王方,岳艷杰,邱道尹,朱云

（1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川雅安625014）

在電力系統(tǒng)中，往往由于設(shè)備溫度發(fā)生異常而導(dǎo)致不必要的故障。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)電力設(shè)備的各種溫度狀態(tài)變化，可以對(duì)設(shè)備的故障做出診斷。在變電站里露天安置著各種變電設(shè)備，其中刀閘觸頭、接線排、開關(guān)等部件需要進(jìn)行實(shí)時(shí)非精確的溫度監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)溫度超出某設(shè)定值時(shí)給予報(bào)警并在監(jiān)控中心顯示溫度值。使技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、排除故障，確保電力設(shè)備安全運(yùn)行。利用紅外技術(shù)對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)已越來(lái)越多地被應(yīng)用。目前常用的測(cè)溫方法有文獻(xiàn)[1-2]所介紹的紅外點(diǎn)溫儀、紅外熱電視和紅外熱像儀等。

1 測(cè)溫整體方案設(shè)計(jì)

該方案基于自源無(wú)線紅外溫度傳感器，利用微型太陽(yáng)能電池為測(cè)溫模塊、紅外LED發(fā)射設(shè)備和單片機(jī)提供電源，解決了變電站內(nèi)無(wú)電源難布線問(wèn)題。利用紅外信號(hào)將溫度信息傳送給紅外監(jiān)控系統(tǒng)，用各種濾波、平均值和小波變換等方法對(duì)紅外熱圖像去噪處理，利用紅外理論構(gòu)建熱圖像的測(cè)溫模型。結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，解決高溫高壓惡劣環(huán)境條件下變電站溫度檢測(cè)、報(bào)警等問(wèn)題。

該監(jiān)控系統(tǒng)分3大部分:測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控室，如圖1所示，其中測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)模塊組成框圖如圖2所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)結(jié)點(diǎn)模塊組成框圖

2 無(wú)線供電電源的選擇

2.1 鋰電池供電

鋰電池是由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2為氧化還原反應(yīng)放電。鋰電池廣泛應(yīng)用于風(fēng)力、火力、水力和太陽(yáng)能電站等儲(chǔ)能電源系統(tǒng)。按所用電解質(zhì)不同分為：①固體電解質(zhì)鋰電池；②有機(jī)電解質(zhì)鋰電池；③鋰水電池；④無(wú)機(jī)非水電解質(zhì)鋰電池；⑤高溫熔融鹽鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是單體電池電壓高，比能量大，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，高低溫性能好，可在（-40℃～150℃）使用。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，安全性不高。但該方案使用鋰電池供電還存在以下缺點(diǎn)：①不能大電流放電，安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)；②使用壽命有限，更換電池有困難。

2.2 溫差發(fā)電

半導(dǎo)體溫差發(fā)電[3]利用兩種材料的溫度差直接把熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理是賽貝克效應(yīng)[4-5]。由不同材料A、B組成的回路，當(dāng)A、B的溫度不同時(shí)，在回路中會(huì)產(chǎn)生電流，這就是賽貝克(Seebeck)效應(yīng)。把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接，在冷端即可得到一個(gè)電壓。若將多個(gè)PN結(jié)串聯(lián)起來(lái)就可得到足夠大的電壓，組成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行溫差發(fā)電。它無(wú)需化學(xué)反應(yīng)且無(wú)機(jī)械移動(dòng)，因而無(wú)燥音、無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但溫差發(fā)電效率低、電源不穩(wěn)定。

2.3 電流互感器取電

該方案考慮變電站設(shè)備本身有電流通過(guò)，采用電流互感器取電[6-7]解決電源問(wèn)題。電流互感器取電的工作原理如圖3所示。

圖3 電流互感器取電原理圖

互感器二次側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)和鐵心磁通有如下關(guān)系

當(dāng)一次側(cè)電流是正弦電流，即i1=sin ωt,可得感應(yīng)電動(dòng)熱勢(shì)有效值。

式（3）中，N2為二次側(cè)線圈匝數(shù)；Φm為主磁通；f為一次側(cè)電流頻率；B為鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為鐵心截面積。

電流互感器取電系統(tǒng)框圖如圖4所示。此供電方案主要通過(guò)磁場(chǎng)取能，電力設(shè)備通過(guò)的電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量在磁感應(yīng)線圈的次級(jí)側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在經(jīng)過(guò)整流、濾波和電源變換轉(zhuǎn)換成所需電壓；磁場(chǎng)有效值在隨電流變化，當(dāng)電流正?；虺霈F(xiàn)大電流時(shí)，一方面向溫度測(cè)量和紅外LED提供所需的穩(wěn)定電壓，另一方面向超級(jí)電容充電。當(dāng)飽和大電流時(shí)對(duì)后續(xù)電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)保護(hù)以提供穩(wěn)定電源，滿足測(cè)溫模塊的需要；當(dāng)電流很小或斷電時(shí)磁場(chǎng)取能小無(wú)法滿足測(cè)溫模塊的需要，由超級(jí)電容對(duì)后面的負(fù)載供電，此方案設(shè)計(jì)利用超級(jí)電容，一是可控制飽和大電流，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；二是可在小電流或短期斷電時(shí)作為輔助電源供電。

圖4 電流互感器取電系統(tǒng)框圖

2.4 太陽(yáng)能電池供電

太陽(yáng)能電池供電[8]是利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。光伏發(fā)電的整個(gè)過(guò)程都是固態(tài)且自容式的。也就是說(shuō)，沒(méi)有任何活動(dòng)部件，即沒(méi)有物料消耗，也不產(chǎn)生任何排放。它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成，半導(dǎo)體N型中含有較多的空穴，而半導(dǎo)體P型中含有較多的電子，這樣，把N型和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差。當(dāng)太陽(yáng)光照射電池表面時(shí)，PN結(jié)中的N型半導(dǎo)體的空穴往P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動(dòng)，從而在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差。太陽(yáng)能供電的優(yōu)點(diǎn)：① 分布廣；② 無(wú)污染；③ 長(zhǎng)期性；④ 能源巨大。但也存在以下缺點(diǎn)：①能量密度低；②電源的不穩(wěn)定；③轉(zhuǎn)化效率低和成本高。

該方案采用太陽(yáng)能電池供電，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，在太陽(yáng)能電池的后面安裝了一個(gè)超級(jí)電容，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電一方面直接給自源無(wú)線紅外溫度傳感器供電，另一方面把多余的電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容里，也就是對(duì)超級(jí)電容充電。當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣，太陽(yáng)能供電不足時(shí)，由超級(jí)電容對(duì)自源無(wú)線紅外溫度傳感器補(bǔ)充供電，這樣兩者的結(jié)合使供電電源有了可靠的保證。

超級(jí)電容相比鋰電池有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）充放電次數(shù)可達(dá)到100 000次；

2）可提供持續(xù)很高的放電電流；

3）可快速地充電；

4）維護(hù)工作量少。

3 自源無(wú)線紅外溫度傳感器

3.1 自源無(wú)線紅外溫度傳感器

自源無(wú)線紅外溫度傳感器無(wú)需外供電源，以紅外線傳輸信號(hào)的測(cè)溫裝置，可在高壓、高溫、高濕度等惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。工作原理如圖5所示。

圖5 溫度傳感器工作原理圖

該方案把傳感器的底部與被測(cè)高溫體相連接，將高溫體的溫度有效地傳送給測(cè)溫模塊TC77，太陽(yáng)能電池一方面給TC77測(cè)溫模塊、PIC10F206單片機(jī)和紅外LED供電，另一方面給超級(jí)電容充電。TC77測(cè)溫模塊將測(cè)得的溫度值送給PIC10F206單片機(jī)，PIC10F206單片機(jī)輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)出紅外光線。溫度越高對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化電流越大，從而通過(guò)調(diào)整電流，即可調(diào)整發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)達(dá)到測(cè)量溫度的目的。通過(guò)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的紅外攝像機(jī)接收，給出設(shè)限報(bào)警和溫度等級(jí)顯示，保護(hù)熱電阻的作用是將紅外管的工作電壓限制在最大值以下。

3.2 測(cè)溫模塊TC77

檢測(cè)點(diǎn)溫度采集我們采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的低功耗數(shù)字溫度傳感器TC77[9]。它特別適用于低成本和小尺寸場(chǎng)合，它從固態(tài)傳感器得到溫度并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，再將轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)部寄存器中，并能在任何時(shí)候通過(guò)SPI串行總線接口或Microwire兼容接口讀取，實(shí)現(xiàn)短距離的高速同步通信。TC77的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。TC77與單片機(jī)的接口硬件連接原理如圖7所示。

圖6 TC77的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7 TC77接口硬件連接原理圖

該方案選用的MICROCHIP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能化溫度傳感器TC77有以下特點(diǎn)：

1）溫度測(cè)控的低成本、體積小，經(jīng)濟(jì)性好；

2）現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量以數(shù)字方式傳輸，抗干擾性能更強(qiáng)；

3）有兩種工作模式連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換模式和關(guān)斷模式，功耗更低；

4）溫度分辨率為0.062 5℃／LSB，精度更高。

3.3 紅外LED發(fā)射模塊

紅外發(fā)光二極管[10]發(fā)光強(qiáng)試與注入電流有直接關(guān)系，紅外二極管正向電流越大其輸出光功率越大?？梢杂秒姽廪D(zhuǎn)換曲線來(lái)表示,即P-I特性曲線如圖8所示。紅外LED常采用輻射通量P（輸出光功率）表示光強(qiáng)度的大小，單位為mW，輸入PN結(jié)的電流為IF。

圖8 紅外二極管光輸出功率與注入電流的關(guān)系曲線

4 自源無(wú)線紅外溫度傳感器

4.1 紅外攝像機(jī)選擇

紅外攝像機(jī)測(cè)溫的關(guān)鍵要得到準(zhǔn)確、可靠的紅外圖像，但是對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)各種條件的影響，可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相差很大。所以為了得到準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，必須分析造成干擾的因素，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響的因素有很多，如電力設(shè)備本身發(fā)射率的影響、設(shè)備熱輻射的影響、太陽(yáng)光產(chǎn)生輻射的影響、環(huán)境溫度的影響、大氣衰減的影響和風(fēng)力的影響。該方案選擇的紅外攝像機(jī)主要考慮分辨率、成像靈敏度、光譜響應(yīng)等主要特性。表1給出了實(shí)際測(cè)量中1號(hào)刀觸頭監(jiān)控溫度與實(shí)際溫度的對(duì)比數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰷y(cè)溫誤差小于±6℃，滿足項(xiàng)目監(jiān)控測(cè)溫的要求。

表1 實(shí)際溫度與指示溫度 ℃

4.2 紅外攝像機(jī)信號(hào)接收

紅外二極管中電流與其發(fā)光強(qiáng)度有關(guān)[11]，通過(guò)二極管電流越大，其發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，則對(duì)應(yīng)灰度圖的灰度值越大。下面實(shí)驗(yàn)測(cè)定電流與對(duì)應(yīng)灰度值之間關(guān)系，實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)定的6 V電源和電位計(jì)對(duì)紅外二級(jí)管持續(xù)供電，用軟件通過(guò)對(duì)攝像機(jī)獲取的測(cè)試點(diǎn)的灰度值進(jìn)行讀取。電流大小不同所對(duì)應(yīng)的紅外圖像中光點(diǎn)的亮度是不同的，進(jìn)行灰度處理后，采用灰度值對(duì)圖像亮度進(jìn)行分析對(duì)比，可更加有效地確定不同灰度值對(duì)應(yīng)的電流。表2是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的試驗(yàn)參數(shù)與灰度圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 各試驗(yàn)參數(shù)與灰度圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表2可知，不同的灰度圖像的灰度值和電流值是一一對(duì)應(yīng)的，這樣就可以進(jìn)一步計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的溫度測(cè)量及在溫度過(guò)高時(shí)報(bào)警的功能。

4.3 圖像處理與識(shí)別

CCD獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面和設(shè)備發(fā)熱缺陷圖像[12-13]后，由相關(guān)分析方法進(jìn)行預(yù)處理，校正圖像的顏色信息，對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)采集的帶噪聲圖像進(jìn)行平滑、增強(qiáng)處理，以突出識(shí)別目標(biāo)。并對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行識(shí)別、目標(biāo)的分割和濾波，對(duì)分割出來(lái)的目標(biāo)圖像進(jìn)行特征提取及分類，根據(jù)得到的坐標(biāo)確定出發(fā)熱缺陷的具體位置并報(bào)警，最后對(duì)事故的相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。圖像處理流程如圖9所示。

圖9 圖像處理流程圖

4.4 圖像軟件界面顯示

本系統(tǒng)以NI的LabVIEW及NI-DAQmx開發(fā)系統(tǒng)[14-16]為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的軟件功能，利用LabVIEW軟件編寫的軟件界面如圖10所示。本系統(tǒng)用測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)的照片為背景圖，在圖上標(biāo)好每一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的具體位置和編號(hào)，把每一點(diǎn)紅外圖像信息通過(guò)圖像處理技術(shù)得到相應(yīng)點(diǎn)的溫度值，并在背景圖的相應(yīng)編號(hào)上實(shí)時(shí)顯示，也可以選取相應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)查詢。可以通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)預(yù)先設(shè)置報(bào)警溫度值，當(dāng)對(duì)應(yīng)位置的溫度和溫升高于預(yù)設(shè)值時(shí)，報(bào)警燈將閃爍并報(bào)警，將溫度值自動(dòng)存儲(chǔ)，并可以與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像兼容，實(shí)現(xiàn)紅外圖像和視頻圖像的切換。

圖10 圖像軟件界面

5 結(jié)論

該方案用紅外攝像機(jī)代替了昂貴的紅外熱像儀對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)非精確的溫度監(jiān)控。利用太陽(yáng)能電池為自源無(wú)線紅外溫度傳感器供電，解決了變電站內(nèi)無(wú)電源難布線等問(wèn)題。并開發(fā)了軟件界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到了各被測(cè)點(diǎn)的溫度、濕度、風(fēng)速實(shí)時(shí)顯示。該方案是用變電站的實(shí)拍照片作為背景在其軟件界面顯示各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度信息，如果能在紅外信號(hào)顯示的同時(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)作為背景，這樣使紅外溫度信號(hào)與視頻信號(hào)的融合，將會(huì)得到更加生動(dòng)直觀的被測(cè)點(diǎn)的信息。

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