紅外熱像在線測溫系統的設計與實現

孫 帥,楊 星

摘 要:結合目前最新的紅外熱像技術,設計一種新型輸電線路在線測溫系統。闡述紅外熱像技術在輸電線路溫度監測中的應用模型。重點論述該系統的工作原理、系統結構、功能、工作流程以及各部分組成,主要包括硬件和軟件方面設計的框架結構。該系統采用JPEG壓縮編碼技術對紅外熱像圖進行處理,并結合GPRS無線網絡進行實時數據傳輸,實現了對輸電線路溫度的監測。經過輸電線路現場運行與測試,各項技術指標已達到設計要求。

關鍵詞:GPRS;輸電線路;紅外熱像;監測

中圖分類號:TM733文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-212-04

Design and Implementation of Infrared Imaging On-Line Thermal Measurement System

SUN Shuai,YANG Xing

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024,China)

Abstract:According to the latest infrared imaging technology,a new transmission line on-line thermal measurement system is designed.The application model of infrared imaging technology in monitoring temperature of transmission line is explained.The working principle,the systematic structure,the functions,the operation process and the composition of various parts of this system are discussed particularly,mainly including the frame structure of the hardware design and software design.This system adopts JPEG compression coding technology to deal with the infrared thermography,combining with the GPRS wireless network to transport the real-time data,and temperature monitoring of the transmission line is implemented.All technical targets of this system have reached design demands through operating and testing the transmission line on the spot.

Keywords:GPRS;transmission line;infrared imaging;monitoring

0 引 言

在供電網絡發展極為迅速和網架結構日趨合理化的今天,國家對電力系統供電可靠性的要求越來越高。紅外熱像測溫技術在電力工業設備狀態檢測領域得到了廣泛的應用。但紅外熱像圖數據的大容量與傳輸方式有限性之間的矛盾也越來越突出,而發展到目前,中國移動強大的GPRS無線通信網絡為這一問題提供了很好的解決方案[1]。因此,研究輸電線路紅外熱像在線測溫是一項迫切而艱巨的任務。

輸電線路紅外熱像在線測溫系統運用先進的紅外熱像技術,對輸電線路運行溫度進行狀態在線監測;利用已有的GPRS無線通信網絡實現熱像圖數據的傳輸,具有覆蓋面廣,無需增加傳輸設備和線路的特點,特別適用于無法架設線路的偏遠地域的輸電線路場合[2]。系統圖像采集與傳輸終端由紅外熱像圖采集模塊、圖像數據壓縮模塊、GPRS網絡通信模塊、圖像數據傳輸模塊和太陽能供電裝置等組成,其中圖像數據壓縮模塊采用JPEG硬件壓縮編碼技術,對靜態圖像進行壓縮編碼[7],最大限度地減少了網絡傳輸的數據量,節省了網絡資源,提高了圖片的傳輸速度。為了解決設計中的高速率圖像采集、壓縮控制與數據傳輸速度相對較慢帶來的變速率采樣問題,系統硬件結構采用微控制器加可編程邏輯控制芯片(MCU+CPLD)的方案,各項子功能由標準通用模塊完成,降低了系統復雜度,提高了系統整體性能,用戶可以利用PC機通過Internet上實現熱像圖的遠端采集與現場監控。

1 紅外熱像技術在輸電線路溫度監測中的應用模型

1.1 紅外熱像技術簡介

紅外熱像技術是探測輸電線路中各種電氣設備表面輻射的不為人眼所見的紅外線的技術。它反映設備表面的紅外輻射場,即溫度場。并根據設備表面的溫度場,測量設備某一部分的平均溫度。是一種被動的、非接觸式的檢測手段。紅外熱像儀就是利用該技術制作而成的檢測設備,目前已在電力設備故障診斷領域得到廣泛應用[4]。其簡單工作示意圖如圖1所示。

圖1 紅外熱像儀簡單工作示意圖

1.2 紅外熱像技術在輸電線路溫度監測中的應用

輸電線路的溫度信息可以通過紅外圖像進行有效反映。紅外成像是惟一一種可以將熱信息瞬間可視化,并加以驗證的診斷技術。紅外熱像儀可揭示熱故障,并通過非接觸溫度測量加以定性分析,在專業的紅外分析軟件的幫助下,數秒內便可自動完成分析報告。

所有利用或者發射能量的設備在發生故障前都會產生發熱現象。保證電氣設備運行可靠性的關鍵便是對能源的有效管理,而紅外熱像技術已成為預防性維護領域最有效的檢測工具,它能夠在設備發生故障之前,快速、準確、安全地發現故障。在電氣接點發生故障之前及時發現并進行維修,可以避免輸電線路因高溫熱故障造成斷電掉電所帶來的高昂代價[5]。

紅外熱像儀能夠正確引導預防性維護專家對電氣設備的運行情況進行準確判斷。可以將測量溫度值與歷史溫度進行比較,或者與相同時間同類設備的溫度讀數進行比較,以準確判斷是否發生了顯著的溫升,是否會導致部件失效,帶來生產隱患。主要用于電力預防性維護等用途。特別是用于輸電線路預防性維護、檢測方面,具有很大的優越性。

2 輸電線路紅外熱像在線測溫系統的實現方案

2.1 系統的工作原理

安裝在輸電線路現場的前端采集終端利用高精度數字式溫度傳感器對環境溫度參數值進行采集;利用高精度紅外熱像儀對準需要進行溫度監測的電氣設備。前端系統定時地采集到各種電氣設備有關溫度分布的熱像圖后,將數據傳送給電路系統,電路系統經過分析處理后將熱像圖進行壓縮和打包處理,然后通過GPRS無線網絡的方式發送到監控中心的計算機數據服務器上。數據服務器安裝相應的應用軟件程序進行數據的自動處理,主要完成熱像圖的接收與解壓還原,之后以圖像和圖形的形式將各種電氣設備的溫度分布情況直觀的顯示在客戶端,不同溫度以不同顏色顯示。系統結合數據軟件系統和各種修正理論模型分析各種電氣設備存在的熱缺陷和故障狀態,及時給出診斷信息,有效預防輸電線路高溫熱故障的發生。系統集成了環境溫度在線監測和輸電線路溫度分布的在線紅外熱像監測等,并借助現有中國移動強大的GPRS無線通信網絡進行實時數據傳輸,實現了對輸電線路溫度狀態的監測。

2.2 系統的結構

整個監控系統主要分為兩個部分:圖像采集與傳輸終端(前端);監控中心計算機數據服務器(中心端)。在系統構成上可分為上位機(監控中心計算機數據服務器)和下位機(圖像采集與傳輸終端)兩大部分。計算機數據服務器負責對圖像采集與傳輸終端進行管理和控制,處于管理層次的上層,因此稱為上位機。圖像采集與傳輸終端處在數據中心的控制下,負責對數據進行采集和傳輸,處于管理層次的下層,因此稱為下位機。系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構

圖像采集與傳輸終端包括以圖像采集芯片處理器為核心的圖像采集與JPEG壓縮部分和GPRS網絡傳輸部分以及紅外報警部分。圖像采集部分由視頻A/D芯片實現模擬圖像的數字化轉換,使用專用芯片實現JPEG圖像壓縮編碼[6]。GPRS無線網絡傳輸部分由專用GPRS模塊實現網絡傳輸功能,它與圖像采集部分的接口是通用異步串行接口(UART)。紅外報警部分實現輸電線路溫度出現異常狀況的報警功能。下位機主要實現輸電線路現場原始圖像的采集和壓縮以及壓縮圖像數據的GPRS無線信道傳輸,這些功能都由相應的軟件支持系統實現。

服務器包括硬件和軟件,硬件為具有公網IP地址的計算機,軟件即為服務器程序,由服務器程序實現GPRS網絡傳輸模塊和中心間的命令傳遞和數據傳輸。

監控中心計算機數據服務器也包括硬件和軟件部分。硬件為一臺能接入Internet的計算機,軟件為監控程序,電腦的網絡狀態為公網、動態IP[7]。

在這里特別指出,因為監控中心端滿足服務器的網絡要求,所以該系統將服務器和監控中心端放到一臺計算機上,以節約硬件和網絡資源。上位機主要實現壓縮圖像數據的接收及解碼和接收圖像數據的數據庫保存和處理。

2.3 系統的功能描述

2.3.1 上位機(監控中心計算機數據服務器)

上位機系統在用戶計算機上實現和運行并將相關數據存入數據庫。主要完成對各個監測點數據的收集,并將下位機的相關配置信息、設置狀態信息和環境數據存儲到數據庫中,方便用戶進行數據處理和分析。上位機系統主要功能如下:

(1) 顯示:數據的顯示包含多項內容,包括:溫度傳感器采集數據和紅外熱像監控器熱像圖的顯示、歷史值的顯示、按照時間顯示數據等。

(2) 存儲內容:實時數據、歷史數據、運行記錄、當前狀態

(3) 歷史數據整理:該系統可以對歷史數據文件進行整理,刪除選定的歷史數據文件,刪除某段時間以前的歷史數據。

(4) 打印報表:可以打印兩種報表,選擇日期,再選擇報表類型,即可打印。

2.3.2 下位機(前端圖像采集與傳輸終端)

下位機系統通過專用的傳感和變送裝置,對輸電線路環境溫度、輸電線路溫度分布的紅外熱圖像等信息進行監測,并轉化為可以被計算機處理的電信號(電壓、電流、頻率等),再由CPU對電信號進行二次化處理轉化為符合一定標準的數據,并存儲在存儲芯片中,以供保存和分析使用。下位機中的數據無線通信模塊起橋梁作用,連接監控中心端(上位機系統)與前端采集終端,并實現它們之間的通信。它負責將數據根據上位機系統請求或主動上報方式通過GPRS通信方式上傳給上位機,并將上位機發送的控制命令傳輸給前端采集終端。

2.4 系統的工作流程

該系統是為滿足現場監控而設計,下面對系統的工作過程加以敘述。該系統具有定時觀察、即時觀察以及現場報警觸發等功能[8],具體工作過程如下:

(1) 啟動階段:前端安裝并啟動以后,GPRS模塊自動通過預先設定的服務器地址與中心端進行連接。連接到中心端以后,中心端會向前端發送請求讀取終端的命令,前端接收到命令以后發送本終端的應答命令到中心端,中心端記錄并監視該前端與中心端的連接。此時,如果客戶端也發送網絡連接請求到中心端,并發送被監控前端的請求命令,中心器就會將前端和客戶端的網絡連接對應上,此后前端和客戶端就可以采用透明方式進行數據傳輸,中心器不參與控制,只是提供數據通道[9]。

(2) 定時工作階段:該系統具有定時工作功能,由前端定時抓拍現場熱像圖,在中心端實現。即監控中心端定時向前端發送采集熱像圖的命令,前端收到命令以后會采集當前現場的熱像圖,通過中心端傳輸給客戶端。定時時間設置由監控中心端軟件的設置功能實現。

(3) 實現即時觀察:如果當用戶無定時監控的要求,或者用戶設置的定時時間較長,但在定時間隔中間有觀察現場的要求的時候,用戶可以啟動即時功能。在監控中心端軟件上有按鈕,點擊此按鈕時,中心端會向前端發送采集圖像的命令,前端收到命令后會采集當前現場的熱像圖,傳送給中心端。

(4) 實現報警觸發觀察:在前端,微控制器的輸入接口與熱像儀相連,熱像儀滿足報警設置要求時,前端會采集當前現場熱像圖,傳送到中心端。在傳送的信息中會帶有當前報警情況,當監控中心端收到此報警信息后,會發出警提示,直到用戶關閉此次報警。

2.5 系統總體硬件結構

整個系統硬件結構主要分為前端和中心端。前端圖像采集與傳輸系統是基礎前提,其結構和性能直接決定了整個系統性能的好壞。前端硬件主要由五部分組成:主控制模塊、圖像采集模塊、圖像壓縮模塊、GPRS無線傳輸模塊以及紅外報警模塊[10]。中心端即監控中心計算機數據服務器與前端硬件系統起著承上啟下的作用。其結構框圖如3所示。

圖3 熱像監控系統總體框圖

2.6 系統總體軟件結構

軟件系統包括前端圖像采集與傳輸終端軟件及監控中心端軟件。兩者在設計時采用如圖4所示的軟件層次結構。

圖4 系統軟件層次結構示意圖

如圖4所示,總體軟件分成了三個層次:上層應用軟件、中間支持部分、底層系統軟件。各個不同部分實現不同的功能。

特別指出:監控中心軟件系統是該系統的重要組成模塊,它可以分析輸電線路中各種電氣設備的發熱規律及其表面的溫度分布和升溫狀況,結合各種修正理論模型進一步分析各種電氣設備存在的熱缺陷和故障狀態,及時給出診斷信息。所有客戶端可以隨時對數據進行各種查詢、瀏覽、打印、存檔,還可直觀地通過觀測紅外熱圖像對輸電線路的溫度狀態及發展趨勢進行監測,實時地進行預警信息顯示與提示。最關鍵的是:它可以根據相關算法公式來分析所測的溫度參數數據,利用趨勢分析技術可以模擬地分析出輸電線路環境溫度及溫度分布發展趨勢,綜合反映輸電線路的安全狀況。通過監測特定地區輸電線路環境溫度、輸電線路溫度分布的紅外熱圖像等信息來估算該地區線路高溫事故發生的臨界條件,監測輸電線路紅外熱圖像數據來掌握線路事故的實時信息,并且系統可以同時與歷史數據對比,指導檢修或發出預警信號。

3 結 語

開展對輸電線路溫度分布狀況進行實時紅外熱像在線監測,深入研究輸電線路運行現狀與故障特性,建立數據監測模型,利用集輸電線路環境溫度參數和輸電線路溫度紅外熱像圖等多參數監測與管理的輸電線路紅外熱像在線測溫系統來確定輸電線路的安全情況,及時給出高溫熱故障預報信息,對于有效輸電線路溫度超標的發生,保障現有輸電線路的安全運行起到了重要的作用。同時最大程度地解決輸電線路安全運行和維護管理的難度問題,也為輸電線路參數監測提供了新的方法與途徑,開辟新的研究思路。因此,具有重大的理論意義和實踐意義,實現了巨大的社會效益,具有廣泛的應用和推廣前景。

參考文獻

[1]韓斌杰.GPRS原理及其網絡優化[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2]孫晨.對GPRS在電力系統應用的分析[J].電力系統通信,2003,24(11):38-41.

[3]黃賢武.數字圖像處理與壓縮解碼技術[M].成都:電子科技大學出版社,2000.

[4]陳衡,侯善敬.電力設備故障紅外診斷[M].北京:中國電力出版社,1999.

[5]董其國.紅外診斷技術在電力設備中的應用[M].北京:機械工業出版社,1998.

[6]夏德深,傅德勝.現代圖像處理技術與應用[M].南京:東南大學出版社,2001.

[7]范文博.基于GPRS的數據采集遠程網絡監控系統[J].無線電工程,2004(1):21-23.

[8]季瑞松.基于GPRS無線圖像監控系統的研究和應用[D].杭州:浙江大學,2004.

[9]蔡銳丹.GPRS無線數據傳輸系統的設計與應用[J].通信技術,2004(1):19-21.

[10]顧明.基于GPRS網絡的嵌入式系統設計及其應用[D].南京:河海大學,2003.