變電站自動(dòng)化紅外檢測(cè)系統(tǒng)探究

王思宇

引言

電力事業(yè)作為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基石，在居民生活中扮演著重要角色。隨著社會(huì)電力需求量的不斷增加，為確保供電質(zhì)量與穩(wěn)定性，避免電力事故的發(fā)生成為電力企業(yè)的重要使命，而變電站作為核心成員，它的運(yùn)行質(zhì)量將直接影響到電力用戶的使用體驗(yàn)。其中，變電站內(nèi)電力設(shè)備的溫度是變電站運(yùn)行狀況的重要表征參數(shù)，在現(xiàn)階段，紅外測(cè)溫技術(shù)是對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行檢測(cè)的主要安全手段。然而，隨著變電站規(guī)模的擴(kuò)大、數(shù)量的增加，在變電運(yùn)維人員工作過程中單純基于人力對(duì)變電站中各電力設(shè)備的溫度進(jìn)行檢測(cè)，以及數(shù)據(jù)記錄管理的方法逐漸暴露出了許多弊端。在此，本文提出了一種變電站自動(dòng)化紅外檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其各環(huán)節(jié)具體時(shí)候方法進(jìn)行了探究。

一、變電站設(shè)備故障特點(diǎn)

變電站中通常包含著大量需要承受高溫、高壓、大電流的電力設(shè)備，此類設(shè)備在長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行過程中難免會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素以及壽命老化等原因，性能退化，乃至突然故障，進(jìn)而造成停電、爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重電力事故。表1對(duì)變電站中部分主要設(shè)備的故障類型及原因進(jìn)行了闡述。然而，表1中所述故障的產(chǎn)生初期往往都伴隨著可察覺的溫度變化，如變壓器的溫升變高、局部放電等；開關(guān)設(shè)備及導(dǎo)線因接觸不良、接觸面氧化、老化等原因產(chǎn)生了更多電阻損耗，形成局部熱點(diǎn)。因此，對(duì)變電站中電力設(shè)備進(jìn)行溫度檢測(cè)，可以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)和診斷出電力設(shè)備的事故隱患和故障先兆，進(jìn)而減少和避免由于電力設(shè)備故障引發(fā)的電力事故。

表1 變電站部分主設(shè)備故障類型及原因

二、紅外測(cè)溫在變電運(yùn)維中的運(yùn)用

（一）紅外測(cè)溫原理

紅外測(cè)溫作為一種可靠、實(shí)用且易操作的溫度測(cè)量技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于變電站電力設(shè)備的溫度檢測(cè)，其測(cè)溫原理如圖1所示。由于在非絕對(duì)零度下任何物體的原子和分子都會(huì)做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而向外輻射紅外線，并且輻射能量的大小與物體自身的溫度呈正相關(guān)。然而，紅外線的波長(zhǎng)處于0.76μm到1000μm的可見光范圍之外，因此必須借助專業(yè)的紅外測(cè)溫儀對(duì)物體表面的紅外輻射能量進(jìn)行捕捉和測(cè)量，最后經(jīng)綜合處理可呈現(xiàn)物體表面的紅外能量分布圖，即熱像圖像[1]。

圖1 紅外測(cè)溫應(yīng)用方法

（二）變電運(yùn)維應(yīng)用

現(xiàn)階段，手持式紅外測(cè)溫儀由于其界面友好、體積小方便攜帶、測(cè)量精度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于變電運(yùn)維的巡視當(dāng)中。下面舉例兩種最常用紅外測(cè)溫技術(shù)的變電站巡視場(chǎng)景：

1.日常巡視——帶電檢測(cè)

變電站設(shè)備一旦通電后，無特殊情況將不會(huì)再斷開，因此帶電檢測(cè)成了變電運(yùn)維人員在日常巡視過程中的重要任務(wù)之一。而紅外測(cè)溫，由于其遠(yuǎn)距離非接觸式的測(cè)量特點(diǎn)，成了重要的安全測(cè)溫手段。在巡視過程中，檢測(cè)人員會(huì)對(duì)變電站內(nèi)的電力設(shè)備——變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、金屬導(dǎo)線等，逐一進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)及熱像。在記錄完成后，會(huì)進(jìn)一步對(duì)比以往的檢測(cè)數(shù)據(jù)和熱像，判斷當(dāng)前的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。如果熱像存在異常，會(huì)及時(shí)對(duì)不同類型的設(shè)備采用相應(yīng)的方法和依據(jù)，分析設(shè)備的缺陷特征，判斷設(shè)備的缺陷類型，并及時(shí)報(bào)備檢修。

2.特殊巡視—保電

隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步，城市經(jīng)常會(huì)舉行一些例如運(yùn)動(dòng)會(huì)、晚會(huì)等等的大型活動(dòng)，這時(shí)為了確保活動(dòng)能夠順利召開舉行，需要供電公司進(jìn)行保電，而紅外測(cè)溫則是經(jīng)常使用的一種即時(shí)觀測(cè)變電站異常情況的有力工具。在特殊巡視時(shí)，針對(duì)需要保電的線路進(jìn)行一日多次測(cè)溫，特殊加強(qiáng)對(duì)個(gè)別線路的巡視與關(guān)注，及時(shí)、敏銳地發(fā)現(xiàn)任何異常情況，并做出處理。

三、變電站自動(dòng)化紅外檢測(cè)系統(tǒng)

紅外測(cè)溫?zé)o疑是提高變電站運(yùn)維管理效率必不可少的重要部分，然而伴隨著其覆蓋率越來越高，缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)：（1）在單次巡視過程中，紅外測(cè)溫儀所拍攝圖像都會(huì)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)，需要巡視結(jié)束后人工傳輸至電腦中，如遇到缺陷錄入時(shí)，則還需要對(duì)每份熱像生成報(bào)告，無形之中增加了班組員工的工作量，耗時(shí)且容易出錯(cuò)。（2）變電站內(nèi)的電力設(shè)備類型較多，不同類型設(shè)備都存在著各自典型的缺陷特征。有時(shí)，由于溫差太小，特征不明顯，人眼很難準(zhǔn)確辨別，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)備檢測(cè)人員也有可能存在疏忽和遺漏，造成安全隱患。（3）即使是使用了手持式紅外測(cè)溫儀，由于運(yùn)維人員水平的參差不齊，當(dāng)需要巡視的目標(biāo)對(duì)象過多時(shí)，也有可能因?yàn)轶w力不支等問題，無法做到詳盡的數(shù)據(jù)記錄及熱像拍攝，變相造成了安全隱患。（4）伴隨著溫度及熱像數(shù)據(jù)增多，簡(jiǎn)單按時(shí)間或地點(diǎn)進(jìn)行分類保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，容易造成數(shù)據(jù)的冗余堆積，無法清晰地對(duì)設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)，以及對(duì)潛在的設(shè)備缺陷進(jìn)行及時(shí)的判斷。在此，提出一種變電站自動(dòng)化紅外檢測(cè)系統(tǒng)，其整體架構(gòu)如圖2所示，下面就其每個(gè)環(huán)節(jié)的具體實(shí)施方法進(jìn)行探究。

圖2 基于大數(shù)據(jù)的紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

（一）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與上傳

首先，變電運(yùn)維人員對(duì)于變電站中各類設(shè)備的溫度檢測(cè)大致可分為兩大類：日常巡視和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)第一種場(chǎng)景，可通過在每個(gè)變電站內(nèi)預(yù)先放置裝有紅外測(cè)溫儀的機(jī)器人，規(guī)劃好其巡視路線及拍攝角度，最大化實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有電力設(shè)備的熱像拍攝。此外，對(duì)于位置較為隱蔽，機(jī)器人難以到達(dá)的位置，可以通過提放置固定式紅外測(cè)溫儀的方式進(jìn)行測(cè)溫，最終達(dá)成日常巡視過程中對(duì)于站內(nèi)電力設(shè)備100%溫度檢測(cè)的目的。對(duì)于第二種場(chǎng)景，可通過遠(yuǎn)程控制的方式，將機(jī)器人運(yùn)行至指定地點(diǎn)及位置，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的溫度狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

其次，在變電站現(xiàn)場(chǎng)通過紅外攝測(cè)溫儀采集的電力設(shè)備熱像圖，可能會(huì)由于環(huán)境干擾和硬件缺陷等因素，造成熱像中存在噪聲和畸變，甚至不清晰等情況。尤其是在缺少人為校準(zhǔn)的全自動(dòng)化拍攝過程中，更容易導(dǎo)致拍攝圖片質(zhì)量差。因此，在機(jī)器人巡視拍攝熱像過程中，需要對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，確保所拍攝的熱像能夠傳遞出的信息準(zhǔn)確。在此，可利用人工智能圖像識(shí)別、小波閾值降噪、中值濾波等方法來提升熱像的質(zhì)量與準(zhǔn)確度[2]。

最后，將自動(dòng)拍攝到的可靠熱像上傳至云端數(shù)據(jù)庫。

（二）大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與智能處理

熱像圖中物體的識(shí)別與溫度信息的提取是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確度是系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。在此，對(duì)于熱像的處理大致可以分為三個(gè)部分：

1.圖像識(shí)別

由于單一熱像圖中一般都會(huì)包含多個(gè)設(shè)備的溫度信息，因此，對(duì)于熱像圖中的設(shè)備進(jìn)行識(shí)別就顯得尤為重要。現(xiàn)階段可采用的方法大致可分為兩類：圖像分割與深度學(xué)習(xí)。圖像分割往往無法適應(yīng)復(fù)雜背景，且對(duì)于發(fā)熱不明顯的熱像圖的適應(yīng)性較差[3]。深度學(xué)習(xí)則需要借助大量的熱像圖進(jìn)行模型訓(xùn)練來提升識(shí)別準(zhǔn)確率[4]。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的紅外熱像圖識(shí)別必然會(huì)成為未來重要的發(fā)展方向。

2.故障判斷

基于識(shí)別出來的設(shè)備溫度信息，一般可采用如下三種辦法對(duì)設(shè)備是否故障進(jìn)行判斷[5]：

（1）表面溫度判別法：通過對(duì)比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于各設(shè)備材料溫度與極限溫升的規(guī)定，結(jié)合測(cè)溫得到的環(huán)境溫度與當(dāng)前負(fù)荷來判斷當(dāng)前設(shè)備是否存在故障風(fēng)險(xiǎn)。

（2）相對(duì)溫差判斷法：通過對(duì)比各設(shè)備與另一臺(tái)類型、負(fù)荷、所處環(huán)境等多方面都基本相同的正常運(yùn)行設(shè)備，對(duì)應(yīng)測(cè)溫位置的溫度差是否超過閾值來判斷是否存在故障風(fēng)險(xiǎn)。

（3）歷史溫度判別法：結(jié)合當(dāng)前電力負(fù)荷，通過對(duì)比各設(shè)備與歷史相同工況下的溫度來判斷是否存在故障風(fēng)險(xiǎn)。

以上三種判斷方法在實(shí)際使用中可以選取其中一種，或同時(shí)使用，多維度提升系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確度。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可以根據(jù)變電站與設(shè)備類型進(jìn)行分類，然后將識(shí)別得到的各設(shè)備熱像，以“時(shí)間_設(shè)備名稱_負(fù)荷_環(huán)境溫度_判斷結(jié)果”進(jìn)行命名存儲(chǔ)，便于后期的故障回溯以及設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)。

（三）結(jié)果展示與故障預(yù)警

通過開發(fā)PC端上位機(jī)以及手機(jī)APP的方法，對(duì)該自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，如各變電站中巡視機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、熱像圖質(zhì)量，以及所有設(shè)備是否都完成了溫度檢測(cè)等。并且，根據(jù)故障判斷結(jié)果，對(duì)存在潛在故障風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警。此外，也可對(duì)各設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)形成圖表與報(bào)告，方便變電運(yùn)維人員了解設(shè)備的健康狀態(tài)。

總結(jié)

變電站作為電力行業(yè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，其安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。本文從變電站巡視過程中對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫存在的問題點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)行了探究與思考，同時(shí)結(jié)合當(dāng)下對(duì)于智能變電站的推動(dòng)與發(fā)展，提出了一種變電站自動(dòng)化紅外檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其中各環(huán)節(jié)的具體實(shí)施方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的探究，為變電站中電力設(shè)備溫度的檢測(cè)與管控提供了一套有效可行的方案。