在線式雙光熱像儀云測溫電力監(jiān)測系統(tǒng)

茅文銘 劉思嘉

（常州華達科捷光電儀器有限公司 江蘇省常州市 213002）

1 應(yīng)用背景

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行對實際國計民生非常重要，輸電和配電中的設(shè)備發(fā)熱將引起設(shè)備故障、停電，甚至爆炸。不僅停電故障會對日常生活造成嚴(yán)重影響，另外電力維護人員長期工作在最前線，設(shè)備故障檢修有可能直接危及他們的生命安全，所以當(dāng)前非常有必要對電力設(shè)備測溫技術(shù)進行革新。尤其是最近幾年紅外圖像技術(shù)獲得了突破性進展，已經(jīng)在化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域獲得了很多實際應(yīng)用，伴隨著傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)以及光纖通訊等技術(shù)的進一步革新，智能電網(wǎng)相關(guān)控制技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)在大量開展。

輸電線路由于長期受室外天氣以及用電負(fù)荷的影響，部分設(shè)備存在使用時間久，設(shè)備老化等情況，巡檢的工作量大。同樣配電柜是保障電力可靠供應(yīng)的重要設(shè)備，由于其設(shè)計緊湊、操作方便等特點，在配電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。由于配電柜主回路存在高電壓、過電流的情況，容易導(dǎo)致變壓器過載或者電氣接頭高溫老化而造成接觸失效，甚至引發(fā)配電故障[2]。因而對配電柜內(nèi)的關(guān)鍵部位的溫度監(jiān)測顯得尤為重要。

當(dāng)前，輸電和配電的溫度監(jiān)測使用最為廣泛的是基于熱敏電阻的方法。由于熱敏電阻是接觸式單點測溫，實際需要布置多個測溫?zé)崦魝鞲衅鳎斐涩F(xiàn)場的布線比較困難，出現(xiàn)溫度異常后，排查故障維護起來也很困難。

以下為現(xiàn)在配電柜測控的典型拓?fù)洌▓D1）。

圖1： 配電柜測控典型拓?fù)?/p>

若干測溫傳感器的溫度數(shù)據(jù)通過接入有線電力參數(shù)監(jiān)測儀表或者短距離無線終端，電力參數(shù)儀表同時還采集三相電壓、電流、功率、頻率、諧波等參數(shù)，通過RS485 通訊方式將上述多種參數(shù)傳遞給DTU。DTU 采集溫度、電力、濕度等多種數(shù)據(jù)，然后通過4G 通訊卡將所有數(shù)據(jù)發(fā)送給云端服務(wù)器，終端用戶可以通過手機APP 以及PC 有線網(wǎng)絡(luò)實時獲得這些數(shù)據(jù)以及狀態(tài)信息。紅外測溫傳感器采用非接觸式的溫度測量，該傳感器可以同時實時采集寬視場角范圍內(nèi)的陣列式多測溫點的溫度和圖像數(shù)據(jù)，在電力行業(yè)的使用越來越廣泛[3]。

2 雙光紅外熱像儀的云測溫系統(tǒng)

2.1 紅外溫度傳感器的工作原理

紅外溫度傳感器是溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的底層感知設(shè)備，直接決定了信息采集的準(zhǔn)確性與可靠性，因而對于溫度監(jiān)控系統(tǒng)至關(guān)重要。紅外探測器是紅外溫度傳感器的主要部件，紅外探測器的基本工作原理：被測物體輻射出的紅外光被鏡頭所接受，而被送至紅外探測器，紅外探測器將攜帶著溫度信息的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后再生成與熱輻射信號成正相關(guān)的紅外圖像，從而直觀地顯示出被測物體的溫度信息。同時，溫度監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)紅外熱像圖還能計算出熱點溫度，并實時輸出電氣接頭的熱點溫度，并給出其歷史趨勢曲線，供運維人員檢修決策使用[4]。

2.2 配電柜紅外云測溫系統(tǒng)架構(gòu)

目前用于配電柜的紅外探測器，通常采用邁來芯（Melexis）模組。該模組采用熱電堆技術(shù)，通過I2C 傳輸數(shù)據(jù)，測溫像素低（典型為32×24），測溫雖可以滿足±2℃精度，但是圖像質(zhì)量很差。該模組性價比很高，在很多低端要求的場合，已經(jīng)有很多應(yīng)用案例[5][6]。

本設(shè)計采用氧化釩非制冷紅外焦平面探測器，圖2所示為配電柜紅外云測溫系統(tǒng)圖。主要由在線式雙光熱像儀，支持RS485 通訊的各類傳感器和控制設(shè)備，熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器，云管理服務(wù)器，WEB 管理后臺和手機運維APP 組成。

圖2： 配電柜紅外云測溫系統(tǒng)架構(gòu)

各部分的工作原理、特點及模塊之間的通信方式詳細(xì)闡釋如下。

2.2.1 在線式雙光熱像儀

核心感知設(shè)備---IN-2I 在線式雙光熱像儀

關(guān)鍵參數(shù)如下：探測器分辨率256×192，幀頻30Hz，鏡頭3.2mm，視場角56°×42°，測溫范圍-20℃～550℃，精度±2℃，支持的測溫區(qū)域最多16 個。

IN-02I 的通訊關(guān)鍵參數(shù)如下：POE 供電，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持TCP、UDP、RTSP、HTTP 等，接口協(xié)議支持GB28181，Modbus TCP，MQTT 等。

此外配置200 萬像素可見光相機，輪廓提取算法疊加進紅外圖像增強細(xì)節(jié)。圖3 為在線式雙光熱像儀實物圖。

圖3： 在線式雙光熱像儀

熱成像的可遠(yuǎn)距離、非接觸式測溫特點，不改變被測物結(jié)構(gòu)，全畫面多區(qū)域測溫，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)；小尺寸大視場角設(shè)計，不挑應(yīng)用場景，近距離也可監(jiān)測大范圍；配置LED 補光燈，黑暗環(huán)境補光監(jiān)控。

POE 供電，僅需連接網(wǎng)線減少模組供電線路布設(shè)；由于支持高速以太網(wǎng)通訊，所以IN-02I 通過交換機進行本地組成局域網(wǎng)絡(luò)，連接到熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器。

圖像效果較現(xiàn)有的Melexis 技術(shù)方案明顯清晰，缺點是價格較高。

2.2.2 支持RS485 通訊的各類傳感器和控制設(shè)備

主要包括電力參數(shù)儀表，濕度、空氣濃度等檢測儀表，還包括風(fēng)機以及斷路器等控制設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)溫度報警時，風(fēng)機會主動運行用以降溫，如果溫度持續(xù)上漲達到安全極限，斷電器主動觸發(fā)停止供電防止設(shè)備損壞。這些設(shè)備均基于RS485 通訊，是熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器的從設(shè)備。

2.2.3 熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器

熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器定時(譬如每5 分鐘)讀取各個IN-02I 的測溫數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)通過4G 卡定時發(fā)到云管理服務(wù)器。

對于溫度、電參數(shù)等數(shù)據(jù)，用戶需要實時不間斷監(jiān)控；而對于圖像數(shù)據(jù)來說，終端用戶只關(guān)心出現(xiàn)故障報警前后的圖像，溫度正常下的圖像數(shù)據(jù)是無效的。由于紅外圖像的數(shù)據(jù)量很大，通常為幾MB，定時傳輸圖像數(shù)據(jù)將造成過多的4G 流量費用。所以定義的邏輯是當(dāng)出現(xiàn)溫度報警后，同時抓拍第一張紅外圖片和可見光圖片，然后上傳到云管理服務(wù)器。

熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器是為在線熱像儀測溫云監(jiān)控系統(tǒng)專門開發(fā)的本地主控設(shè)備，內(nèi)嵌Ubuntu 系統(tǒng)，至多支持8 臺IN-02I。

IN-02I 自帶的Modbus TCP 只支持傳輸溫度，不支持傳輸圖像。雖然MQTT 協(xié)議同時支持圖像和溫度數(shù)據(jù)的傳輸，但是IN-02I 自帶的固件只支持MQTT 客戶端功能，為了實現(xiàn)將可選擇的紅外圖像和可見光圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆乒芾矸?wù)器，需要在熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器移植MQTT 服務(wù)器功能。筆者基于瑞芯微RK3128 的軟硬件平臺，成功移植和實現(xiàn)該項功能。

圖4 為熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器實物圖，還預(yù)留了HDMI和USB 接口。

2.2.4 云管理服務(wù)器

熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器通過4G 通訊卡接入云管理服務(wù)器。管理人員登入云服務(wù)器訪問界面，第一次用戶需要注冊。根據(jù)熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器外殼上的二維碼，通過序列號參數(shù)進行捆綁，并且可以根據(jù)其安裝實際定位位置設(shè)置其名稱，設(shè)置相應(yīng)運維人員名字、手機號以及所屬公司，然后配置相對應(yīng)的IN-02I 的依據(jù)IP 地址和實際對應(yīng)名稱。

同時可以配置數(shù)據(jù)的讀取刷新時間（默認(rèn)5 分鐘）和溫度報警觸發(fā)值、報警時間間隔等等。

2.2.5 Web 管理后臺和手機運維APP

Web 管理后臺是專用于在線熱像儀測溫云監(jiān)控系統(tǒng)的后臺管理程序，包含運維人員管理、設(shè)備管理、溫度數(shù)據(jù)中心、實時獲取、報警中心等模塊，具體功能模塊介紹如下：

（1）首頁用于顯示報警信息、管理設(shè)備概況、歷史溫度曲線等綜合緊要信息；

（2）運維人員管理頁面用于子賬戶管理，權(quán)限分配，運維設(shè)備分配；

（3）設(shè)備管理頁面可以配置系統(tǒng)安裝地點，綁定監(jiān)測對象，設(shè)置報警溫度等；

（4）溫度數(shù)據(jù)中心頁面用于展示每一臺測溫終端的歷史測溫數(shù)據(jù)及測溫曲線；

（5）實時獲取頁面可以實時獲取到監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)圖片及溫度信息；

（6）報警中心頁面展示報警地點，報警設(shè)備及實時的溫度信息。同時展示接入的其他傳感數(shù)據(jù)。

如圖5 所示，手機端APP 是授權(quán)于終端用戶以及現(xiàn)場運維人員使用的熱成像監(jiān)控管理APP，APP 集合了設(shè)備管理、報警參數(shù)設(shè)置、查看歷史溫度曲線、獲取實時監(jiān)控狀態(tài)、推送報警信息、查看并處置報警的功能。是一款服務(wù)于本系統(tǒng)的移動軟件，確保了報警信息的及時推送和處理，終端用戶登入APP，通過手機號注冊，掃描熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器外殼的二維碼，就可以通過手機號與其進行捆綁，一個手機號可以捆綁多個熱成像數(shù)據(jù)服務(wù)器，一旦捆綁成功，該信息將同步到云管理服務(wù)器。

圖5： 手機端APP

當(dāng)發(fā)生溫度報警時，APP 主動推送報警信息告知用戶，并且打開APP 時可以查看觸發(fā)溫度報警時的首張紅外圖片和可見光圖片。

3 用戶現(xiàn)場實例

實際選取某市的某一工業(yè)園區(qū)的配電柜。溫度監(jiān)控點為變壓器次級端和電壓母線開關(guān)。一個配電柜使用4個IN-02I 進行組網(wǎng)，2 個監(jiān)測變壓器，2 個監(jiān)測母線開關(guān)。

在線式雙光熱像儀是廣視角陣列式測溫，可以在整張圖像上獲取多個可配置區(qū)域的溫度，從而計算出中心溫度，平均溫度，最高溫度等數(shù)據(jù)。

圖6 為在云管理服務(wù)器終端查到的母線電壓某一監(jiān)測點在一周內(nèi)的平均值，最大值和最小值及其溫度曲線。

圖6： 母線電壓溫度曲線

配電柜內(nèi)實際的溫度監(jiān)測范圍為0～200℃，經(jīng)過與現(xiàn)場其他熱電阻的測溫傳感器的精度對比，紅外傳感器的測溫精度達到±2℃，同時圖像也很清晰。

由于IN-02I 其卓越的無接觸式的多點測溫外加雙光圖像功能，在實際應(yīng)用已經(jīng)安全優(yōu)于現(xiàn)有的接觸式測溫，同時通過云端和手機APP 端監(jiān)測機制，當(dāng)出現(xiàn)溫度預(yù)警快速通知運維人員去現(xiàn)場，直觀看到問題點并準(zhǔn)確進行故障定位，可以幫助實現(xiàn)可靠、精確地查明故障根源，便于運維人員快速找出解決方案，極大地減少了運維的人力和維修成本，完全滿足實際電力系統(tǒng)輸電和配電現(xiàn)場溫度監(jiān)測的需求。

4 總結(jié)

紅外熱像儀可以通過數(shù)據(jù)處理顯示成特有的偽彩圖像，明確清晰地展示各個測溫點的溫度數(shù)值。

本監(jiān)測系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，無需依賴現(xiàn)場搭建局域網(wǎng)絡(luò)；可通過手機或Web 隨時隨地獲取設(shè)備的實時監(jiān)測信息，查看設(shè)備現(xiàn)場狀態(tài)；可見光/熱成像雙光圖像判斷機制，提高了魯棒性；配置RS-485 接口，可以拓展其他類環(huán)境傳感器；可以與應(yīng)用場景聯(lián)動提供報警輸出；集成務(wù)實的4G 省流策略。整套技術(shù)方案也體現(xiàn)了“智能電網(wǎng)”的要求，整個監(jiān)測系統(tǒng)可以擴展應(yīng)用到室外輸電線路監(jiān)測，動力鋰電池監(jiān)測等其他有安全要求，需要嚴(yán)格監(jiān)測溫度的應(yīng)用場景，為此有著巨大的實際實用價值。