基于紅外成像的變電設備溫度遠程在線監(jiān)控

韋 良 ，張青青 ，何 峰 ，孟繁國 ，陳 浩

(1.山東濟南供電公司，山東 濟南 250001；2.山東電力科學研究院，山東 濟南 250001)

0 引言

溫度是表征變電設備運行狀況的重要參數(shù)，如果能夠遠程監(jiān)控變電設備的溫度，就可以使運行人員隨時掌握設備的運行工況，及時發(fā)現(xiàn)設備的缺陷，確保變電設備的正常運行。 隨著電力工業(yè)的發(fā)展，變電站數(shù)量劇增而運行人員卻在不斷減少，變電設備的運行狀況越來越多的依賴遠程自動化監(jiān)控設備。如何能夠隨時監(jiān)控變電設備的溫度變化，及時了解設備的運行工況，成為一個重要的研究課題。據(jù)統(tǒng)計，變電設備現(xiàn)場巡檢所發(fā)現(xiàn)的缺陷中，除了變電站綜合自動化系統(tǒng)所能反應的缺陷，與溫度相關的設備隱患和缺陷占到了其中的80%以上，因此對變電設備在線測溫檢測技術的應用是無人值班技術發(fā)展和狀態(tài)檢修的必然要求［1］。

傳統(tǒng)溫度測量方式反應速度慢，并且要求測量設備必須與被測物體接觸，使用的局限性大，紅外測溫以紅外傳感器為核心進行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險場合的非接觸測溫，得到了廣泛應用。然而現(xiàn)有的紅外測溫設備多為手持式，該類設備的體積較小，僅能夠?qū)ψ冸娫O備的某些部件進行點式測溫，而且往往是要求在變電站的周期性巡視中由運行人員到現(xiàn)場測溫，起不到隨時監(jiān)控變電設備運行溫度的作用。

基于紅外成像的變電設備溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用外紅外成像技術，具有作用距離遠、抗干擾、穿透力強、全天候、全天時工作等優(yōu)點，通過遠程自動化信息傳輸和控制，對重要設備日夜連續(xù)監(jiān)控和紅外測溫，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的運行變電設備進行不停頓的遠程溫度監(jiān)控。

1 紅外測溫原理

物理學指出，所有高于絕對零度的物體都會不停的以電磁波的形式向外發(fā)射出紅外輻射能量。輻射能量的大小及波長與它的表面溫度有關，通過對物體輻射能量的測量，能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫的理論依據(jù)。

普朗克定律反映了不同溫度下的光譜輻射度Pb隨波長λ的分布規(guī)律：

式中：k為波爾茲曼常數(shù)；λ為紅外線波長；T為黑體的熱力學溫度；C1為普朗克第一常數(shù)，C2為普朗克第二常數(shù)。

由于黑體是一種理想化輻射體，現(xiàn)實中并不存在，由此在上述基礎上，根據(jù)斯特藩—波爾茲曼定律，輻射溫度與物體的實際溫度有如下關系：

式中：TS為物體的實際溫度；P(T)為物體的輻射度；ε(T)為物體的輻射率；σ為斯特藩—波爾茲曼常數(shù)，上述方程即為紅外測溫的物理學基礎。

運行電氣設備的溫度都是高于絕對零度的紅外輻射源。紅外測溫系統(tǒng)通過鏡頭接收被測設備發(fā)出的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成相應的電信號，通過相關軟件處理形成熱像供監(jiān)控使用。由于紅外線不受電磁干擾，非常適用于電磁場復雜的輸變電設備，并能遠距離精準追蹤目標。 紅外熱像系統(tǒng)能夠真正做到24 h全天候監(jiān)控，利用特定波段紅外線的“大氣窗口”，可以在夜晚、雨、煙等惡劣環(huán)境下，清晰觀察到所需監(jiān)控的目標設備。 應用紅外技術可以監(jiān)測電力設備的溫度變化，及時對設備故障做出診斷，特別是測量設備內(nèi)部溫度的變化［2］。

2 基于紅外成像的遠程在線測溫方案

變電設備運行溫度的實時監(jiān)控，從功能上劃分，該系統(tǒng)主要由紅外設備、傳輸控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、專業(yè)軟件組成。從地理位置上其結(jié)構主要由前端變電站、傳輸網(wǎng)、監(jiān)控中心三大部分組成。其中：前端變電站設備主要有在線式紅外熱成像儀、攝像頭、傳感探測器、錄像機設備等組成。傳輸通道采用已經(jīng)建好的電力專用傳輸網(wǎng)。監(jiān)控中心主要負責管理所轄前端各個變電站，相應權限由公司監(jiān)控中心的管理服務器統(tǒng)一分配，根據(jù)實際情況選擇錄像或者將其轉(zhuǎn)換為可視的紅外熱像信號輸出至顯示器。操作人員通過監(jiān)控平臺進行遠程監(jiān)控、測溫分析、錄像、報警等一系列功能。監(jiān)控中心設置有服務器存儲設備、顯示器及軟件平臺等。具有用戶管理、數(shù)據(jù)配置管理、設備運行狀態(tài)顯示、溫度監(jiān)測告警、日志紀錄、實時熱像監(jiān)控、溫度監(jiān)控報警、云臺控制功能、錄像管理等。

該紅外測溫系統(tǒng)采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在探測器上，它將入射的輻射能轉(zhuǎn)換成可測量的電信號并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。 運行中的變電設備發(fā)出的紅外輻射進入光學系統(tǒng)后，調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，再由探測器轉(zhuǎn)變成為相應的電信號，該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路后，按照系統(tǒng)內(nèi)的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值，通過信息處理傳輸系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心，傳輸網(wǎng)絡采用已有的電力專網(wǎng)。 最后在監(jiān)控中心的顯示器上將一個區(qū)域內(nèi)的變電設備熱像實時顯示出來，其系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構

現(xiàn)場設備的硬件結(jié)構由單片機、存儲器、I/O模塊，時鐘電路、通信模塊等部分組成，其結(jié)構框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場設備硬件結(jié)構

軟件功能上以網(wǎng)絡集中管理和網(wǎng)絡傳輸為核心，完成信息采集、傳輸、控制、管理和存儲的全過程，能夠架構在電力專網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)之上，并與現(xiàn)有網(wǎng)絡設備實現(xiàn)無縫連接。實現(xiàn)監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)、集中管理，大大擴展了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的功能，其軟件功能結(jié)構如圖3所示。

圖3 軟件功能結(jié)構圖

3 實際應用

基于紅外成像的變電設備溫度遠程監(jiān)控系統(tǒng)設備已經(jīng)在濟南供電公司 220 kV變電站得到了應用，該系統(tǒng)的前端設備上采用了紅外和普通光成像兩種成像攝像頭，紅外熱像能夠隨時監(jiān)控變電設備溫度，普通光成像用于分辨紅外熱像所對準的變電設備，便于監(jiān)控人員變辨別判斷。

圖4 使用舉例

通過該系統(tǒng)的使用，實現(xiàn)了監(jiān)控室對運行變電設備的24 h不間斷遠程熱像監(jiān)控，便于監(jiān)控人員及時了解設備的運行工況，對設備故障做出準確診斷，確保了變電設備的安全穩(wěn)定運行，也極大地方便了變電監(jiān)控人員的工作。

該系統(tǒng)具有以下幾個特點：

1)實現(xiàn)了對運行變電設備的24 h不間斷、全天候溫度遠程監(jiān)控，使運行人員及時了解設備的運行狀況，發(fā)現(xiàn)缺陷后準確定位。

2)實現(xiàn)了對大面積變電設備的區(qū)域性測溫，改變了原有紅外測溫設備只能針對設備某個點進行溫度測量的現(xiàn)狀。

3)通過紅外遠程測溫實現(xiàn)對運行電氣設備的實時全面溫度檢測，發(fā)現(xiàn)常規(guī)手段所不能發(fā)現(xiàn)的設備故障。

4 結(jié)語

在線紅外遠程測溫可以實時在線監(jiān)測和診斷電氣設備大多數(shù)故障，對提高電氣設備的可靠性與有效性，提高運行經(jīng)濟效益降低維修成本。有利于推動無人值班變電站的智能化管理，提高電網(wǎng)的安全運行水平，推動企業(yè)的科技創(chuàng)新，并為大規(guī)模推廣狀態(tài)檢修提供技術支持。