基于紅外測溫技術的電力設備熱故障在線監測系統的設計

張義華　李愛峰

【摘 要】應用紅外測溫技術對電力設備運行狀態在線監測，可以及時檢測電力設備的過熱缺陷和故障，又不影響其正常運行，提高了電網的可靠性和安全性。本文設計了電力設備熱故障在線監測系統，主要由紅外測溫單元、數據通訊系統和上位機綜合管理平臺等幾部分組成。紅外測溫單元以80C196KC單片機為核心，配置溫度采集電路、存儲電路、顯示電路等外圍接口電路。介紹了硬件電路的工作原理，并給出了原理框圖。上位機綜合管理平臺具有用戶管理設置、溫度數據記錄、溫度曲線繪制、歷史數據查詢和打印、聲光報警等功能。整個系統具有運行穩定可靠、測量準確、測量范圍廣、易于操作等特點，適合我國電網發展的實際情況。

【關鍵詞】紅外測溫技術；電力設備；熱故障；在線監測

0 引言

隨著我國電網建設步伐進一步提速，建設規模不斷提高，電力設備數量不斷增長，設備故障風險也顯著增大。建設安全、智能電網目標的提出，對電網安全穩定運行提出了更高的要求，電力設備需可靠運行，并且應及時發現并排除故障。電力設備發生故障主要涉及到熱、電、磁、力等各方面，但絕大多數故障缺陷主要表現為溫度異常，能將溫度監測值作為電力設備運行狀態評估和分析的依據，溫度是設備狀態重要的指標之一。

紅外測溫技術是一種較為有效的溫度檢測手段，直觀、準確，具有簡便、快速、靈敏、距離遠、不接觸、不解體、不取樣、設備不停運等優點。應用紅外測溫技術對電力設備運行狀態進行在線監測，能夠有效檢測和準確診斷電力設備的故障和過熱缺陷，對電力設備的早期熱缺陷、故障以及絕緣性能可靠預測，不影響設備的正常使用，為設備狀態評估提供有效依據，是實現設備狀態監測的重要手段之一。采用紅外測溫技術對電力設備熱故障進行在線監測，是近些年電網大力發展的一項新技術，可快速、準確的發現電力設備熱故障，對設備缺陷早發現早處理，提高了電網的安全性和可靠性，對保障電網安全穩定運行發揮了重要作用。

1 系統總體方案

本監測系統主要由紅外測溫單元、數據通訊系統和上位機綜合管理平臺等幾部分組成。紅外測溫單元主要任務是監測電力設備的實時溫度情況，安裝在電力設備附近。數據通訊系統負責將采集存儲的設備溫度等數據傳送至上位機。綜合管理平臺是對整個溫度監測系統進行管理，完成溫度參數的記錄、分析和報警等功能。系統結構框圖如圖1所示。

2 紅外測溫單元設計

紅外測溫單元以80C196KC單片機為核心，配備了適當的接口電路，硬件框圖如圖2。

2.1 單片機系統

80C196KC 是INTEL公司開發生產的16位單片機，自身帶A/D轉換器、外設事務服務器、監視定時器、波形發生器、高速輸入器、高速輸出器以及多個硬件定時器等I/O功能部件。它能進行帶符號和不帶符號的32位除16位、16位除8位、16位乘16位、8位乘8位的算術運算，此外還有符號擴展、數據格式化等功能，具有很強的數據處理能力。80C196KC單片機在構成智能化測控系統時比其它單片機具有較大優勢，可減小系統的硬件和軟件開銷，減小設計的工作量和系統的成本，提高運行效率，增強系統的可靠性、靈敏性和準確度。

EPROM采用27512芯片，用來存儲不允許丟失的固定程序部分。6264芯片為隨機存儲器RAM，存儲可以任意修改的一些暫存數據。EEPROM為2864芯片，存放可修改但不能丟失的數據。單片機的數據總線通過三態緩沖器74LS245與以上存儲器的數據總線相連，以增強總線驅動能力，并利用鎖存器74LS373實現地址線和數據線的分離。

2.2 溫度采集電路

選擇設計紅外測溫電路主要考慮性能指標、環境和工作條件、維修和校準性能以及價格等三個方面。本裝置使用雷泰公司的 MID10LT 型溫度傳感器作為紅外測溫元件。MID10LT 是一種兩件式非接觸紅外溫度測量傳感器，由一個微型探頭和獨立的電路盒組成。探頭通過電纜連接到電路盒上，可準確地測量物體輻射的能量并將其轉化成溫度信號。MID10LT溫度傳感器可以探測目標溫度范圍在-40～600℃內，探頭封閉在堅實耐用的不銹鋼外殼內。電路盒與傳感探頭是分離的，在較高溫度的惡劣工作環境中，無需加裝冷卻套保護，也可以保證長期穩定運行，探頭的參數可以在電路盒內調節，使用方便。

2.3 時鐘電路

時鐘電路主要由多功能日歷時鐘芯片DS12887構成。DS12887是一個具備8位并行數據接口的萬年歷實時時鐘芯片，內部自帶晶振和電池，斷電情況下能長時間保存信息不丟失。該芯片的主要技術特點是：具有完備的時鐘、鬧鐘及百年日歷功能；可用二進制碼或BCD碼表示時間、日歷和報警值；計秒、分、時、天、星期、日、月、年，并有閏年補償功能；12或24小時制計時模式自由轉換；可編程的周期中斷、報時中斷和方波發生器輸出；14個時鐘控制寄存器，包括10個時標寄存器和4個狀態寄存器；114字節掉電保護低功耗RAM。時鐘電路主要完成計時功能，同時提供秒中斷信號。

2.4 鍵盤和顯示電路

鍵盤輸入電路采用8279芯片。顯示電路為192×128點陣液晶顯示器，通過顯示控制器可實現文本顯示和圖形顯示。

2.5 軟件程序

在進行軟件程序設計時，主要考慮了以下幾個方面：1）實行結構化程序設計，各功能程序實行模塊化、子程序化，既便于連接、調試，又便于修改、移植。2）合理分配系統資源，包括ROM、RAM、定時器/計數器、中斷源等。3）加強軟件的抗干擾設計。軟件系統由以下幾個模塊組成：主程序模塊、中斷服務子程序模塊、溫度信號采集子程序模塊、數據處理存儲子程序模塊、鍵盤處理子程序模塊、顯示子程序模塊等。

3 上位機綜合管理平臺

綜合管理平臺的軟件開發工具為Visual C++語言。Visual C++語言是一種全面的應用程序開發環境，包括代碼的編寫、編譯、調試和運行，充分利用了 Windows 的所有功能。上位機綜合管理平臺是一個數據采集管理軟件，對溫度數據進行實時處理和顯示，并為操作人員提供一種監視管理的方法和手段。綜合管理平臺利用Zigbee無線通訊技術接受紅外測溫單元提供的電力設備溫度數據，并記錄存儲溫度數據。設置了采樣數據越界報警功能，以保證及時監測到電力設備熱故障和缺陷。針對電力設備溫度監控的特點與要求，本管理軟件由數據采集、數據存儲、數據與圖表顯示、閾值報警、數據查詢等幾個功能子模塊構成。該平臺具有用戶管理設置、溫度數據記錄、溫度曲線繪制、歷史數據查詢和打印、聲光報警等功能。

4 結論

針對監測現場為強電、強磁環境，監測對象為高壓電力設備等實際情況，本文采用非接觸式紅外測溫技術，設計了電力設備熱故障在線監測系統。經過實驗室模擬實驗，該系統具有運行穩定、抗干擾能力強、可靠性較高、測量范圍廣、測量準確、易于操作等特點，適合我國電網發展的實際情況，在電力部門有進一步推廣應用價值，有較為廣闊的應用前景。

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