wěn)定性等方面還可以進(jìn)一步改進(jìn)提升。