自旋轉式紅外掃描的高壓電塔狀態巡檢系統的研制

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、數據監測不全面等問題，研制一種自旋轉式紅外掃描的高壓電塔狀態巡檢系統。系統包含溫度測量節點、數據服務器以及PC端物聯網平臺。以STM32為微處理器控制雙舵機云臺進行角度旋轉，實現紅外測溫儀對電氣接點的測溫，SIM900模塊將溫度數據傳輸至數據服務器；利用數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端物聯網平臺查看某個區域內的所有高壓電塔的工作狀態，極大地解決了高壓電塔監測問題。

關鍵詞： STM32； 高壓電塔； 紅外測溫； 數值反饋角度定位； 物聯網平臺； 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

隨著全國范圍內用電的需求日益增大，電力設備越來越多，這給電力設備的維護監測造成很大的困難。高壓電塔是國家電網的重要組成部分，且分布極為廣泛，這就產生了高壓電塔維護的問題。現有的人工巡檢是電網巡檢的主要方式，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、偏遠地區巡檢難等問題。

針對上述問題，本文利用物聯網技術中的感知技術、網絡技術、應用技術與紅外測溫技術結合，設計出一套自旋轉式紅外掃描的高壓電塔狀態巡檢系統。這套系統與傳統人工巡檢相比，突破了傳統的測量局限性，測溫耗時更少、巡檢周期更短、管理效率更高、數據更新更及時，為大范圍內高壓電塔的長期維護提供了一種很好的解決方案。

1 技術原理

1.1 物聯網技術

物聯網技術利用互聯網與通信技術，通過從傳感器、網路傳輸以及信息處理三個層次，將各類物體進行聯網。相關產品廣泛應用在智能家居、智能消防、工業監測、個人健康等各領域。如今的物聯網技術與產品，不僅質量好、技術先進、專業性強，實現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模式，滿足各行各業的需求。

1.2 紅外測溫原理

本系統采用的高壓電塔測溫方法是根據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，就會不停地向外發射紅外輻射能量，并且滿足：

[E=εσT4]

式中：ε為發射率；σ為斯蒂芬?玻爾茲曼常數。

根據理論，通過紅外探測器接收輻射后產生微弱電壓信號，經過放大、A/D采樣得出精確的溫度值，能夠實現非接觸即可準確地測算出高壓電塔的表面溫度[1]。紅外測溫技術大大節約了人力物力，也提高了工作人員測量的安全性。

2 系統總體設計

自旋轉式紅外掃描測溫的高壓電塔測溫巡檢系統主要由溫度測量節點、數據服務器、物聯網平臺組成。系統通過溫度測量節點測量其所在位置的高壓電塔電氣節點的工作溫度數據來判斷高壓電塔與電線的工作狀態，當終端測溫單元測得的溫度出現異常時，溫度測量節點的報警模塊會進行閃光報警并將包含異常設備編號及出現異常時間的短信發送給相關維修人員，便于及時找到出現異常的設備并進行維修。每個溫度測量節點通過GPRS網絡將實時的溫度值發送到后臺數據庫服務器，監控中心的物聯網平臺通過訪問數據庫獲得實時數據[2]。系統組成框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

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

3.1 自旋轉式紅外掃描測溫儀設計

自旋轉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點與電纜逐一進行溫度測量。紅外測溫儀設計參數如表1所示。

1） 紅外測溫儀設計。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生微弱的電壓信號。微弱的電壓信號經過低噪聲、高輸入阻抗的前置放大器和增益可調的主放大器后，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/數轉換，最后發送至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，來實現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，具體參數與設計如圖3所示。

3） 抗干擾策略。自旋轉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定性，系統采用以下措施：在硬件設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”監測信號處理電路的工作狀態，出現“死機”狀況時，通過“復位”恢復系統的正常運行。

3.2 數據通信模塊設計

考慮到系統監測的對象為高壓電塔，通常分布室外且位置偏僻，且需要進行數據遠距離的無線傳輸[4]。所以數據通信模塊部分采用應用比較廣泛的GPRS模塊SIM900。GPRS在全國范圍內覆蓋良好，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溫度測量節點與服務器進行數據傳輸的要求。SIM900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協議、HTTP協議，STM32F103微處理器可以通過AT指令控制SIM900與服務器通過三次握手，握手成功之后建立TCP連接，實現數據通信。STM32F103與SIM900的電路連接如圖4所示。為了避免電磁干擾對GPRS數據傳輸的影響，一方面采用紅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境；另一方面在通信模塊電路設計上，把模擬信號電路與高速數字信號電路進行分開，使得兩者信號耦合最小化。

4 軟件設計

4.1 硬件程序設計

系統硬件程序設計如圖5所示，測溫流程是微處理器根據程序設定的時間間隔，控制舵機云臺按照預設定的軌跡進行旋轉，從而實現紅外掃描測溫儀對高壓電塔塔頂的電氣接點進行逐一測溫。一方面微處理器將一個周期內的溫度采樣值與閾值溫度范圍相比較，若溫度數值正常，則直接將溫度數據通過GPRS網絡傳輸至物聯網平臺；若其中一個周期內某個溫度數據不在閾值范圍之內，微處理器根據該數據在樣本內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角。

微處理器控制云臺進行旋轉至異常節點的位置，紅外測溫儀對該節點進行二次測量。根據程序設定的間隔對該節點進行持續采樣，得到該節點的樣本數據。對該樣本進行單總體T檢驗，通過計算該節點的溫度數據與閾值是否存在顯著差異來進一步判斷該節點的工作狀態是否正常。若判斷出該節點正常工作，則該測量周期結束，舵機云臺回到初始位置；若判斷出該節點工作狀態異常，則微處理器控制開啟聲光報警系統，并且通過SIM900A模塊向檢修人員發送包含故障設備編號的短信[5]。考慮到溫度測量節點地處室外，而且大范圍內溫度測量節點分布廣泛，為了充分提高系統的工作效率和使用壽命。溫度測量節點采用平時休眠、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、設定系統參數之后，馬上進入休眠狀態[6]。當定時器中斷產生之后，裝置開始進行上述測溫流程。硬件裝置在完成中斷服務程序之后，再次進入休眠，從而降低系統整體功率，延長了硬件裝置壽命。

4.2 數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的云臺角度定位算法。紅外測溫儀設定角分辨率為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6個節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動，在（90°-β，90°+β）范圍內進行轉動，垂直方向的舵機沿著z正半軸向負半軸進行轉動，在（90°-α，90°+α）范圍內轉動。舵機旋轉至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。每次溫度出現突變值時，判斷為電氣接點的溫度數值。測量結束后，舵機返回初始位置，處理器得到包含6個數值的樣本。

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。每一個節點的溫度數據為一個樣本，樣本數據容量小于30，所有節點溫度數據組成總體。先提出假設H0，溫度閾值最大值Tmax=52，計算樣本平均數與總體平均數的離差統計量為：

[t=x-μσxn-1]

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

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

[n≥k-22]

取n的最小值，則垂直方向的舵機旋轉角度為90°+（nmin-1）α。

根據以上算法，可以實現對高壓電塔的電氣接點的完全測量與重復測量，與傳統手動測量方法比較起來，保證了溫度數據的完整性和準確性。

4.3 TCP/IP協議

TCP/IP協議通常是被分成四層協議系統，分別為應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層[7]。SIM900模塊與數據庫服務器建立TCP連接有三個階段：建立連接階段、數據收發階段、連接釋放階段。SIM900模塊與服務器三次握手成功之后建立連接，建立連接成功之后，就可以進行數據的傳輸，在發送數據時一定要指定雙方的IP地址以及端口。當完成數據傳輸的過程之后，微處理器向SIM900模塊發送AT指令實現關閉連接狀態和移動場景[8]。

4.4 HTTP協議

物聯網平臺需要從服務器獲取數據時，會發送一次HTTP請求，通過TCP建立起與服務器之間的通道，當獲取數據結束時，HTTP會立即將TCP連接斷開。在系統中，通過向數據庫服務器發送HTTP POST請求對物聯網平臺的數據進行更新[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點對應的編號與傳感器對應編號，用來一一對應更新高壓電塔的數據值。緊接著是一個首部小節，用來說明服務器要使用的附加信息。在首部之后是一個空行，之后便是數據主體。

4.5 物聯網平臺功能設計

系統物聯網平臺包含以下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，右下角狀態欄上可以顯示出該電塔的最新溫度數據與數據更新時間，當某個高壓電塔監測出現異常時，物聯網平臺會向管理人員發出故障提示[10]。

2） 系統參數設置。如圖7b）所示，通過物聯網平臺可以對系統硬件終端的參數進行設置，包括標準工作溫度范圍、測溫間隔時間、云臺旋轉角度等。

3） 歷史數據查詢。如圖7c）所示，可以查看某一臺電力設施在長時間內的工作溫度，生成數據報表，從而對設備的工作狀態進行分析。

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

5 系統效果

為了測試系統能否正常地實時監測高壓電塔的溫度，在此選取蘇州地區的某些高壓電塔進行測試。測試時間是2017年2月17日，環境溫度12 ℃，高壓電塔上的傳輸電纜的工作電壓50 kV，將溫度測量節點裝在高壓電塔的中上部分，然后在物聯網平臺進行查看電塔的溫度，表2是物聯網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是對比數據。

分析以上數據可得，系統測得的溫度數據普遍低于熱工所測得的溫度數值，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境溫度時，測溫系統存在誤差越小。

6 結 論

本文研制了一套自旋轉式掃描的高壓電塔狀態巡檢系統，利用紅外掃描測溫技術實現了對高壓電塔的遠距離全方位測溫，利用物聯網技術實現了對大范圍內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。經測試，本套系統能夠滿足設計要求，持續穩定地監測管理范圍高壓電塔的工作狀態。

注：本文通訊作者為肖金球。

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