基于红外技术的变电站温度监控

王方,岳艳杰,邱道尹,朱云

（1.华北水利水电学院，河南郑州450011;2.四川农业大学，四川雅安625014）

在电力系统中，往往由于设备温度发生异常而导致不必要的故障。因此通过监测电力设备的各种温度状态变化，可以对设备的故障做出诊断。在变电站里露天安置着各种变电设备，其中刀闸触头、接线排、开关等部件需要进行实时非精确的温度监控，当检测点温度超出某设定值时给予报警并在监控中心显示温度值。使技术人员及时发现、跟踪、排除故障，确保电力设备安全运行。利用红外技术对电力设备进行温度监测已越来越多地被应用。目前常用的测温方法有文献[1-2]所介绍的红外点温仪、红外热电视和红外热像仪等。

1 测温整体方案设计

该方案基于自源无线红外温度传感器，利用微型太阳能电池为测温模块、红外LED发射设备和单片机提供电源，解决了变电站内无电源难布线问题。利用红外信号将温度信息传送给红外监控系统，用各种滤波、平均值和小波变换等方法对红外热图像去噪处理，利用红外理论构建热图像的测温模型。结合图像识别技术，解决高温高压恶劣环境条件下变电站温度检测、报警等问题。

该监控系统分3大部分:测温现场、监控现场和监控室，如图1所示，其中测温现场每一个结点模块组成框图如图2所示。

图1 监控系统组成结构图

图2 测温现场每一个结点模块组成框图

2 无线供电电源的选择

2.1 锂电池供电

锂电池是由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2为氧化还原反应放电。锂电池广泛应用于风力、火力、水力和太阳能电站等储能电源系统。按所用电解质不同分为：①固体电解质锂电池；②有机电解质锂电池；③锂水电池；④无机非水电解质锂电池；⑤高温熔融盐锂电池。锂电池的优点是单体电池电压高，比能量大，储存寿命长，高低温性能好，可在（-40℃～150℃）使用。缺点是价格昂贵，安全性不高。但该方案使用锂电池供电还存在以下缺点：①不能大电流放电，安全性差，有发生爆炸的危险；②使用寿命有限，更换电池有困难。

2.2 温差发电

半导体温差发电[3]利用两种材料的温度差直接把热能转化为电能，其工作原理是赛贝克效应[4-5]。由不同材料A、B组成的回路，当A、B的温度不同时，在回路中会产生电流，这就是赛贝克(Seebeck)效应。把P型半导体和N型半导体在热端连接，在冷端即可得到一个电压。若将多个PN结串联起来就可得到足够大的电压，组成一个温差发电机来进行温差发电。它无需化学反应且无机械移动，因而无燥音、无污染、使用寿命长等优点。但温差发电效率低、电源不稳定。

2.3 电流互感器取电

该方案考虑变电站设备本身有电流通过，采用电流互感器取电[6-7]解决电源问题。电流互感器取电的工作原理如图3所示。

图3 电流互感器取电原理图

互感器二次侧的感应电势和铁心磁通有如下关系

当一次侧电流是正弦电流，即i1=sin ωt,可得感应电动热势有效值。

式（3）中，N2为二次侧线圈匝数；Φm为主磁通；f为一次侧电流频率；B为铁心磁感应强度；S为铁心截面积。

电流互感器取电系统框图如图4所示。此供电方案主要通过磁场取能，电力设备通过的电流会产生磁场，通过磁场产生的能量在磁感应线圈的次级侧产生感应电压，在经过整流、滤波和电源变换转换成所需电压；磁场有效值在随电流变化，当电流正常或出现大电流时，一方面向温度测量和红外LED提供所需的稳定电压，另一方面向超级电容充电。当饱和大电流时对后续电路进行稳态保护以提供稳定电源，满足测温模块的需要；当电流很小或断电时磁场取能小无法满足测温模块的需要，由超级电容对后面的负载供电，此方案设计利用超级电容，一是可控制饱和大电流，将能量储存起来；二是可在小电流或短期断电时作为辅助电源供电。

图4 电流互感器取电系统框图

2.4 太阳能电池供电

太阳能电池供电[8]是利用光伏效应将光能转换成电能的半导体器件。光伏发电的整个过程都是固态且自容式的。也就是说，没有任何活动部件，即没有物料消耗，也不产生任何排放。它的基本构造是由半导体的P-N结组成，半导体N型中含有较多的空穴，而半导体P型中含有较多的电子，这样，把N型和P型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差。当太阳光照射电池表面时，PN结中的N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而在PN结两侧集聚形成电位差。太阳能供电的优点：① 分布广；② 无污染；③ 长期性；④ 能源巨大。但也存在以下缺点：①能量密度低；②电源的不稳定；③转化效率低和成本高。

该方案采用太阳能电池供电，为了增加系统的稳定可靠性，在太阳能电池的后面安装了一个超级电容，太阳能电池产生的电一方面直接给自源无线红外温度传感器供电，另一方面把多余的电能储存在超级电容里，也就是对超级电容充电。当遇到连续阴雨天气，太阳能供电不足时，由超级电容对自源无线红外温度传感器补充供电，这样两者的结合使供电电源有了可靠的保证。

超级电容相比锂电池有4个优点：

1）充放电次数可达到100 000次；

2）可提供持续很高的放电电流；

3）可快速地充电；

4）维护工作量少。

3 自源无线红外温度传感器

3.1 自源无线红外温度传感器

自源无线红外温度传感器无需外供电源，以红外线传输信号的测温装置，可在高压、高温、高湿度等恶劣环境中长期稳定地工作。工作原理如图5所示。

图5 温度传感器工作原理图

该方案把传感器的底部与被测高温体相连接，将高温体的温度有效地传送给测温模块TC77，太阳能电池一方面给TC77测温模块、PIC10F206单片机和红外LED供电，另一方面给超级电容充电。TC77测温模块将测得的温度值送给PIC10F206单片机，PIC10F206单片机输出信号为数字信号，用D/A转换器转化为电流信号驱动LED发出红外光线。温度越高对应转化电流越大，从而通过调整电流，即可调整发光强度，对应达到测量温度的目的。通过监控现场的红外摄像机接收，给出设限报警和温度等级显示，保护热电阻的作用是将红外管的工作电压限制在最大值以下。

3.2 测温模块TC77

检测点温度采集我们采用MICROCHIP公司生产的低功耗数字温度传感器TC77[9]。它特别适用于低成本和小尺寸场合，它从固态传感器得到温度并将其转换成数字数据，再将转换后的温度数字数据存储在其内部寄存器中，并能在任何时候通过SPI串行总线接口或Microwire兼容接口读取，实现短距离的高速同步通信。TC77的内部结构如图6所示。TC77与单片机的接口硬件连接原理如图7所示。

图6 TC77的内部结构图

图7 TC77接口硬件连接原理图

该方案选用的MICROCHIP半导体公司生产的智能化温度传感器TC77有以下特点：

1）温度测控的低成本、体积小，经济性好；

2）现场温度测量以数字方式传输，抗干扰性能更强；

3）有两种工作模式连续温度转换模式和关断模式，功耗更低；

4）温度分辨率为0.062 5℃／LSB，精度更高。

3.3 红外LED发射模块

红外发光二极管[10]发光强试与注入电流有直接关系，红外二极管正向电流越大其输出光功率越大。可以用电光转换曲线来表示,即P-I特性曲线如图8所示。红外LED常采用辐射通量P（输出光功率）表示光强度的大小，单位为mW，输入PN结的电流为IF。

图8 红外二极管光输出功率与注入电流的关系曲线

4 自源无线红外温度传感器

4.1 红外摄像机选择

红外摄像机测温的关键要得到准确、可靠的红外图像，但是对电力设备进行现场监测时，由于现场各种条件的影响，可能导致测量结果与实际相差很大。所以为了得到准确的监测结果，必须分析造成干扰的因素，对监测结果有影响的因素有很多，如电力设备本身发射率的影响、设备热辐射的影响、太阳光产生辐射的影响、环境温度的影响、大气衰减的影响和风力的影响。该方案选择的红外摄像机主要考虑分辨率、成像灵敏度、光谱响应等主要特性。表1给出了实际测量中1号刀触头监控温度与实际温度的对比数据。可以看出测温误差小于±6℃，满足项目监控测温的要求。

表1 实际温度与指示温度 ℃

4.2 红外摄像机信号接收

红外二极管中电流与其发光强度有关[11]，通过二极管电流越大，其发光强度越强，则对应灰度图的灰度值越大。下面实验测定电流与对应灰度值之间关系，实验采用稳定的6 V电源和电位计对红外二级管持续供电，用软件通过对摄像机获取的测试点的灰度值进行读取。电流大小不同所对应的红外图像中光点的亮度是不同的，进行灰度处理后，采用灰度值对图像亮度进行分析对比，可更加有效地确定不同灰度值对应的电流。表2是通过实验得到的试验参数与灰度图像的对应关系。

表2 各试验参数与灰度图像的对应关系

由表2可知，不同的灰度图像的灰度值和电流值是一一对应的，这样就可以进一步计算出对应的温度值，从而实现设计要求的温度测量及在温度过高时报警的功能。

4.3 图像处理与识别

CCD获取现场监控画面和设备发热缺陷图像[12-13]后，由相关分析方法进行预处理，校正图像的颜色信息，对在现场采集的带噪声图像进行平滑、增强处理，以突出识别目标。并对预处理后的图像进行识别、目标的分割和滤波，对分割出来的目标图像进行特征提取及分类，根据得到的坐标确定出发热缺陷的具体位置并报警，最后对事故的相关信息进行统计并存入数据库。图像处理流程如图9所示。

图9 图像处理流程图

4.4 图像软件界面显示

本系统以NI的LabVIEW及NI-DAQmx开发系统[14-16]为基础来实现的软件功能，利用LabVIEW软件编写的软件界面如图10所示。本系统用测温现场的照片为背景图，在图上标好每一个测温点的具体位置和编号，把每一点红外图像信息通过图像处理技术得到相应点的温度值，并在背景图的相应编号上实时显示，也可以选取相应点进行详细查询。可以通过在数据库内预先设置报警温度值，当对应位置的温度和温升高于预设值时，报警灯将闪烁并报警，将温度值自动存储，并可以与监控现场的视频图像兼容，实现红外图像和视频图像的切换。

图10 图像软件界面

5 结论

该方案用红外摄像机代替了昂贵的红外热像仪对电力设备进行实时非精确的温度监控。利用太阳能电池为自源无线红外温度传感器供电，解决了变电站内无电源难布线等问题。并开发了软件界面进行实时监控，做到了各被测点的温度、湿度、风速实时显示。该方案是用变电站的实拍照片作为背景在其软件界面显示各个测量点的温度信息，如果能在红外信号显示的同时，以现场视频信号作为背景，这样使红外温度信号与视频信号的融合，将会得到更加生动直观的被测点的信息。

[1] 程玉兰.红外诊断现场实用技术[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 陈衡,侯善敬.电力设备红外诊断[M].北京:中国电力出版社,1998.

[3]李伟江.低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究[D].上海:同济大学,2007.

[4]ZHAOHui,XUDonglin,PANSha,etal.Design ofa CMOS Current-ad-justableCharge-pumpCircuitInsensitive to Power Supply and Temperature[J].Chinese Journal of Semiconductors,2003,24(3):260-265.

[5]STRASSERM,AIGNERR,LAUTERBACH C,et al.MicromachinedCMOSthermoelectricgeneratorsason-chippowersupply[J].Sensorsand ActuatorsA:Physical,2004,114(2-3):362-370.

[6] 杨书杰,张贤跃.高压侧测量用电源设计[J].电力自动化设备,2009,29(12):113-118.

[7] 胡彬,周有庆,钟选书,等.电子式电流互感器高压侧电源的研究与实现[J].电气应用,2006,25(5):99-102.

[8] 葛亮,于化丛,杨金焕.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[9] 洪家平.数字温度传感器TC77与AVR单片机的接口设计[J].国外电子元器件,2007,5:61-64.

[10]陈建明,梁德成.红外LED在温度监控中的应用[J].电力自动化设备,2009,29(5):139-141.

[11]赵振兵,高强,李然,等.基于黑白CCD传感器的近红外热像在线监测方法[J].电力系统自动化,2005,248(8):83-86.

[12]谭湛.红外成像测温技术在变电站设备中的应用[J].热电技术,2009,102(2):53-56.

[13]李然.红外测温技术与变电站图像监控系统的融合研究与实现[J].电网技术,2008,32(14):80-83.

[14]邱巍巍.红外测温技术应用于变电站图像监控系统的研究[D].河北:华北电力大学,2006.

[15]赵振兵.变电站电力设备近红外热像在线监测的研究[D].河北:华北电力大学,2005.

[16]VIDAKOVIC B,LOZOYA C B.On Time-Dependent Wavelet Denoising[J].IEEE Transon Signal Processing,1998,46(9):2549-2551.