變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：在分析國內(nèi)電力行業(yè)變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷檢測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種基于紅外圖像處理的變電站發(fā)熱缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案不僅實現(xiàn)了發(fā)熱點的自動檢測功能，而且還可以對發(fā)熱點進行準(zhǔn)確定位，最后對該系統(tǒng)的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：發(fā)熱缺陷；紅外圖像；定位；市場需求；防雷和抗干擾

在正常運行時，變電站內(nèi)各類電力設(shè)備和線路都或多或少的會產(chǎn)生一定的熱量。但不能忽略的是，隨著設(shè)備運行時間的增加、系統(tǒng)負載的分配不平衡、部分接點的生銹腐蝕與接觸不良所造成的接觸電阻增加及電流過大等一系列原因，將會導(dǎo)致系統(tǒng)、設(shè)備、線路出現(xiàn)熱態(tài)異常和過熱故障[1]，若不及時進行處理，就可能給供配電系統(tǒng)的正常運行帶來很大危害，嚴(yán)重時會造成整個輸電系統(tǒng)不能正常運行，給社會生產(chǎn)和生活帶來很大不便，造成極大的經(jīng)濟損失。所以，在健全和完善電力網(wǎng)絡(luò)的同時，必須建立電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)熱點安全檢測系統(tǒng)，確保電網(wǎng)的長期高效安全運營。

專門針對現(xiàn)有在運“圖像監(jiān)控系統(tǒng)”的諸多不足之處，依據(jù)先進的數(shù)字圖像處理和模式識別等技術(shù)，變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)對現(xiàn)場采集到的實時圖像分類進行分析與智能識別，能夠自動檢測輸配電設(shè)備易發(fā)熱部位的發(fā)熱缺陷，當(dāng)溫度超過正常工作溫度時，能夠及時給出報警信號，并定位到相應(yīng)的故障點，提示工作人員進行相關(guān)操作，減少了設(shè)備由于溫度過高而引起事故擴大的可能性，提高了輸配電設(shè)備的安全性。

1 市場需求分析

根據(jù)對電力行業(yè)的調(diào)研，其對發(fā)熱點檢測的需求主要包括以下幾個方面：（1）變壓器故障的紅外在線診斷。①變壓器套管溫度異常紅外在線診斷；②變壓器箱體溫度異常紅外在線診斷；③變壓器油枕溫度異常紅外在線診斷。（2）電抗器故障的紅外在線診斷。①平波電抗器溫度異常紅外在線診斷；②電抗器套管接頭溫度異常紅外在線診斷。（3）電容器的紅外在線診斷。（4）斷路器的紅外在線診斷。（5）絕緣子串和互感器的紅外在線診斷。（6）隔離開關(guān)觸頭及連桿座接觸不良紅外在線診斷。（7）電力電纜和電線的紅外在線診斷。

根據(jù)需求分析，不難發(fā)現(xiàn)發(fā)熱點溫度檢測系統(tǒng)應(yīng)該具有五個方面的特點，即高度集成性、可通過圖像實現(xiàn)電網(wǎng)運行的實時監(jiān)視、能實現(xiàn)指揮中心與現(xiàn)場工作人員之間的音頻通話、可實現(xiàn)報警與聯(lián)動報警以及發(fā)熱點自動檢測并能實時錄像和回放。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則

發(fā)熱點溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循穩(wěn)定性、可靠性、先進性、兼容性、易操作性、免維護性和可擴容性等原則[2]?；陔娏π袠I(yè)對電力遠程監(jiān)控系統(tǒng)的整體建設(shè)目標(biāo)與需求，系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)與擬實現(xiàn)的功能等，變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)在設(shè)計時主要參考《工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》、《100BASE-TX快速以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)》、《MPEG4視音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)-視聽對象的編碼（6部分）》、《廣電集團電力系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)。

以滿足實際應(yīng)用為出發(fā)點以及力求最大程度地降低系統(tǒng)造價，在視頻傳輸方面變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)盡量實現(xiàn)電力現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)的最大利用。

3 系統(tǒng)組成

網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控是通過把攝像頭攝取的模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，再通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計算機都成為監(jiān)控終端，不受地域環(huán)境的限制[3]，其框圖如圖1所示。

3.1 前端設(shè)備

前端設(shè)備包括紅外發(fā)射子系統(tǒng)和圖像處理子系統(tǒng)等部分。

（1）紅外發(fā)射子系統(tǒng)

紅外發(fā)射子系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，其工作原理為：

紅外發(fā)射子系統(tǒng)附著于高壓設(shè)備易發(fā)熱部位，當(dāng)發(fā)熱處的溫度達到一定的閾值后，溫度控制模塊中的溫度開關(guān)自動閉合，使發(fā)光管發(fā)出紅外光。其中的電源模塊采用的是擬自主研發(fā)的半導(dǎo)體溫差自發(fā)電組件，該組件利用發(fā)熱缺陷處與現(xiàn)場環(huán)境溫度的溫差自行發(fā)電，不需要專門安裝電池。

（2）圖像處理子系統(tǒng)

紅外CCD獲取設(shè)備發(fā)熱缺陷圖像后，由相關(guān)分析方法進行預(yù)處理，校正圖像的顏色信息，對在現(xiàn)場采集的帶噪聲的圖像進行平滑、增強處理，以突出識別目標(biāo)[4]。與此同時，預(yù)處理后的圖像還要進行識別目標(biāo)的分割與濾波，以及提取分割出來的目標(biāo)圖像特征并把它分類，根據(jù)得到的坐標(biāo)就可以確定發(fā)熱缺陷的具體位置，同時進行報警，最后還要統(tǒng)計事故的相關(guān)信息，并把這些詳細信息存入數(shù)據(jù)庫。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

變電站發(fā)熱缺陷檢測系統(tǒng)基本上都采用由主控中心、區(qū)域監(jiān)控中心和站端系統(tǒng)構(gòu)成的三級網(wǎng)絡(luò)。通過在各變電站站端設(shè)置的視頻服務(wù)器（其數(shù)量由變電站內(nèi)的監(jiān)控攝像機來決定），變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)可完成對音頻、視頻信號的數(shù)字化與編碼壓縮處理，并將其和報警等數(shù)據(jù)信息合并打包成IP數(shù)據(jù)包，同時在IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸。各集控中心（包括巡檢中心）下設(shè)置區(qū)域監(jiān)控中心，同時利用監(jiān)控中心與變電站之間的2Mb/s（G.703）電路通道，或者10/100Mb/s（10/100BASE）光/電接口通道，用來接收各變電站通過設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器上傳的視頻、音頻和報警等信息，并通過監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。當(dāng)條件成熟時，可把主控中心設(shè)立在調(diào)度中心。

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，目前大多數(shù)的變電站都鋪設(shè)了光纖，提高變電站網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的條件逐漸成熟，所有連接SDH光傳輸網(wǎng)絡(luò)的變電站全部升級到E1線路的2Mbps傳輸帶寬，或者利用光纖資源和交換以太網(wǎng)技術(shù)建設(shè)高速的變電站管理信息網(wǎng)[5]。

3.3 系統(tǒng)防雷與抗干擾

考慮到變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)的電源防雷，因此每個重要設(shè)備的用電插座處均需要設(shè)置一組單相電源避雷器，而紅外CCD則需要加裝直流電源避雷器來避雷。而機房信號的防雷，則需要串聯(lián)安裝一個接線式信號避雷器，其位置在每條RS485控制線的進機房處，同時還需要把一個同軸視頻信號避雷器安裝在每條視頻線的進機房處，最后還要把雙絞線避雷器安裝在計算機網(wǎng)卡輸出處。

變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷紅外檢測系統(tǒng)采用集中式供電來抗干擾，從監(jiān)控點到機房攝像機的所有電源、信號、視頻、控制回路都采用電源線和視頻線，并且都屏蔽穿金屬管，與此同時還要有良好的接地措施，所有的電源線、控制線和視頻線都采用優(yōu)質(zhì)的屏蔽線，同時還要加裝避雷器；在敷設(shè)室外線纜（包括電源、信號、控制、視頻回路）時，要求穿自來水鋼管，而室內(nèi)線纜則需要穿渡鋅穿線管，并且管與管之間要保持良好的連接并接地。

4 系統(tǒng)總體功能及性能指標(biāo)

4.1 系統(tǒng)總體功能

4.1.1 紅外CCD獲取電力設(shè)備易發(fā)熱部位的圖像后，首先對圖像進行預(yù)處理，主要是校正圖像的顏色信息，然后再做進一步的平滑與增強處理。

4.1.2 對處理后的圖像進行識別目標(biāo)的邊緣檢測與分割。

4.1.3 對于不同設(shè)備不同部位的發(fā)熱圖像，提取能夠代表設(shè)備故障發(fā)熱的有效特征，建立發(fā)熱故障特征知識庫。

4.1.4 通過分類器，可以對發(fā)熱故障快速識別，并準(zhǔn)確判別發(fā)熱故障所在的設(shè)備后，實時聲光報警，提醒控制室工作人員及時到定位現(xiàn)場予以確認，并進行相關(guān)處理。

4.1.5 對事故的相關(guān)信息進行統(tǒng)計。

4.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)

4.2.1 220V AC電源輸入，功率為250W。

4.2.2 無光照要求，采用帶自適應(yīng)紅外燈的攝像頭。

4.2.3 圖像分辨率為352×288或704×576，并支持多畫面分割。

4.2.4 單通道幀速率不大于25幀/秒。

4.2.5 視頻信號制式符合GB3659-83的要求，為PAL/NTSC。

4.2.6 圖像為DI格式，色彩、對比度、亮度和飽和度均可調(diào)。

4.2.7 圖像壓縮時采用MPEG-2或MPEG-4壓縮編碼。

4.2.8 報警響應(yīng)時間小于500毫秒。

4.2.9 發(fā)熱缺陷報警率為100%。

5 結(jié)束語

作為一門新興的綜合性技術(shù)，變電站高壓設(shè)備發(fā)熱缺陷檢測技術(shù)涉及計算機、通信與圖像處理等多個領(lǐng)域。本文所提出的基于紅外圖像的發(fā)熱缺陷實時檢測系統(tǒng)方案可以明顯降低現(xiàn)場工作人員的勞動強度，在保障電網(wǎng)安全運行的同時，能有效提高生產(chǎn)效率，并能提升企業(yè)科技應(yīng)用水平。經(jīng)過在某變電站的實施表明，該方案設(shè)計合理、實用可行，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率，為在不久的將來實現(xiàn)真正意義上的“無人值班”和“少人值守”，提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻

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