特高壓閥廳紅外智能測溫系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄭奇凱, 黃松強, 張志楊

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司，超高壓輸電公司 柳州局,廣西,柳州 545006)

0 引言

特高壓輸電網(wǎng)在減少線路損耗、降低成本、節(jié)約資源、輸電效率提升方面都有極大優(yōu)勢，但與此同時由于輸送容量較大，一旦出現(xiàn)故障對電網(wǎng)的影響也非常嚴重。換流站中閥廳內(nèi)的設(shè)備是整體輸電系統(tǒng)中的核心，設(shè)備狀態(tài)直接影響到整個系統(tǒng)的運行。大部分故障可通過設(shè)備溫度提前預知，而目前的運維方式大多是通過人工進行檢測，到位率較低且沒辦法保證準確性與及時性。因此，特高壓閥廳的自動測溫顯得尤為重要，是確保輸電可靠性的前提，也是提升檢測效率的智能化手段。

1 特高壓換流站閥廳簡介

1.1 設(shè)備組成

特高壓換流站的閥廳主要包括低壓閥廳和高壓閥廳，其中低壓閥廳運行電壓比較低，電場畸變量也小，高壓閥廳的運行電壓較高，電場畸變量也比較大，而且內(nèi)部元器件種類教多且結(jié)構(gòu)繁雜，通常由2組6脈動換流器串聯(lián)組成1組12脈動換流器，每組換流器包括A、B、C三相，每一相包含1個閥塔，閥塔由均壓環(huán)、底層屏蔽罩組成，懸吊于高壓閥廳之中。

1.2 設(shè)備熱缺陷

鑒于很多電力故障是由于設(shè)備過熱引起，因此對設(shè)備的熱缺陷著重進行分析，缺陷一般包括內(nèi)部和外部兩大類，內(nèi)部缺陷占比較小，約7%-10%，不便于直接監(jiān)測，通常關(guān)注與發(fā)熱源有關(guān)聯(lián)的部件的溫度變化。外部缺陷占比較高，約90%-93%，通常可利用監(jiān)測手段直接對外部溫度進行測量，根據(jù)實際溫度對環(huán)境溫度的溫升、不同部位溫差等的變化進行診斷[1]。

2 紅外測溫技術(shù)概述

2.1 紅外輻射規(guī)律

紅外線是一種電磁波，波長范圍在0.75-1 000 μm之間，物體本身在正常環(huán)境下存在分子原子運動，運動的越劇烈，輻射的能量越大，溫度越高。輻射量既與溫度和波長相關(guān)，還與物體材料及表面狀態(tài)有關(guān)，滿足規(guī)律如式(1)、式(2)：

MλT=ελ，TMλbT

=ελC1λ-5expC2/λT-1

(1)

MT=εTMbT=εTσT4

(2)

其中，MλT和MT為物體在T(K)溫度的光譜輻射度和全輻射度；ελ，T和εT為光譜發(fā)射率和全發(fā)射率[2]。

2.2 測溫影響因素分析

首先，在紅外線的傳輸過程中，由于受到大氣的吸收作用、塵埃或懸浮粒子散射作用會導致輻射強度有所衰減，因此最好在空氣清新、濕度較低的情況下進行測溫，否則需要進行環(huán)境因素影響補償。其次，由于陽光照射會引起附加升溫，且反射波段與測溫儀器波長范圍比較相近，會影響測量結(jié)果精度，因此最好選擇夜間或陽光相對弱的時段。再次，紅外測溫結(jié)果與設(shè)備本身的發(fā)射率有關(guān)，各類材料、設(shè)備表面的不同狀態(tài)的發(fā)射率均不相同，因此需根據(jù)具體設(shè)備選取發(fā)射率或者實行現(xiàn)場標定[3]。

2.3 儀器布置原則

紅外測溫的雙光球機的布置直接影響測量結(jié)果的準確性，需要根據(jù)閥廳的大小、周邊環(huán)境是否遮擋以及分辨率等進行核校。通常選用垂直軌道式的探頭在每2個閥塔的中間位置進行布置，軌道長度取閥塔高度，確保覆蓋面。由于閥廳一側(cè)會有數(shù)量很多的穿墻套管，因此要布置在另一邊，避免遮擋或者處于監(jiān)控死角。

2.4 儀器參數(shù)要求

紅外測溫儀的測量精度與很多因素相關(guān)，結(jié)合特高壓換流站閥廳設(shè)備的特殊性，在測量時參數(shù)設(shè)置如下。

(1) 根據(jù)紅外輻射的光譜位移規(guī)律，對換流站溫度處于27-227 ℃之間的設(shè)備采用8-14 μm波段的測溫儀器。

(2) 檢測距離35 m，測量目標直徑約10 cm。測溫儀距離系數(shù)大于350∶1。

(3) 具備0-1可調(diào)節(jié)的發(fā)射率。

(4) 具備最高溫度保持功能。

(5) 采用RS-485串行接口，RS-232轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[4]。

3 紅外智能測溫模型構(gòu)建

3.1 實際輻射度計算

采用紅外測溫技術(shù)對特高壓換流站閥廳設(shè)備進行溫度測量時，首先需要將設(shè)備發(fā)射的紅外輻射能量轉(zhuǎn)化為電信號，然后進行放大處理，通過溫度與輻射功率的映射關(guān)系得出測溫結(jié)果。根據(jù)紅外輻射規(guī)律，設(shè)目標溫度為T(K)，則實際輻射度為式(3)，

M′λT=MλT+ρTMλHTa

=ελ,TMλbT+1-ελ,TMλHTa

(3)

其中，ρT為發(fā)射率，ελ,T為光譜發(fā)射率，M′λT為實際光譜輻射度，MλbT為溫度為TK時的普朗克輻射函數(shù)，MλHTa為溫度為TaK時的普朗克輻射函數(shù)。

3.2 大氣透射率補償

設(shè)大氣透射率為τaλ,x，則接收的輻射功率為式(4)，

Pλλ,T=k1τaλ,xτ0λAdM′λT

(4)

其中，k1為測溫儀器的光學系統(tǒng)增益，Ad為接收光敏面的面積，τ0λ為光學系統(tǒng)的光譜透射率[5]。

3.3 信號電壓與溫度映射

將輻射功率轉(zhuǎn)換為電信號，得到輸出信號電壓如式(5)-式(7)，

(5)

Km=Rvλτ0λk1Ad

(6)

=fT

(7)

(8)

由于輸出的信號電壓與接收到的輻射功率存在正比關(guān)系，不同的波段輻射度可表示為式(9)，

(9)

其中，k3為常數(shù)，m為根據(jù)不同波段選取的值，則設(shè)備表面的實際溫度可表示為

(10)

4 特高壓紅外智能測溫系統(tǒng)設(shè)計

4.1 總體結(jié)構(gòu)

特高壓閥廳紅外智能測溫系統(tǒng)前臺展示采用B/S模式，后臺處理采用C/S模式，用戶通過Web進行訪問，設(shè)計了包括“展示層-應用層-組件層-數(shù)據(jù)層”的4層體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)層用于數(shù)據(jù)存儲以及應用層和組件層的調(diào)用，應用層處理各項業(yè)務(wù)邏輯，展示層用于人機交互[6]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4.2 工作流程

結(jié)合系統(tǒng)功能及功能模塊劃分，特高壓閥廳紅外智能測溫系統(tǒng)的軟件工作流程包括如下步驟。

(1) 利用正確的賬戶及密碼登錄系統(tǒng)，設(shè)置測溫儀器相關(guān)參數(shù)，建立連接。

(2) 選擇監(jiān)測對象，設(shè)置采集間隔，設(shè)置預警閾值，選擇監(jiān)測方式。

(3) 自動采集相關(guān)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。

(4) 判斷是否達到預警條件，并展示相關(guān)數(shù)據(jù)信息[7]。

(5) 保存相關(guān)信息以及預警信息。

整體工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

4.3 核心模塊設(shè)計

4.3.1 數(shù)據(jù)采集

該模塊主要實現(xiàn)紅外圖像采集，可通過用戶設(shè)置的特定時間，也可以根據(jù)時間間隔進行自動采集，首先調(diào)用命令進行自檢，然后在連接成功之后控制云臺移動到預設(shè)位置，采集數(shù)據(jù)進行傳輸并存儲。若采集失敗，間隔30 s后重試，3次失敗則斷開連接，返回錯誤信息提示系統(tǒng)故障。

4.3.2 紅外圖像處理

該模塊主要對采集到的紅外成像進行去噪、灰度處理以及邊緣檢側(cè)，提升數(shù)據(jù)準確性。去噪處理主要采用中值濾波法消除孤立噪聲點；紅外圖像的邊緣可以通過像素灰度變換進行確定，本研究采用基于小波變換的邊緣檢側(cè)，以此提取有效信息。

4.3.3 智能測溫

該模塊主要利用智能測溫模型對圖像上采集到的信息進行轉(zhuǎn)換，測量實際溫度，并進行可視化展示，便于運維人員查看以及檢修。

4.3.4 故障預警

該模塊主要實現(xiàn)根據(jù)與預設(shè)閾值比較結(jié)果判斷是否需要預警，并對預警信息進行詳細展示，利于業(yè)務(wù)人員查詢在什么時間點什么設(shè)備達到多少度，并提供指示燈及預警鈴聲進行提醒。

4.3.5 統(tǒng)計分析

該模塊主要用于對采集的數(shù)據(jù)進行各維度的統(tǒng)計分析，便于業(yè)務(wù)人員了解整體的設(shè)備運行情況，以及分析易故障點。

4.4 安全性設(shè)計

系統(tǒng)安全方面主要包括資源安全、服務(wù)器安全、數(shù)據(jù)安全以及網(wǎng)絡(luò)安全。首先為避免相關(guān)參數(shù)被修改或誤刪，必須通過驗證用戶權(quán)限進行控制。其次，服務(wù)器訪問需記錄操作日志以便后續(xù)查驗。再次，對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行加密，未經(jīng)授權(quán)不得讀取、修改、刪除相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，需增強防火墻以及病毒查殺，確保網(wǎng)絡(luò)安全。

5 系統(tǒng)測溫結(jié)果測試

5.1 測溫儀選擇

根據(jù)紅外測溫儀的性能參數(shù)要求，選擇西安沃爾儀器公司的紅外測溫儀，具體參數(shù)如下：

(1) 測量溫度范圍：-10～300 ℃；

(2) 距離系數(shù)：500:1；

(3) 工作溫度：-10～50 ℃；

(4) 測量精度：±3；

(5) 目標物體：溫度為100 ℃的生銹鐵盒；

(6) 測量表面：20 cm×20 cm平面。

5.2 測量結(jié)果

利用紅外測溫儀在5-35 m的不同距離分別進行多次測量，取平均值整數(shù)溫度如表1所示。

表1 不同距離測量的溫度均值

根據(jù)本研究的測溫模型，對溫度值進行大氣透射率、設(shè)備發(fā)射率以及環(huán)境溫度的補償與修正，得到誤差曲線如圖3所示。

由此可知，測量值隨距離增加而減小，誤差隨距離增加會變大，對測量結(jié)果進行大氣透射率、設(shè)備發(fā)射率、環(huán)境溫度的補償修正之后，溫度值像理想值逼近，誤差降低[8]。

6 總結(jié)

本研究采用紅外測溫儀對特高壓閥廳設(shè)備溫度進行測量，構(gòu)建了智能測溫模型，設(shè)計四層體系的智能測溫系統(tǒng)，實驗數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明通過大氣透射率、設(shè)備發(fā)射率和環(huán)境溫度進行補償?shù)闹悄苣Ｐ驼`差較低，符合實際測溫需求。但測試也說明還需繼續(xù)完善系統(tǒng)功能，增加故障診斷模塊，并融合圖像處理技術(shù)力求對內(nèi)部熱缺陷也能提供較好的監(jiān)測手段。

圖3 修正大氣透射率、設(shè)備發(fā)射率以及環(huán)境溫度