自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描的高壓電塔狀態(tài)巡檢系統(tǒng)的研制

周翔 肖金球 莫洪斌 陳艷旭

摘 要： 針對分布式高壓電塔維護困難、數(shù)據(jù)監(jiān)測不全面等問題，研制一種自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描的高壓電塔狀態(tài)巡檢系統(tǒng)。系統(tǒng)包含溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及PC端物聯(lián)網(wǎng)平臺。以STM32為微處理器控制雙舵機云臺進行角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)紅外測溫儀對電氣接點的測溫，SIM900模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器；利用數(shù)值反饋角度定位算法對存在的異常電氣接點進行二次測量， 通過PC端物聯(lián)網(wǎng)平臺查看某個區(qū)域內(nèi)的所有高壓電塔的工作狀態(tài)，極大地解決了高壓電塔監(jiān)測問題。

關(guān)鍵詞： STM32； 高壓電塔； 紅外測溫； 數(shù)值反饋角度定位； 物聯(lián)網(wǎng)平臺； 二次測量

中圖分類號： TN215?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0101?05

Development of rotary infrared scanning status inspection system for high voltage towers

ZHOU Xiang1，2， XIAO Jinqiu1，2， MO Hongbin3， CHEN Yanxu4

（1. School of Electronic and Information Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China；

2. Suzhou Intelligent Measurement and Control Engineering Technology Research Center， Suzhou 215009， China；

3. Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou 215009， China；

4. School of Energy Science and Engineering， Nanjing University of Technology， Nanjing 211800， China）

Abstract： In allusion to problems such as maintenance difficulty and data monitoring incompleteness of distributed high voltage towers， a rotary infrared scanning status inspection system for high voltage towers is developed. The system consists of the temperature measurement node， data server， and Internet of Things （IoT） platform on the PC terminal. The STM32 is taken as the microprocessor to control the cloud platform of the double steering engine for angle rotation， so as to realize temperature measurement of electrical contacts by the infrared thermometer. The SIM900 module is used to transmit temperature data to the data server. The numerical feedback angle positioning algorithm is used to perform secondary measurement of abnormal electrical contacts. The working conditions of all high voltage towers in a certain area can be viewed from of IoT platform on the PC terminal， which largely solves the monitoring problem of high voltage towers.

Keywords： STM32； high voltage tower； infrared temperature measurement； numerical feedback angle positioning； IoT platform； secondary measurement

隨著全國范圍內(nèi)用電的需求日益增大，電力設(shè)備越來越多，這給電力設(shè)備的維護監(jiān)測造成很大的困難。高壓電塔是國家電網(wǎng)的重要組成部分，且分布極為廣泛，這就產(chǎn)生了高壓電塔維護的問題。現(xiàn)有的人工巡檢是電網(wǎng)巡檢的主要方式，采用原始的測量、記錄的模式對高壓電塔進行逐一排查，耗費巨大的人力物力，并且也存在遺漏、檢錯、排查周期長、偏遠地區(qū)巡檢難等問題。

針對上述問題，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)與紅外測溫技術(shù)結(jié)合，設(shè)計出一套自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描的高壓電塔狀態(tài)巡檢系統(tǒng)。這套系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工巡檢相比，突破了傳統(tǒng)的測量局限性，測溫耗時更少、巡檢周期更短、管理效率更高、數(shù)據(jù)更新更及時，為大范圍內(nèi)高壓電塔的長期維護提供了一種很好的解決方案。

1 技術(shù)原理

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用互聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)，通過從傳感器、網(wǎng)路傳輸以及信息處理三個層次，將各類物體進行聯(lián)網(wǎng)。相關(guān)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在智能家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、個人健康等各領(lǐng)域。如今的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品，不僅質(zhì)量好、技術(shù)先進、專業(yè)性強，實現(xiàn)了人對物的實時控制與精確管理，并且在成本費用上低于傳統(tǒng)模式，滿足各行各業(yè)的需求。

1.2 紅外測溫原理

本系統(tǒng)采用的高壓電塔測溫方法是根據(jù)探測物體向外輻射的紅外能量，但凡物體溫度高于絕對零度，就會不停地向外發(fā)射紅外輻射能量，并且滿足：

[E=εσT4]

式中：ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬?玻爾茲曼常數(shù)。

根據(jù)理論，通過紅外探測器接收輻射后產(chǎn)生微弱電壓信號，經(jīng)過放大、A/D采樣得出精確的溫度值，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸即可準確地測算出高壓電塔的表面溫度[1]。紅外測溫技術(shù)大大節(jié)約了人力物力，也提高了工作人員測量的安全性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描測溫的高壓電塔測溫巡檢系統(tǒng)主要由溫度測量節(jié)點、數(shù)據(jù)服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)平臺組成。系統(tǒng)通過溫度測量節(jié)點測量其所在位置的高壓電塔電氣節(jié)點的工作溫度數(shù)據(jù)來判斷高壓電塔與電線的工作狀態(tài)，當終端測溫單元測得的溫度出現(xiàn)異常時，溫度測量節(jié)點的報警模塊會進行閃光報警并將包含異常設(shè)備編號及出現(xiàn)異常時間的短信發(fā)送給相關(guān)維修人員，便于及時找到出現(xiàn)異常的設(shè)備并進行維修。每個溫度測量節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將實時的溫度值發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，監(jiān)控中心的物聯(lián)網(wǎng)平臺通過訪問數(shù)據(jù)庫獲得實時數(shù)據(jù)[2]。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包括溫度采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及PC機。溫度采集系統(tǒng)為自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描測溫儀，由雙舵機云臺與紅外測溫儀組成；控制系統(tǒng)由STM32F103微處理器、電源模塊組成；無線傳輸系統(tǒng)選用SIM900無線傳輸模塊；報警系統(tǒng)采用LTE?1101J聲光報警器。最終的系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖2所示。

3.1 自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描測溫儀設(shè)計

自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描測溫儀由雙舵機云臺與紅外測溫儀組成。儀器通過掃描的方式對高壓電塔的電氣節(jié)點與電纜逐一進行溫度測量。紅外測溫儀設(shè)計參數(shù)如表1所示。

1） 紅外測溫儀設(shè)計。其探測器部分采用熱敏電阻，以及直流的工作方式。當電塔的紅外線通過紅外鏡頭匯聚到掃描鏡上，把被測目標紅外線聚焦到探測器，探測器探測到熱輻射時就會產(chǎn)生微弱的電壓信號。微弱的電壓信號經(jīng)過低噪聲、高輸入阻抗的前置放大器和增益可調(diào)的主放大器后，輸出峰值為2.5 V的電壓信號。再將電壓信號通過A/D模塊AD7705進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最后發(fā)送至STM32F103微處理器進行處理得出精準的溫度值[3]。

2） 雙舵機云臺設(shè)計。每一臺高壓電塔上端電氣接點通常不止一處，若紅外測溫儀想要測量全部電氣接點，需要對電氣接點所在的平面進行掃描。將紅外掃描儀固定在雙舵機云臺上，并通過對水平與垂直方向上的舵機進行控制旋轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)對電氣接點逐一測量。雙舵機云臺由兩個扭矩為1.8 kg·cm的180°舵機與U型支架組成，具體參數(shù)與設(shè)計如圖3所示。

3） 抗干擾策略。自旋轉(zhuǎn)式紅外掃描測溫儀通常固定在離電氣接點與輸電線路0.5 m左右，這種距離下儀器通常會受強電磁干擾。為了提高紅外測溫儀的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用以下措施：在硬件設(shè)計上利用光耦在信號輸入和輸出端進行光電耦合抑制各種噪聲干擾；通過不銹鋼制作的金屬外殼來對光學(xué)元件和信號處理電路進行封裝并接地，從而有效地屏蔽電磁干擾；使用“看門狗”監(jiān)測信號處理電路的工作狀態(tài)，出現(xiàn)“死機”狀況時，通過“復(fù)位”恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計

考慮到系統(tǒng)監(jiān)測的對象為高壓電塔，通常分布室外且位置偏僻，且需要進行數(shù)據(jù)遠距離的無線傳輸[4]。所以數(shù)據(jù)通信模塊部分采用應(yīng)用比較廣泛的GPRS模塊SIM900。GPRS在全國范圍內(nèi)覆蓋良好，下行速率最快可達85.6 kbit/s，上行速率最快達42.8 kbit/s，滿足了室外大范圍內(nèi)溫度測量節(jié)點與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆IM900的正常工作溫度范圍在-30～80 ℃之間，滿足了在室外工作的條件。SIM900支持TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議，STM32F103微處理器可以通過AT指令控制SIM900與服務(wù)器通過三次握手，握手成功之后建立TCP連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。STM32F103與SIM900的電路連接如圖4所示。為了避免電磁干擾對GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀环矫娌捎眉t外掃描測溫儀與控制傳輸電路分離的方法，確保控制傳輸電路盡可能地遠離強磁場環(huán)境；另一方面在通信模塊電路設(shè)計上，把模擬信號電路與高速數(shù)字信號電路進行分開，使得兩者信號耦合最小化。

4 軟件設(shè)計

4.1 硬件程序設(shè)計

系統(tǒng)硬件程序設(shè)計如圖5所示，測溫流程是微處理器根據(jù)程序設(shè)定的時間間隔，控制舵機云臺按照預(yù)設(shè)定的軌跡進行旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)紅外掃描測溫儀對高壓電塔塔頂?shù)碾姎饨狱c進行逐一測溫。一方面微處理器將一個周期內(nèi)的溫度采樣值與閾值溫度范圍相比較，若溫度數(shù)值正常，則直接將溫度數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)平臺；若其中一個周期內(nèi)某個溫度數(shù)據(jù)不在閾值范圍之內(nèi)，微處理器根據(jù)該數(shù)據(jù)在樣本內(nèi)的編號來判斷異常電氣接點在測量平面的位置，得出水平與垂直方向的舵機旋轉(zhuǎn)角。

微處理器控制云臺進行旋轉(zhuǎn)至異常節(jié)點的位置，紅外測溫儀對該節(jié)點進行二次測量。根據(jù)程序設(shè)定的間隔對該節(jié)點進行持續(xù)采樣，得到該節(jié)點的樣本數(shù)據(jù)。對該樣本進行單總體T檢驗，通過計算該節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)與閾值是否存在顯著差異來進一步判斷該節(jié)點的工作狀態(tài)是否正常。若判斷出該節(jié)點正常工作，則該測量周期結(jié)束，舵機云臺回到初始位置；若判斷出該節(jié)點工作狀態(tài)異常，則微處理器控制開啟聲光報警系統(tǒng)，并且通過SIM900A模塊向檢修人員發(fā)送包含故障設(shè)備編號的短信[5]。考慮到溫度測量節(jié)點地處室外，而且大范圍內(nèi)溫度測量節(jié)點分布廣泛，為了充分提高系統(tǒng)的工作效率和使用壽命。溫度測量節(jié)點采用平時休眠、定時喚醒的工作模式來降低裝置整體功耗。主程序使得硬件裝置完成上電初始化、自檢、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)之后，馬上進入休眠狀態(tài)[6]。當定時器中斷產(chǎn)生之后，裝置開始進行上述測溫流程。硬件裝置在完成中斷服務(wù)程序之后，再次進入休眠，從而降低系統(tǒng)整體功率，延長了硬件裝置壽命。

4.2 數(shù)值反饋角度定位算法

本文以110 kV干字型高壓電塔為例來說明系統(tǒng)的云臺角度定位算法。紅外測溫儀設(shè)定角分辨率為100∶1，干字型高壓電塔塔頭部分包含6個由直徑為4.5 cm的金屬連接器件購成的待測電氣接點，6個電氣接點處于同一平面且可以理想化成平面上的點。有角分辨率和直徑可得紅外測溫儀測量電氣接點的最遠距離為4.5 m。實驗示例如圖6所示。

算法步驟為：

1） 設(shè)6個節(jié)點形成的矩形長和寬分別為a，b。坐標原點與平面的距離為c。 對節(jié)點進行編號排序，得出它們的坐標分別為（a/2，c，b/2），（-a/2，c，b/2），（-a/2，c，0），（a/2，c，0），（a/2，c，-b/2），（-a/2，c，-b/2）。圖中[tan α=b2c]，[tan β=a2c]，則[α=arctanb2c]，[β=arctana2c]。

水平方向舵機沿x正半軸向負半軸方向轉(zhuǎn)動，在（90°-β，90°+β）范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，垂直方向的舵機沿著z正半軸向負半軸進行轉(zhuǎn)動，在（90°-α，90°+α）范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。舵機旋轉(zhuǎn)至1點位置時，開始測量，沿著1→2→3→4→5→6的以Z型路徑進行逐一測量。每次溫度出現(xiàn)突變值時，判斷為電氣接點的溫度數(shù)值。測量結(jié)束后，舵機返回初始位置，處理器得到包含6個數(shù)值的樣本。

2） 通過單總體T檢驗法計算得出存在異常的電氣接點的編號。每一個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)為一個樣本，樣本數(shù)據(jù)容量小于30，所有節(jié)點溫度數(shù)據(jù)組成總體。先提出假設(shè)H0，溫度閾值最大值Tmax=52，計算樣本平均數(shù)與總體平均數(shù)的離差統(tǒng)計量為：

[t=x-μσxn-1]

式中：t為樣本平均數(shù)與總體平均數(shù)的離差統(tǒng)計量；[x]為樣本平均數(shù)；μ為樣本平均數(shù)；[σx]為樣本標準差；n為樣本容量。計算自由度[υ]=n-1，經(jīng)過查表得出臨界值，比較差異值與臨界值的關(guān)系來判斷該節(jié)點是否正常，差異值大于臨界值時，該節(jié)點工作異常。通過單總體T檢驗對測量節(jié)點逐一檢驗得出異常節(jié)點的編號。

3） 系統(tǒng)需要對異常節(jié)點進行二次測量，舵機云臺需要旋轉(zhuǎn)適合角度來實現(xiàn)對該節(jié)點的溫度測量。若該異常節(jié)點編號為k（1≤k≤6），首先對k進行奇偶判斷，若k為奇數(shù)，則水平舵機旋轉(zhuǎn)角度為90°-β；若k為偶數(shù)時，則水平舵機旋轉(zhuǎn)角度為90°+β。再進一步對垂直方向旋轉(zhuǎn)角度進行計算，若存在n為自然數(shù)，則n滿足：

[n≥k-22]

取n的最小值，則垂直方向的舵機旋轉(zhuǎn)角度為90°+（nmin-1）α。

根據(jù)以上算法，可以實現(xiàn)對高壓電塔的電氣接點的完全測量與重復(fù)測量，與傳統(tǒng)手動測量方法比較起來，保證了溫度數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

4.3 TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議通常是被分成四層協(xié)議系統(tǒng)，分別為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層[7]。SIM900模塊與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器建立TCP連接有三個階段：建立連接階段、數(shù)據(jù)收發(fā)階段、連接釋放階段。SIM900模塊與服務(wù)器三次握手成功之后建立連接，建立連接成功之后，就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸，在發(fā)送數(shù)據(jù)時一定要指定雙方的IP地址以及端口。當完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程之后，微處理器向SIM900模塊發(fā)送AT指令實現(xiàn)關(guān)閉連接狀態(tài)和移動場景[8]。

4.4 HTTP協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)平臺需要從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)時，會發(fā)送一次HTTP請求，通過TCP建立起與服務(wù)器之間的通道，當獲取數(shù)據(jù)結(jié)束時，HTTP會立即將TCP連接斷開。在系統(tǒng)中，通過向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā)送HTTP POST請求對物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)進行更新[9]。

POST/v1.0/device/x/sensor/xx/datapoints HTTP/1.1

Host： 121.xxx.xxx.xxx

Accept： */*

U?ApiKey： d2164b0b1edfae22bca1350d5bac8e0f

Content?Length：14

Content?Type：application/x?www?form?urlencoded

Connection： close

{"value"：xx.x}

在HTTP POST請求中，第一行必須是一個請求行，用來說明請求類型、要訪問的資源以及使用的HTTP版本。HTTP POST請求包含了每一臺溫度測量節(jié)點對應(yīng)的編號與傳感器對應(yīng)編號，用來一一對應(yīng)更新高壓電塔的數(shù)據(jù)值。緊接著是一個首部小節(jié)，用來說明服務(wù)器要使用的附加信息。在首部之后是一個空行，之后便是數(shù)據(jù)主體。

4.5 物聯(lián)網(wǎng)平臺功能設(shè)計

系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺包含以下4種主要功能：

1） 溫度實時顯示與報警。如圖7a）所示，點擊主界面地圖上高壓電塔的編號，右下角狀態(tài)欄上可以顯示出該電塔的最新溫度數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)更新時間，當某個高壓電塔監(jiān)測出現(xiàn)異常時，物聯(lián)網(wǎng)平臺會向管理人員發(fā)出故障提示[10]。

2） 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。如圖7b）所示，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺可以對系統(tǒng)硬件終端的參數(shù)進行設(shè)置，包括標準工作溫度范圍、測溫間隔時間、云臺旋轉(zhuǎn)角度等。

3） 歷史數(shù)據(jù)查詢。如圖7c）所示，可以查看某一臺電力設(shè)施在長時間內(nèi)的工作溫度，生成數(shù)據(jù)報表，從而對設(shè)備的工作狀態(tài)進行分析。

4） 巡檢信息備注。如圖7d）所示。維修人員在對出現(xiàn)故障的高壓電塔進行巡檢以后，相應(yīng)地要對這臺設(shè)備進行故障分析與備注，方便后期的維護。

5 系統(tǒng)效果

為了測試系統(tǒng)能否正常地實時監(jiān)測高壓電塔的溫度，在此選取蘇州地區(qū)的某些高壓電塔進行測試。測試時間是2017年2月17日，環(huán)境溫度12 ℃，高壓電塔上的傳輸電纜的工作電壓50 kV，將溫度測量節(jié)點裝在高壓電塔的中上部分，然后在物聯(lián)網(wǎng)平臺進行查看電塔的溫度，表2是物聯(lián)網(wǎng)平臺顯示的測試電塔金屬連接器與高壓電纜表面的溫度。

為了對系統(tǒng)測溫的精度進一步掌握，借助蘇州熱工研究院福祿克紅外溫度檢測儀對測試電塔的溫度進行對比測量，表3是對比數(shù)據(jù)。

分析以上數(shù)據(jù)可得，系統(tǒng)測得的溫度數(shù)據(jù)普遍低于熱工所測得的溫度數(shù)值，存在誤差，且誤差范圍在±1 ℃。可以進一步得出高壓電塔溫度越接近所在地的環(huán)境溫度時，測溫系統(tǒng)存在誤差越小。

6 結(jié) 論

本文研制了一套自旋轉(zhuǎn)式掃描的高壓電塔狀態(tài)巡檢系統(tǒng)，利用紅外掃描測溫技術(shù)實現(xiàn)了對高壓電塔的遠距離全方位測溫，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了對大范圍內(nèi)電塔的智能化全覆蓋管理，相比于人工巡檢的方式，準確性、安全性、全面性得到了很大程度上的提高，更加省時方便。經(jīng)測試，本套系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求，持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測管理范圍高壓電塔的工作狀態(tài)。

注：本文通訊作者為肖金球。

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