封閉式開關柜內微型雙視紅外測溫在線監測方法

童 冰

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 654200)

在電力系統中，開關柜是電力設備中關鍵構成設備，是保障電力正常運行的前提條件。隨著電壓等級不斷提升，供電量迅速增加，開關柜工作強度也在不斷上升，開關柜的異常會危及電網安全，甚至造成電網癱瘓。封閉式開關柜具有裸露高壓、空間窄小等特點，傳統方法主要依靠人工進行開關柜測溫，危險性較高，并且不能及時發現開關柜長期運行過程中出現的溫度異常問題。目前提出的開關柜在線監測方法有很多，如吳傳奇等提出的高壓開關柜觸頭測溫傳感器監測方法，主要采用工業總線傳輸，無法進行實時報警，陶詩洋等提出的開關柜在線監測方法，其優勢是利用脈沖電流輸出信號解決不同電壓的電氣不運作問題，但受噪聲影響較大，信號傳輸效果不好。鑒于現存的方法已經不能滿足封閉式開關柜在線測溫要求，故需在此基礎上不斷完善，創造出新的方法。

微型雙視紅外測溫技術廣泛應用，對不同領域存在的測溫問題有較為深入的研究。因此本文提出了封閉式開關柜內微型雙視紅外測溫在線監測方法。該方法能夠通過紅外溫度傳感器和可見光測溫傳感器的微型雙視紅外監測裝置對溫度變化進行實時監控并分析與判斷，及時報警，提醒運維人員及時處理，從而保障設備運行安全。

1 基于雙視紅外測溫的封閉式開關柜在線監測

1.1 封閉式開關柜的在線監測框架

該方法通過信號采集、信號存儲與轉發、管理、報警四部分完成封閉式開關柜溫度的在線監測。并通過IP網絡完成各部分之間的信號傳輸，該架構延伸性較好，便于后期修改與擴展。具體架構如圖1所示。

圖1 基于雙視紅外測溫的監測總體結構

信號采集部分由兩個雙視云臺和一個數據處理器構成。該部分的主要作用是通過雙視云臺采集封閉式開關柜的溫度信號。其中雙視云臺包含紅外溫度傳感器和可見光(CCD)測溫傳感器。數據處理器的功能是將雙視云臺采集到的溫度信號進行綜合處理。

信號存儲與轉發部分的作用是將信號采集部分實時采集到的溫度信號通過IP網絡進行存儲和轉發到管理部分。該部分是由數據庫和工控機構成，數據庫負責采集數據的存儲，工控機承擔著數據傳輸的角色。

管理部分包含服務器和客戶端兩部分。服務器負責計算開關柜溫度、解析從IP網絡傳來的數據內容等重要功能。客戶端主要為用戶提供所需要的信息、操作流程等。

報警部分由遠程開關和報警器兩部分組成。遠程開關主要執行通過IP網絡對溫度變化情況傳達控制命令，產生開關信號，報警器主要是對異常溫度進行報警。

1.2 CCD測溫傳感器結構設計

CCD測溫傳感器的結構具體如圖2所示。

圖2 CCD測溫傳感器結構

CCD測溫傳感器測溫工作原理是在不同光強下利用一個分光/濾光單元獲取單色光，將其投射到單CCD表面達到同步獲取多路單色光的目的，進而判斷開關柜中高溫輻射體溫度和CCD像點灰度間的關系。光束接收單元負責聚集接收輻射光，主要包含孔徑光闌、放大鏡等光學部件；濾光單元由分光鏡、反光鏡、濾光片等部件構成，該結構通過分散光束來降低各路光束強度，保障光束均勻通過濾光單元。將分散的各路光束準確投射到CCD靶面上，經過計算機處理系統進行測溫處理。

1.3 紅外溫度傳感器設計

1.3.1 紅外溫度傳感器硬件結構

紅外溫度傳感器的核心部分為MSP430F2618，負責進行開關柜溫度信號采集和傳輸；紅外溫度傳感器TPS334L55負責溫差信號和溫度信號輸出；調節紅外溫度傳感器信號采用放大器OPA2735，該部分能夠削弱噪聲；紅外溫度采集主要利用單片機內部安置的AD模塊進行采集，控制無線模塊CC2500完成信號傳輸，紅外溫度傳感器結構如圖2所示。

在進行測溫時，由于紅外溫度傳感器產生的電壓不穩定，會在巨大噪聲中降低信號的顯示效果，影響信號傳輸，導致無法進行溫度測量。通過放大器OPA2735，來降低噪聲突出信號；利用紅外溫度傳感器調節溫度的特點，進行環境溫度補償。

數字信號主要是利用單片機的特點轉換兩組模擬信號，再利用無線模塊CC2500對轉換的信號進行傳輸得到的；為降低移動通信網絡頻段對無線性能的影響，選用2.4GHz頻段進行無線傳輸工作，并且該無線線路所占空間較小，解決了封閉式開關柜面積窄小的問題。

電源濾波、脈沖保護等軟件構成紅外溫度傳感器的電源處理部分。在電源濾波合理的情況下保證信號輸出，主要通過避免電磁輻射影響測溫節點來進行降噪，擴大溫度信號。通過阻止二極管吸收瞬間強脈沖干擾達到脈沖保護的目的。

圖3 紅外溫度傳感器結構圖

1.3.2 封閉式開關柜溫度計算分析

紅外溫度傳感器的輸出溫差信號與冷端溫度有關聯，因此通過環境溫度計算紅外溫度傳感器信號感應到的封閉式開關柜溫度，具體公式為：

(1)

式(1)中，(25)表示常數，1，2均表示存于EEPROM地址的兩個補碼值，表示封閉式開關柜輸入溫度值，計算所對應的EEPROM參數如下：

(25)=256×+

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中，、、1、1、2、2為EEPROM參數。

封閉式開關柜紅外溫度傳感器信號上的溫度值(,)計算公式如下：

(5)

式(5)中，(,)表示輸出的紅外補償信號，表示計算出的環境溫度。

紅外輻射補償信號(,)可以通過分步計算偏置補償信號、熱梯度補償信號、歸一化處理計算得出。其中，偏置補償信號計算公式為：

=(,)--+0

(6)

式(6)中，0常數為25℃。封閉式開關柜的紅外溫度傳感器信號上的紅外數據用表示；利用式(7)計算出存儲在EEPROM中的封閉式開關柜紅外溫度傳感器信號偏置值；表示封閉式開關柜紅外溫度傳感器信號的偏置斜率系數；通過式(8)計算得到：

(7)

公式(7)中，開關柜二進制補償碼的最小偏置值用表示，封閉式開關柜紅外溫度傳感器信號與最小偏置之差為Δ(,)，Δ是作為無符號數存儲在EEPROM中空間內Δ縮放函數：

(8)

式(8)中，(,)是存儲在EEPROM中的二進制補碼；為封閉式開關柜空間內的紅外偏置斜率縮放系數。熱梯度補償信號×公式如下：

(,)=(,)-×

(9)

式(9)中，(,)是封閉式開關柜紅外溫度傳感器信號上的紅外梯度偏置信號，為存儲在EEPROM的0xD8地址的系數，歸一化處理(,)計算公式，則：

(10)

式(10)中，(,)，，其中0、0、、、(,)和是存儲的無符號數。

紅外補償系數的計算公式為：

(11)

式中，為輻射系數。

依據式(11)得到的補償紅外系數，最終完成封閉式開關柜的在線溫度監測。

1.4 基于紅外測溫的開關柜監測方法工作流程

基于微型雙視紅外測溫的封閉式開關柜內在線監測方法工作流程如圖4所示。

圖4 基本工作流程圖

雙視平臺對開關柜監控目標進行拍攝，將實時采集到的信號通過IP網絡傳輸到信號存儲與轉發部分，利用數據庫和工控機完成信號數據的存儲與轉發后，進行紅外圖像溫度計算和可見光信號分析。

紅外圖像溫度計算是對采集的紅外信號進行解析，提取紅外圖像，并根據溫度計算算法求取出該圖像對應的溫度值，得到目標溫度信息，通過客戶端顯示目標溫度信息，同時比較該溫度是否符合預設的溫度范圍，如果不符合，說明溫度變化異常，則進行報警。

可見光信號分析主要針對可見光獲取到的信號進行分析，對光線的聚集、投射進行追蹤，在測量到溫度異常變化時，進行報警。

系統發出報警時，會將報警命令實時發送給客戶端和遠程開關。客戶端收到報警命令后，立刻在主界面顯示出報警信息，同時伴隨著信號燈閃爍。遠程開關收到報警命令后，會產生開關信號，控制報警器進行報警。

2 實驗分析

為驗證本文方法對封閉式開關柜在線監測效果，以某公司的封閉式開關柜為實驗對象，對其溫度進行監測。

2.1 溫度測試效果分析

為驗證本文方法對封閉式開關柜溫度變化的監測效果，對不同時間段濾光溫度變化與實際溫度進行對比，具體結果如圖5所示。

圖5 不同濾光下溫度變化情況

從圖5中可以看出，未經濾光溫度和濾光溫度在不同時間段雖有波動，但與實際溫度相比波動幅度不大，且在中午12點時，三種狀態下的溫度相近。證明本文方法無論是在濾光環境還是非濾光環境，溫度測量的可靠性好。

2.2 噪聲影響分析

測溫過程中紅外溫度傳感器輸出信號不穩定，會導致信號被掩蓋在噪聲中，為證明應用本文方法后的開關柜輸出信號清晰，將本文方法與高壓開關柜觸頭測溫傳感器監測方法(文獻[3]方法)和基于脈沖電流法的高壓開關柜局部放電在線監測方法(文獻[4]方法)的溫度輸出信號結果進行比較，具體如圖5所示。

對帶噪信號進行信號輸出實驗，將應用三種方法后輸出的信號與原始信號進行對比，從圖6各方法應用后輸出的信號可以看出，應用本文方法后的輸出信號與原始信號相似度較高，而且沒有明顯的信號變化趨勢，能有效還原信號本身特點。證明應用本文方法后對輸出信號的去噪效果更明顯，相較于其他方法對信號去噪更具優勢，有利于封閉式開關柜的溫度進行監測。

(a)原始信號

2.3 溫度監測效果分析

為驗證本文方法對目標溫度的監測效果，選擇溫度變化范圍為20～100℃，目標溫度與實際溫度的誤差在±1.5℃的監測效果最好。實驗讀取10組開關柜上的溫度數值和監測界面顯示溫度值，具體溫度實驗數據如表1所示。

表1 溫度實驗數據

從表1的10組數據中可以看出，溫度誤差都在±1.5℃內，證明本文方法獲取的目標溫度較為準確，對開關柜的溫度監測效果較好，便于對開關柜溫度進行在線監測。

2.4 環境溫度影響分析

封閉式開關柜進行電力工作會產生高溫環境，是造成測量溫度難度的重要因素，也是影響測量精度的關鍵。為證明本文方法在不同環境溫度測量的精確性，選取30℃、60℃、90℃三種不同的環境溫度，比較不同環境溫度下本文方法檢測到的不同測溫點的溫度變化情況，具體溫度變化情況如圖7所示。

圖7 環境溫度對溫度曲線的影響

從圖7中溫度變化曲線可以看出，在三種不同環境溫度條件下，本文方法監測到測溫點的溫度曲線幾乎重合。仔細對比不同的溫度變化曲線之間還是存在細微的差距，環境溫度的上升會導致測溫點溫度上升速度加快。證明本文方法開關柜溫度監測效果受環境溫度影響較小，并且測量的溫度精確度較高，將此方法深入應用到封閉式開關柜溫度監測，能為檢測人員提供更準確的溫度數據，避免溫度異常引起開關柜故障，影響電力設備的正常使用。

3 結 論

針對封閉式開關柜監測方法不理想的現狀，首次提出了封閉式開關柜微型雙視紅外測溫在線監測方法。本文提出的方法打破了傳統方法對于開關柜無法實現信號輸出清晰、溫度檢測準確的方式，并且在很大程度上提高了封閉式開關柜的監測狀況，為電力設備管理者提供了便利。經實驗驗證，該方法對開關柜進行監測時不僅運行可靠、穩定、操作簡單，且該方法對溫度的變化情況具有較強的監測效果，確保封閉式開關柜的安全正常運行，具有十分重要的意義。微型雙視紅外測溫在監測封閉式開關柜的應用剛剛起步，如何在此基礎上結合具體應用從多角度、多方位豐富監測方法，解決因監測效果不理想影響電力設備正常使用的問題，值得進一步研究。