俞賜湖

摘要：文章通過對(duì)已發(fā)現(xiàn)發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行紅外熱成像測(cè)溫，開發(fā)無(wú)線傳輸設(shè)備與手機(jī)終端軟件，將所測(cè)溫度傳輸至遠(yuǎn)程手機(jī)控制終端，為變電運(yùn)行人員跟蹤電氣設(shè)備發(fā)熱提供依據(jù)，防范設(shè)備因發(fā)熱造成停電，提高供電可靠性。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；無(wú)線傳輸；遠(yuǎn)程在線監(jiān)控

0 引言

溫度作為衡量電氣設(shè)備是否正常運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)，如何對(duì)異常溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，是保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。電氣設(shè)備經(jīng)過長(zhǎng)期滿載或超載運(yùn)行，一旦設(shè)備發(fā)生故障，故障電流急劇增大，可能增加到正常水平的十幾倍甚至上百倍，同時(shí)產(chǎn)生的熱量與電流平方成正比，故障電流對(duì)電氣設(shè)備或設(shè)備接頭將產(chǎn)生極大危害，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)導(dǎo)體或設(shè)備的溫度超過一定范圍時(shí)，將加速設(shè)備的絕緣材料老化，縮短設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)將使接頭熔化斷裂，中斷電力供應(yīng)，影響客戶用電，給人民造成財(cái)產(chǎn)損失。那么如何在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)溫并實(shí)時(shí)跟蹤成為迫切需要解決的問題。

本文通過人工巡檢測(cè)溫發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱點(diǎn)，通過在發(fā)熱設(shè)備點(diǎn)附近的地面安裝紅外成像測(cè)溫儀，這樣測(cè)溫儀安裝無(wú)需停電和具有可移動(dòng)性，采用無(wú)線傳輸?shù)臏y(cè)溫方式，對(duì)發(fā)熱設(shè)備所測(cè)的溫度等信息通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定時(shí)發(fā)送至相關(guān)技術(shù)人員及調(diào)度員進(jìn)行分析，信息更加及時(shí)，采集頻率更高，可以讓相關(guān)人員更好的根據(jù)發(fā)熱設(shè)備的最新發(fā)熱程度及時(shí)做出相應(yīng)的處理，第一時(shí)間消除電網(wǎng)中存在的安全隱患。遠(yuǎn)程無(wú)線控制測(cè)溫儀的測(cè)溫方式，在提高整體工作效率的同時(shí)可以帶來(lái)運(yùn)維成本的下降，特別是可節(jié)約大量人員和車輛到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滾動(dòng)測(cè)溫，節(jié)約了成本，緩解了人員不足等問題。

1 通用測(cè)溫方式比較

目前電力系統(tǒng)在對(duì)電氣設(shè)備的溫度檢測(cè)方面，主要有紅外線點(diǎn)測(cè)溫，紅外熱成像測(cè)溫，分布式光纖測(cè)溫，傳感器無(wú)線測(cè)溫等各種測(cè)溫方式，其中紅外線點(diǎn)測(cè)溫和紅外線熱成像測(cè)溫需花費(fèi)大量人力；遠(yuǎn)程紅外線熱成像測(cè)溫系統(tǒng)需花大量資金；分布式光纖測(cè)溫的光纖價(jià)格較高，使用過程中容易受折、易斷，不易于安裝在電氣設(shè)備的開關(guān)柜內(nèi)；傳感器無(wú)線測(cè)溫需停電安裝或事先安裝測(cè)溫傳感器等一系列缺點(diǎn)，因此，研究一款可移動(dòng)自動(dòng)紅外成像測(cè)溫的無(wú)線傳輸，具有無(wú)需停電安裝測(cè)溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)，是最適合對(duì)于熱成像測(cè)溫后發(fā)現(xiàn)的發(fā)熱設(shè)備的溫度跟蹤，通過無(wú)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端，從遠(yuǎn)程終端可控制紅外熱成像測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫或紅外熱成像測(cè)溫儀對(duì)發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行定時(shí)測(cè)溫。它既可以方便的移動(dòng)測(cè)溫儀器，又無(wú)需停電安裝測(cè)溫傳感器、無(wú)需投入大量的資金進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)改造，具有很高的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。

2 理論依據(jù)

紅外熱成像測(cè)溫的理論依據(jù)。理論上只要物體溫度高于熱力學(xué)零度，物體就會(huì)向外輻射電磁波，這些電磁波攜帶的能量，其中波長(zhǎng)范圍在0.76pm～1000pm之間的屬于紅外光波，紅外光波具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)，攜帶溫度信息，這正是輻射測(cè)溫技術(shù)研究的出發(fā)點(diǎn)。紅外測(cè)溫技術(shù)的物理學(xué)理論基礎(chǔ)是普朗克定律，該定律揭示了在不同溫度下不同波段的黑體輻射能量分布規(guī)律。黑體的最大特征就是所發(fā)射的輻射能和所吸收的輻射能相同，也就是說(shuō)如果物體吸收能力強(qiáng)則其輻射能力就強(qiáng)，如果輻射能力弱則其吸收能力就弱。

P（λ，T）=ξστ⁴

其中P（λ，T）表示物體的單色輻射度，ξ為灰體。

所測(cè)物體的溫度T=P（λ，T）=ξστ^1/4

正是紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。而熱成像就是在紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，從而可進(jìn)一步計(jì)算出溫度值。

3 確定紅外線熱成像測(cè)溫儀

通常在變電站的測(cè)溫需考慮用電設(shè)備的溫度范圍、相對(duì)尺寸、測(cè)溫儀與目標(biāo)設(shè)備距離、環(huán)境因素等對(duì)測(cè)溫影響，以正確選擇紅外線熱成像測(cè)溫儀。

（1）分析用電設(shè)備的溫度范圍，確定測(cè)溫儀芯片。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好。變電站母線材質(zhì)為銅芯或鋁芯，其發(fā)熱的范圍有所不同，但基本在-10℃+210℃之間，范圍較小，精度要求在±50℃，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫儀cpu功能要求較簡(jiǎn)單，采用普通的測(cè)溫芯片即可完全滿足。

（2）根據(jù)用電設(shè)備的相對(duì)尺寸，確定測(cè)溫方式。由于變電站存在煙霧、塵埃、阻擋，而比色測(cè)溫方式對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響，因此比色測(cè)溫儀是最佳選擇。

（3）根據(jù)測(cè)溫距離，確定測(cè)溫儀光學(xué)分辨率。距離系數(shù)由D：S之比確定，由于必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，因此我們就必須增大D：S比值。因此，為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上準(zhǔn)確測(cè)溫，被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，需要選擇可變焦的測(cè)溫儀。

（4）考慮環(huán)境因素，調(diào)整算法。因?yàn)閺?qiáng)光、強(qiáng)風(fēng)及大雨均可能影響測(cè)量結(jié)果，這是無(wú)法在測(cè)溫儀進(jìn)行分辨和處理的，因此在上線前，需對(duì)后臺(tái)軟件進(jìn)行差值補(bǔ)償算法調(diào)整，算法調(diào)整主要為非均勻矯正，偽彩色圖像處理及面源黑體的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定。

因此紅外線成像測(cè)溫儀應(yīng)選擇具有普通單CPU、能實(shí)現(xiàn)比色測(cè)溫技術(shù)、可變焦功能的紅外成像測(cè)溫儀，通過后臺(tái)算法對(duì)數(shù)據(jù)矯正調(diào)整測(cè)量誤差。

4 開發(fā)通信模塊傳輸協(xié)議

在變電站目前大部分均有光纖通道，部分變電站無(wú)網(wǎng)絡(luò)通道需采用無(wú)線傳輸模式。為了實(shí)現(xiàn)各通道的傳輸需要通信DTU來(lái)完成這些工作，目前DTU可實(shí)現(xiàn)wifi，lan及3G的同時(shí)傳輸，內(nèi)部采用TCP協(xié)議，可使用工業(yè)MODBUS作為基礎(chǔ)交換協(xié)議，完成所有的通信。

5 開發(fā)主站軟件

主站軟件包括了與DTU進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交換的子程序及基于J2EE構(gòu)架的主站系統(tǒng)，主站系統(tǒng)功能如下：

記錄成像儀安裝地點(diǎn)，成像儀種類，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，測(cè)溫歷史數(shù)據(jù)，供電腦客戶端瀏覽器查詢歷史數(shù)據(jù)。可通過客戶端手機(jī)手動(dòng)與成像儀進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程控制和啟動(dòng)成像儀工作，存儲(chǔ)成像儀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及接受發(fā)送成像儀的通信數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)焦和數(shù)據(jù)校驗(yàn)的要求發(fā)送到成像儀。

6 開發(fā)終端軟件

目前手機(jī)客戶端存在多種平臺(tái)，作為研究用，在安卓開發(fā)基于安卓5.0的客戶端軟件，ios及windows采用基于jquery3和ext3結(jié)合的html5界面設(shè)計(jì)。目前手機(jī)端僅做查詢及報(bào)警用，基于安卓的可以采用推送消息的方式進(jìn)行報(bào)警，基于ios和Nwin的可以采用短信加鏈接的方式進(jìn)行推送。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)本文所提出可移動(dòng)自動(dòng)紅外熱成像測(cè)溫?zé)o線傳輸測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采取在實(shí)際220kY變電站安裝調(diào)試一臺(tái)紅外熱成像測(cè)溫儀，并對(duì)發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫后無(wú)線傳輸至手機(jī)終端，通過與手工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)發(fā)熱設(shè)備測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

本文的移動(dòng)式紅外熱成像可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離區(qū)域測(cè)溫，選取5分鐘為一個(gè)周期，為了更有效的展現(xiàn)溫度變化，選定在夏季20點(diǎn)開始，60分鐘的測(cè)量，經(jīng)測(cè)量結(jié)果如下。

7.1 現(xiàn)場(chǎng)手持測(cè)量結(jié)果（見表1）

7.2 可移動(dòng)紅外熱成像無(wú)線傳輸測(cè)量結(jié)果（見表2）

7.3 經(jīng)過疊加比較后（見圖1）

經(jīng)比較無(wú)線測(cè)溫結(jié)果與在現(xiàn)場(chǎng)手持測(cè)溫儀點(diǎn)測(cè)對(duì)比溫度區(qū)間變化較大，但是波動(dòng)范圍不超過實(shí)際變壓器運(yùn)行溫度范圍，也就是環(huán)境溫度的+20范圍內(nèi)，因此可以作為實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)判斷變壓器運(yùn)行情況。

本文主要探討研究紅外熱成像測(cè)溫后無(wú)線傳輸硬件和軟件開發(fā)以及手機(jī)終端軟件開發(fā)3部分內(nèi)容。利用在實(shí)際220kV變電站安裝調(diào)試一臺(tái)紅外熱成像測(cè)溫儀進(jìn)行發(fā)熱設(shè)備實(shí)際測(cè)溫調(diào)試，并與手工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)溫進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所研究?jī)?nèi)容的正確性與有效性。