±800 kV換流站紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

高 強(qiáng)，江 一，李 豹

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003;2．南方電網(wǎng)超高壓公司廣州局，廣東廣州510660)

1 引言

紅外測(cè)溫技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變電設(shè)備的監(jiān)測(cè)和故障診斷中，設(shè)備的紅外圖像能較好地反映設(shè)備運(yùn)行的熱狀態(tài)，通過(guò)紅外圖像可以發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的故障隱患，這類(lèi)故障隱患發(fā)生在變電站內(nèi)的開(kāi)關(guān)、刀閘、變壓器、避雷器、套管和電容器等各種設(shè)備上。因?yàn)椴馁|(zhì)、工藝、安裝、受潮、放電、老化等原因存在著各種故障隱患［1－5］。早期利用紅外熱像儀人工檢測(cè)電氣設(shè)備熱狀態(tài)，逐步發(fā)展成為建立紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或者構(gòu)建機(jī)器人裝置監(jiān)測(cè)變電站設(shè)備［6－10］。在 ±800 kV 超高壓換流站，設(shè)備工作電壓高、分布范圍很廣，比一般的500 kV變電站大得多，如果采用固定點(diǎn)進(jìn)行紅外熱圖像監(jiān)測(cè)，會(huì)受到設(shè)備相互遮擋、距離太遠(yuǎn)等不利因素的影響，使得遠(yuǎn)距離紅外監(jiān)測(cè)難以實(shí)施，甚至無(wú)法實(shí)施。人工巡檢時(shí)間間隔較長(zhǎng)，對(duì)存疑設(shè)備進(jìn)行超過(guò)24 h的連續(xù)監(jiān)視難以實(shí)施，采用移動(dòng)式定點(diǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備熱狀態(tài)對(duì)早期發(fā)現(xiàn)故障隱患十分必要。特別是對(duì)于換流站的直流工作狀態(tài)，其熱圖像圖譜與設(shè)備的健康狀態(tài)之間關(guān)系的研究還比較初級(jí)，發(fā)熱的機(jī)理與交流站也不盡相同。因此，研究構(gòu)建紅外熱圖像狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并研究設(shè)備發(fā)熱機(jī)理是十分必要的［11－13］。

對(duì)于±800 kV超高壓換流站紅外熱圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了移動(dòng)式設(shè)計(jì)，將監(jiān)測(cè)終端放置在超高壓換流站被檢測(cè)設(shè)備最恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)時(shí)記錄熱狀態(tài)變化過(guò)程。同時(shí)，利用無(wú)線Mesh通信技術(shù)將圖像傳輸?shù)娇刂浦蛋嗍遥阌诮尤氩?shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將采集的圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，對(duì)溫度變化過(guò)程進(jìn)行記錄，并生成工作溫度曲線。同時(shí)，生成熱圖像圖譜庫(kù)，以便深入研究設(shè)備工作狀態(tài)的變化規(guī)律。

2 系統(tǒng)組成

2．1 硬件系統(tǒng)

為了滿足換流站大范圍定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)的需要，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)單元具有移動(dòng)的能力，即移動(dòng)終端和固定端相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式。移動(dòng)端包括紅外傳感器、光學(xué)鏡頭、電池組(連續(xù)供電72 h)和無(wú)線通信設(shè)備組成。采用無(wú)線Mesh組網(wǎng)技術(shù)，可以保證在整個(gè)換流站內(nèi)的任何地點(diǎn)方便接入;紅外熱圖像處理器可以放置在任何場(chǎng)所進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);移動(dòng)監(jiān)測(cè)端設(shè)備可根據(jù)需要隨時(shí)放置在被測(cè)設(shè)備旁邊，對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)的熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)。固定端放置于值班室，包括通信系統(tǒng)終端和計(jì)算機(jī)(服務(wù)器)。安裝專(zhuān)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱圖像的記錄、控制、處理、顯示、告警、打印和輔助分析等功能。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 可移動(dòng)式紅外熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2．2 軟件組成

綜合考慮軟件的各項(xiàng)功能、組織結(jié)構(gòu)、擴(kuò)充性要求及開(kāi)發(fā)環(huán)境的方便程度，軟件開(kāi)發(fā)采用面向?qū)ο蟮乃枷牒湍K化程序設(shè)計(jì)方法，選擇Windows操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)和Microsoft Visual C++為開(kāi)發(fā)工具。本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)出了客戶端程序和服務(wù)器端程序，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)與值班室之間的網(wǎng)絡(luò)通信。服務(wù)器端提供了強(qiáng)大的控制、顯示、存儲(chǔ)等功能，并作為服務(wù)器為網(wǎng)絡(luò)中其他計(jì)算機(jī)提供紅外視頻和可見(jiàn)光視頻。客戶端可以通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器，獲得遠(yuǎn)程監(jiān)視圖像。

2．1．1 軟件功能結(jié)構(gòu)

考慮到應(yīng)用需求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括如圖2所示的功能模塊。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊

2．1．2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系

本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的圖像處理功能，為了研究設(shè)備熱圖像圖譜與設(shè)備的工作狀態(tài)的關(guān)系，建立了多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，監(jiān)測(cè)對(duì)象圖像信息庫(kù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，保存設(shè)備的實(shí)時(shí)熱圖像;標(biāo)準(zhǔn)圖像信息庫(kù)是為了對(duì)比設(shè)備的異常圖像與正常圖像的差別;典型故障信息庫(kù)作為故障圖樣;歷史全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)是將特別圖像保存，以便對(duì)故障隱患進(jìn)行分析判別。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)關(guān)系

2．1．3 主要軟件功能描述

(1)紅外圖像監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)紅外溫度圖像和可見(jiàn)光圖像的監(jiān)測(cè)功能。包括圖像信息的采集、圖像信息的保存、紅外溫度圖像顯示和可見(jiàn)光圖像顯示。圖像保存可以手動(dòng)保存或異常(設(shè)定門(mén)限)自動(dòng)保存圖像。多窗口顯示、錄像存儲(chǔ)與回放。

(2)監(jiān)控設(shè)備控制管理子系統(tǒng)

利用解碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的上下左右移動(dòng)。對(duì)可見(jiàn)光CCD光圈的大小、鏡頭伸縮調(diào)整。

(3)圖像處理子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站一次設(shè)備的紅外圖像的缺陷分析。實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外圖像中的設(shè)備異常發(fā)熱識(shí)別;手動(dòng)或定時(shí)保存數(shù)據(jù)、設(shè)置報(bào)警門(mén)限，越限自動(dòng)報(bào)警;存儲(chǔ)報(bào)警數(shù)據(jù)及圖像。根據(jù)紅外圖像采集溫度信息，可生成溫度曲線，出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

(4)設(shè)置參數(shù)

溫度保存的時(shí)間間隔可設(shè)(分鐘)，圖像分析的時(shí)間間隔手動(dòng)(天)。

(5)查詢及報(bào)表子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備紅外診斷報(bào)告自動(dòng)生成的功能，依據(jù)用戶制定的模板，快速生成診斷報(bào)告。提供豐富的紅外圖片故障、圖譜以及報(bào)表的查詢功能。可以根據(jù)時(shí)間區(qū)間選擇數(shù)值生成報(bào)告，并可以導(dǎo)出為Word/Excel格式;報(bào)告模板提供預(yù)留選項(xiàng)。

(6)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

服務(wù)器軟件具有圖像文件的存儲(chǔ)功能。保存變電站正常運(yùn)行時(shí)電力設(shè)備的正常紅外熱像圖譜和出現(xiàn)異常時(shí)的典型故障圖譜，以供將來(lái)電力設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析。

系統(tǒng)軟件采用C/S模式，數(shù)據(jù)處理功能在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，客戶端提供用戶界面功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3．1 設(shè)備溫升的計(jì)算

設(shè)備溫升的監(jiān)測(cè)對(duì)判斷設(shè)備工作正常與否是非常重要的，溫升是指設(shè)備表面的溫度(穩(wěn)定狀態(tài)下)與環(huán)境溫度之差。但設(shè)備工作環(huán)境溫度與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境溫度可能不同，由于在高電壓環(huán)境下，任何其他測(cè)溫儀器放置在設(shè)備旁都將非常困難，甚至不可行。因此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)提取設(shè)備旁適當(dāng)?shù)膱D像作為環(huán)境溫度參考點(diǎn)，來(lái)計(jì)算設(shè)備溫升是非常有效的方法。因此，在軟件功能里研制了設(shè)置參考圖像功能，用于計(jì)算設(shè)備的溫升。

3．2 區(qū)域異常告警

設(shè)備工作的熱狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，往往表明設(shè)備存在故障隱患，如何監(jiān)測(cè)設(shè)備并及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患是非常重要的問(wèn)題。通過(guò)人工劃分圖像來(lái)標(biāo)明監(jiān)測(cè)區(qū)域，當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)門(mén)限溫度時(shí)進(jìn)行告警。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)圖像庫(kù)來(lái)判別設(shè)備工作狀態(tài)正常與否是異常告警的另一種方式。這種方式對(duì)典型故障類(lèi)型有很好的判別作用。給定圖像區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)熱圖像圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜不同時(shí)就會(huì)告警，并保存圖像信息。

3．3 設(shè)備發(fā)熱機(jī)理分析

熱圖像本身能夠很好地表現(xiàn)設(shè)備的工作熱狀態(tài)，發(fā)熱的根本原因一般是接觸電阻增大。當(dāng)流過(guò)的電流一定時(shí)，隨著電阻的增加而帶動(dòng)溫度升高。接觸電阻的增加可能是接觸面暴露在空氣中的氧化層的增加造成的，也可能是緊固螺絲在設(shè)備受到長(zhǎng)期的震動(dòng)引起螺絲松動(dòng)，使得連接的接觸面積減少，造成接觸電阻增加。這種發(fā)熱機(jī)理與氧化電阻增大不同，可以從熱圖像圖譜中發(fā)現(xiàn)差別。

3．4 溫度曲線的生成

采用標(biāo)準(zhǔn)熱像儀集成構(gòu)造熱圖像在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，幾乎不能夠?qū)崿F(xiàn)畫(huà)出溫度變化曲線的功能。本系統(tǒng)通過(guò)SDK開(kāi)發(fā)包，特別開(kāi)發(fā)了溫度變化曲線功能。以便了解給定時(shí)間內(nèi)的設(shè)備溫度變化過(guò)程。

4 典型功能

4．1 紅外圖像監(jiān)測(cè)功能

實(shí)現(xiàn)的紅外圖像和可見(jiàn)光圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，包括紅外圖像和可見(jiàn)光信息采集、保存和顯示。當(dāng)用戶在主界面選擇了監(jiān)測(cè)區(qū)域并設(shè)置了相關(guān)參數(shù)之后，軟件自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能就開(kāi)啟了，如圖4所示，左側(cè)為紅外圖像顯示區(qū)域，右側(cè)為可見(jiàn)光圖像顯示區(qū)域，下方為監(jiān)控設(shè)備控制功能按鈕。

圖4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)圖像

4．2 溫度曲線

圖像處理子系統(tǒng)能將監(jiān)測(cè)值和統(tǒng)計(jì)值隨時(shí)間變化的狀況用帶坐標(biāo)和門(mén)限值的曲線直觀地顯示出來(lái)，坐標(biāo)的豎軸為監(jiān)測(cè)值和統(tǒng)計(jì)值，橫軸為時(shí)間。如圖5所示，最高溫度、最低溫度、平均溫度、溫差、溫升、相對(duì)溫差等用不同顏色表示。

圖5 溫度曲線

4．3 故障報(bào)告功能

實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備紅外診斷報(bào)告自動(dòng)生成的功能，是依據(jù)用戶制定的模板，快速生成診斷報(bào)告。提供豐富的紅外圖片故障、圖譜以及報(bào)表的查詢功能。

報(bào)表通過(guò)調(diào)用設(shè)備商SDK包中的紅外熱像分析函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 溫度異常報(bào)告

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于±800 kV超高壓換流站設(shè)備的紅外熱圖像監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，由于換流站的占地面積大，采用固定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方式無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)的需要。本文采用了移動(dòng)端設(shè)計(jì)，移動(dòng)式設(shè)計(jì)能夠在換流站的任何地點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以便掌握被懷疑設(shè)備的工作熱狀態(tài)，對(duì)預(yù)警設(shè)備故障有很大的幫助作用。系統(tǒng)具有溫度圖像監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、處理、生成溫度曲線和故障報(bào)告等功能;研究了設(shè)備溫升的計(jì)算，區(qū)域異常告警劃分和設(shè)備發(fā)熱機(jī)理對(duì)照分析等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了典型故障信息庫(kù)作為故障圖樣。本系統(tǒng)適合于較大范圍內(nèi)對(duì)設(shè)備進(jìn)行熱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和紅外圖像信息采集、有效預(yù)警設(shè)備故障的發(fā)生。對(duì)于研究換流站等場(chǎng)合的設(shè)備工作熱狀態(tài)，建立熱圖像圖譜，研究發(fā)熱機(jī)理等有重要意義。

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