基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫啟良，文華

（南方電網(wǎng)深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣州深圳 518055）

我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)安全、穩(wěn)定的需求也日益增加，電力變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是現(xiàn)代電氣設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其安全問(wèn)題直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，所以要時(shí)常對(duì)其進(jìn)行故障檢查[1-2]。當(dāng)前采取較多的檢測(cè)方式為預(yù)防性檢測(cè)，定期更換設(shè)備，但是這種方式會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)成本增加，并且如果檢測(cè)不及時(shí)，就無(wú)法確定變壓器是否存在的絕緣缺陷和潛在故障[3-4]。

針對(duì)電力變壓器檢測(cè)這一問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者做出了較多的研究，通常使用較多的檢測(cè)方法分別為：1）局部放電檢測(cè)：該方法通過(guò)分析變壓器的局部放電情況確定老化原因，尋找變壓器故障位置；2）局部過(guò)熱檢測(cè)：該方法通過(guò)分析變壓器內(nèi)部的溫度，確定過(guò)熱故障[5-6]；3）介質(zhì)損耗檢測(cè)：該方法主要是通過(guò)分析絕緣介質(zhì)的內(nèi)部損耗率，分析電流相位差，確定變壓器的運(yùn)行狀況。

該文采用局部過(guò)熱檢測(cè)法設(shè)定變壓器故障檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 紅外檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1 可知，紅外熱像儀、中心控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)測(cè)云臺(tái)三部分為系統(tǒng)主要組成部分，該文重點(diǎn)研究此三個(gè)硬件模塊設(shè)計(jì)。

1.1 紅外熱像儀

紅外熱像儀是一種利用紅外線熱成像技術(shù)，對(duì)目標(biāo)設(shè)備所產(chǎn)生的肉眼不可見(jiàn)的紅外能量進(jìn)行探測(cè)，并且轉(zhuǎn)化為可被人識(shí)別的信息如電信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、光信號(hào)等，形成具有走向趨勢(shì)辨別的熱圖像，人們可以通過(guò)熱圖像上面的不同顏色的走向趨勢(shì)來(lái)觀察對(duì)比目標(biāo)物體的不同溫度[7]。紅外熱像儀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

該文基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)的前端采集模塊依靠紅外熱像儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)采集，將實(shí)際探測(cè)到的熱量進(jìn)行精確的量化，通過(guò)自帶的傳輸介質(zhì)收集記錄每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分享與實(shí)時(shí)報(bào)備，并將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼傳輸?shù)街行目刂朴?jì)算機(jī)[8]。

1.2 中心控制計(jì)算機(jī)

中心控制計(jì)算機(jī)作為整體系統(tǒng)的中心模塊，首先將紅外熱像儀傳輸過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)壓縮編碼的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，判斷不同熱量點(diǎn)的熱量呈現(xiàn)是否符合規(guī)定范圍，以及同一熱量點(diǎn)的不同時(shí)間段的熱量呈現(xiàn)是否安全[9-10]。基于物聯(lián)網(wǎng)的中心控制計(jì)算機(jī)的圖像上會(huì)實(shí)時(shí)顯示熱成像畫(huà)面的走勢(shì)圖，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱故障部位的區(qū)域定位，工作人員根據(jù)屏幕上顏色和溫度的變化進(jìn)行初步的判定，同時(shí)將故障判斷的數(shù)據(jù)指令傳達(dá)到云臺(tái)[11-12]。

1.3 監(jiān)測(cè)云臺(tái)

負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)紅外熱像儀的云臺(tái)多為全方位云臺(tái)，內(nèi)部設(shè)有負(fù)責(zé)上下運(yùn)動(dòng)和左右運(yùn)動(dòng)的垂直電機(jī)和水平電機(jī)這兩個(gè)工作電機(jī)。監(jiān)測(cè)云臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)云臺(tái)結(jié)構(gòu)

云臺(tái)接收到中心控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令后，通過(guò)解碼板進(jìn)行解碼，做出相應(yīng)的動(dòng)作，找到故障點(diǎn)[13-14]。

三個(gè)核心硬件的有序分工運(yùn)作，使基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障點(diǎn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)檢測(cè)，并且能使操作人員根據(jù)接收到的信息對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況做出判斷，及時(shí)做出檢修調(diào)整，在解決故障問(wèn)題上起到了高效率、高準(zhǔn)確性。

2 紅外檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，共分為三個(gè)步驟，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

第一步：數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了將紅外熱像儀收集到的紅外成像具體化，可具體到熱成像圖片甚至具體到對(duì)應(yīng)數(shù)值。利用編程將紅外線熱像儀所輸出的圖像和溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集編程公式如式（1）所示：

其中，Eγ表示表面能發(fā)射率；A0δ-2為一個(gè)常值；τaγ表示實(shí)時(shí)光譜透射率；εγ表示熱量發(fā)散率；T0表示電力變壓器表面溫度；Tu表示環(huán)境溫度。

通過(guò)不同時(shí)間段監(jiān)測(cè)到的電力變壓器的表面溫度和實(shí)時(shí)的光譜透射率及變壓器自身的實(shí)時(shí)熱量發(fā)散率，可以算出各個(gè)時(shí)間段的紅外熱量數(shù)值，將數(shù)值進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)以便進(jìn)行圖像處理[15-16]。

第二步：紅外圖像處理。通過(guò)采集不同時(shí)間段的熱量數(shù)值，將灰度等級(jí)重組生成圖像數(shù)據(jù)形式，可以得到熱量分布表或者熱量走向函數(shù)曲線，并將結(jié)果顯示到顯示器上，紅外灰體表面溫度編程公式如式（2）所示：

其中，ε表示實(shí)時(shí)熱量發(fā)散率；γ表示測(cè)量距離；n表示不同波段的熱像數(shù)據(jù)值。

當(dāng)處于不同波段時(shí)，灰體表面溫度也不同，由于紅外輻射的高低和物體溫度高低成正相關(guān)顯示，使得溫度與物體灰度的映射關(guān)系相對(duì)應(yīng)，從而能夠同時(shí)測(cè)算出各種像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度。

第三步：溫度測(cè)量與顯示。根據(jù)前面兩個(gè)步驟計(jì)算出的紅外熱量數(shù)值、紅外灰體表面溫度數(shù)值，可以通過(guò)公式計(jì)算出電力變壓器表面的實(shí)際溫度，如式（3）所示：在知道電力變壓器表面發(fā)射率的情況下，可以通過(guò)式（1）和式（2）得到紅外熱量數(shù)值、紅外灰體表面溫度數(shù)值，基于物聯(lián)網(wǎng)特性可以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出變壓器表面的實(shí)際溫度，由實(shí)際溫度與規(guī)定安全溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，可以通過(guò)過(guò)高的溫度值檢測(cè)出故障問(wèn)題的嚴(yán)重性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如下。

在PC 機(jī)運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用dBase 數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境提高操作的方便性和簡(jiǎn)潔性[17-19]，選用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐功能進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)內(nèi)部數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的管理能力，在與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接后[20]，將得到的結(jié)果寫(xiě)入控制部件中，由顯示器展示得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該文設(shè)計(jì)的過(guò)熱故障檢測(cè)能夠同時(shí)進(jìn)行日監(jiān)控、周監(jiān)控和月監(jiān)控，利用時(shí)間跨度曲線完成設(shè)置，用戶根據(jù)自身需要完成數(shù)據(jù)周期選擇。選用該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電力變壓器進(jìn)行檢測(cè)，得到的溫度繪制曲線如圖5 所示。

圖5 過(guò)熱檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，所研究的過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)同時(shí)繪制溫度曲線和三相曲線判斷溫度是否存在過(guò)熱故障，通過(guò)溫度曲線連接溫升趨勢(shì)，同時(shí)分析三相曲線之間的差值，根據(jù)差值結(jié)果確定故障結(jié)果。

為了進(jìn)一步探究該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，選用該文系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于YOLOv3 算法的檢測(cè)系統(tǒng)和基于改進(jìn)RetinaNet的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)判斷，得到的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 預(yù)警響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 預(yù)警響應(yīng)時(shí)間能夠判斷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)預(yù)警響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，平均值比傳統(tǒng)系統(tǒng)分別少13.916 min 和5.548 min，具有更好的實(shí)時(shí)響應(yīng)效果，響應(yīng)能力更強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的原因是該文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)部位不同的溫度進(jìn)行檢測(cè)，在確定不同部位的工作溫度和閾值存在誤差時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行響應(yīng)，在設(shè)置界面反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，不需要再次啟動(dòng)軟件。而傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)變壓器進(jìn)行故障檢測(cè)過(guò)程中，僅僅是對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行閾值分析，判定缺陷性質(zhì)，因此花費(fèi)的檢測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不具備實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

誤判率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 誤判率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2 可知，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤判率更低，比傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)分別降低10.942%和8.262%。傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)閾值分析進(jìn)行判斷，在檢測(cè)過(guò)程中沒(méi)有考慮外界溫度、天氣狀況和各項(xiàng)因素的影響，一旦發(fā)現(xiàn)超過(guò)閾值就進(jìn)行報(bào)警，很容易發(fā)生誤判，該文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)將環(huán)境溫度、天氣狀況等外界因素作為自然影響因素考慮，因此誤判率較低，更能精準(zhǔn)地反映出電力變壓器是否出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

絕大多數(shù)的電力設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)都伴隨著局部故障部位的溫度升高，密切監(jiān)測(cè)電力變壓器的表面及各部件的溫度變化可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除潛在的設(shè)備故障隱患，是保證電力變壓器正常運(yùn)行的重要且有效的方法。該文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的電力變壓器過(guò)熱故障紅外檢測(cè)系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件方面和軟件方面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集與傳送、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)云臺(tái)監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)在電力變壓器故障檢測(cè)系統(tǒng)上的應(yīng)用具有重大意義，隨著研究的深入，在系統(tǒng)穩(wěn)定安全的情況下可以推廣到其他大型電力設(shè)備，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和有效性。