變電站智能紅外熱像無人監控系統運用分析

遼寧大唐國際沈東熱電有限責任公司 程忠輝 王天慧

1 智能紅外熱像無人監控系統功能分析

1.1 監控與測溫功能

為了更好的獲得測溫數據，生成溫度變化圖像，紅外熱像系統利用自動對焦技術，系統終端能夠對客戶端進行遠程操控，完成自動對焦，可防止電動鏡頭長時間運行出現的對焦不清晰問題。系統使用WST技術降低了風速對溫度監測的影響，聯合ETT技術補償各種介質對紅外信號的影響，加強了對變電站內所有設施的溫度監測效果。

1.2 自動巡航與報警功能

需對變電站展開無人值守操作時，可直接按巡航按鈕，此時系統切換到了自動監測的工作狀態，可對各個區域開始巡航掃描。比如針對某個區域內的變壓器，先在區域內設定報警上限值，如系統檢測此時變壓器的溫度已超過了上限值將會立即發出報警。如果溫度正常系統會繼續向一個區域巡航、并在該區域停留幾分鐘，將區域內的實際溫度數據提交到熱像服務器中，方便監控室內工作人員及時查看設備溫度值，以此作為設備故障診斷的重要參數。按照變電站的實際情況，每隔一小時系統就會將巡檢機器人內預置點采集到的數據傳入數據庫。

1.3 一鍵切換功能

系統自動巡航如發現有設備出現異常時，可將自動巡檢切換為現場分析模式，或通過報警信息進行故障定位，找出故障具體位置，等待故障診斷與分析；診斷分析功能。利用圖像分割完成電氣設備的有效劃分，從中采集檢測數據，設備識別可依據圖像與設備之間的映射關系。系統在監測區域內需對所有設備進行識別，由于不同設備的報警溫度不同，某個設備溫度超限時須及時找出具體設備，因此紅外熱像系統須立即查詢到設備，再將設備實時溫度提交給系統管理人員，工作人員判斷設備當前運行狀態，了解設備是否存在過熱問題或者故障，以便及時完成故障處理[1]。

2 智能紅外熱像無人監控系統整體架構

2.1 數據采集

系統共分為三個模塊，其中監測模塊由多個節點組成，節點內又包含紅外熱像儀、攝像頭、溫度感知模塊等部分，這些設備負責采集與處理數據，在云臺上搭建攝像頭，系統依靠云臺的運動完成設備掃描。數據采集包含設備紅外視頻流與溫度數據，處理處理包含區域分割和發熱區域檢測等。服務器模塊負責接收節點溫度異常數據，再將數據存儲到數據庫內，客戶端通過網絡查詢異常信息。系統的數據采集部分主要以物聯網為基礎，獲取變電站內設備的可見光與紅外視頻流，采集溫度信息，溫度傳感器和MCU連接，經過串口將溫度傳遞到工控機。紅外熱像儀與攝像頭在網線的作用下連接工控機，每相隔5s工控機就會獲取一次數據。

2.2 數據處理

采集了節點數據之后，工控機先對數據展開本地處理，隨后上傳至服務器，減輕數據傳輸壓力。隨后系統在紅外圖像內分割設備區域，以此作為檢測區域，根據環境當前溫度信息進行紅外圖像的發熱檢測找出異常區域，對區域準確定位，經過檢測算法的應用完成數據處理，得出故障結論。

2.3 數據的傳輸

主要有兩部分，一部分是節點與服務器的數據傳輸，工控機向服務器提出申請后確立Socket連接，雙方確立連接端口，數據傳輸時服務器將接收到的數據存儲于數據庫內；另一部分指的是客戶端與服務器的數據傳輸，客戶端向服務器提出申請、確立連接，客戶端查詢數據時向服務器發送參數，服務器尋找符合條件的數據并將結果顯示在客戶端。如果變電站內有電力設備異常發熱，或接下來可能會異常發熱，此時服務器也會向客戶端發出信號。

3 變電站智能紅外熱像無人監控系統的運用分析

3.1 系統軟件設計

變電站監測節點軟件設計。監測節點是紅外熱像監控系統的一部分，主要負責對數據進行采集與處理，設備故障的產生會伴隨異常發熱，所以系統須實時監測設備溫度，檢測異常發熱區域。工控機間隔5s就會獲得一幀紅外圖像，先分割發熱區域再對區域展開異常檢測，如發現異常發熱的情況還需進一步檢測區域內參數，獲得異常區域坐標、面積、溫度、溫差等數據，經過紅外和可見光圖像的相互匹配，完成發熱精確定位，再將數據上傳到服務器內，向系統客戶端提交報警信號。

客戶端軟件設計。包含以下模塊：異常信息更新模塊。節點檢測到設備發熱異常時將信息上傳到服務器，并在系統客戶端內顯示，數據會實時更新，將異常情況以報警信號的形式提交給客戶端；異常預警模塊。節點經過視覺標簽對區域持續監測，同時分析異常區域溫度的變化趨勢，在產生溫度異常之前向服務器與客戶端發出預警信號，以便采取控制措施；異常信息詳情模塊。對異常詳細信息集中顯示，如紅外異常檢測圖與具體參數等；異常查詢模塊。系統操作人員可向服務器提出申請，查詢自己需要的異常信息參數。

3.2 檢測算法的設計與實現

3.2.1 異常發熱區域分割檢測

提取設備異常區域作為檢測區域，再對其中的設備展開發熱檢測分析。需先進行設備區域提取，按照紅外圖像在成像方面的特點，發熱目標區域灰度值更高，使用模糊C均值算法完成設備與非設備區域之間的自動分割。以往的FCM算法耗時長，無法滿足設備在線監測的需求，為達到實時監測目的決定采用模糊C均值算法：對數據集進行精簡處理，統計圖像灰度級，將相同灰度級作為子集代入計算，減少運算量，也提升圖像的分割效率。

對聚類中心進行優化處理，將灰度統計的直方圖分為兩部分，要求兩部分像素數保持相同，劃分點對應的灰度級是q，定義類中心目標函數f=α(pi/H1+pj/H2)+β(xj-xi)/x，i與j代表的是像素灰度級，其中0≤i＜q，q＜j≤255，pi為i的像素數，pj為j的像素數；H1和H2指的是這兩部分的像素總數；xi和xj指的是i和j相應的灰度值，其中x是最大灰度級；α與β是相應的權值，α=0.4，β=0.6，這樣能夠讓f最大時的i和j成為聚類中心相對應的灰度級。

關于鄰域相關性約束，采用高斯函數進行像素賦權值分析，再對隸屬度加權平均，以此獲得像素隸屬度：ukmn=h(x,y)ukxy，ukmn指的是像素隸屬度；m為像素點的橫坐標，n為像素點的縱坐標；k是所屬類別。其中x∈（m-1,m+1），y∈(n-1,n+1)；h（x,y）=1/(2πσ2)exp(-(x2+y2)/(2σ2))作為高斯核函數，σ取值0.8,鄰域選擇3×3鄰域。圖像分割后改進后的算法能讓變電站設備區域更加完整。

3.2.2 異常發熱區域精確定位

電力設備的缺陷等級分為一般、重大、緊急缺陷三種。按照相應標準與紅外診斷技術要求，在紅外熱成像的同時產生偽色彩溫度映射表，訪問灰度值，再利用映射表獲取像素點的實際溫度，根據環境內的溫度信息進行發熱異常檢測。該過程可檢測出異常發熱區域坐標、面積、最低最高溫度、溫差等參數。

由于紅外圖像的分辨率較低，成像較模糊，而可見光圖像的成像符合人眼視覺要求且分辨率更高，所以經可見光圖像映射后的紅外圖像可對區域進行精確定位。二者安裝位置不同，需對圖像做好配準處理。先對紅外圖像和可見光圖像進行灰度化處理，獲得兩個灰度圖像，再采用邊緣檢測方法得到邊緣圖像。使用SURF算法進行邊緣圖像檢測獲取特征點，得到特征集，對特征集內的點尋找距離最短的兩個點，如果最近距離除以次近距離的結果低于0.7閾值可接受該匹配點。采用最小二乘法計算仿射變換矩陣，將檢測的異常發熱區域經過矩陣映射在可見光圖像內，完成對區域的精準定位。

3.3 關鍵技術特點

結合變電站所在的特殊環境以及技術要求，紅外熱像系統的規模應按照電網區域范圍與變電站數量組合來定義，局端能對下屬所有設備展開遠程紅外視頻監控，采用多級組網的方式建立大規模紅外無人監控網絡。在集控中心設置不同區域監控中心，在調度中心設置主控中心，以專業在線紅外熱像儀為溫度檢測探頭，配置數碼攝像槍，利用相應軟件完成變電站帶電設備的自動檢測與預警，智能分析設備當前溫度情況。在變電站各個角落設置監控頭，完成對設備的紅外圖像監測，圖像和數據接入內網，用戶使用軟件即可查看。

紅外熱像系統在變電站內的關鍵技術應用呈以下特點：紅外熱像儀性能優越，安裝簡便，可先進入傳輸系統，保障現場數據信息的實時傳輸。采用圖像分析算法，系統只需1個IP地址即可，帶寬為10Mbps，系統運行時不會產生延遲，可有效降低對帶寬的占用；系統支持多人異地同時監控，軟件使用效率高，可智能識別設備溫度異常，完成自動報警后系統將會生成故障分析報告；紅外熱像系統將會依據設備的異常發熱狀況對設備展開紅外診斷，判斷故障類型再生成不同級別的故障分析報告；系統可對監測目標產生歷史最高或最低溫度、平均溫度數據匯總曲線圖，方便對設備運行狀態與變化趨勢實時了解，從而及時發現問題。

紅外成像系統具有高度智能巡航功能，系統內配置了自動溫度與濕度調控裝置，可按照變電站現場設備采集到的溫度與濕度信息對數據有效校正，再將數據同步到紅外熱像儀內生成參數報告，提高熱像儀測溫的精確度。此外系統還具有智能報警功能，可根據設備的實際異常發熱情況，依據紅外診斷的操作規范完成相應故障等級的報警，以便用戶及時了解故障情況，針對不同的缺陷等級采取有效解決措施。

3.4 紅外熱像檢測機器人的應用

基于紅外測溫與熱成像功能的變電站巡檢機器人適用于用電高峰時期，該時期變電站內的設備易過載過熱。機器人安裝紅外熱成像儀可對指定區域內的設備溫度進行實時監測，如監測到的溫度超出閾值，機器人將會發出報警并將將故障信息發送到系統后臺，以便人員及時處理。紅外成像無人監測系統主要包含巡檢機器人與固定監測點兩部分，機器人高度為1.2m、重量在80kg左右，云臺水平活動范圍為±180°，垂直方向活動范圍為±90°，系統可在最低零下30℃和最高零上50℃的環境中工作。機器人集成可見光與紅外熱成像設備，底部采用驅動輪，支持轉向與移動操作。

提前做好變電站巡檢地點與網絡的部署，改造巡檢機器人的工作路線，做好臺階轉為斜坡和拓寬路面的調整。機器人采集到的紅外熱圖像可精準的展示設備當前溫度分布情況，與實際溫度的差距在1℃以內，測溫功能較好。當光照條件與儀表位置符合的情況下，機器人能夠拍攝變電站設備狀態與儀表狀態，工作人員在后頭可查看儀表讀數。系統具有巡檢功能、噪音識別功能，經長期運行可提升變電站巡檢工作的技術價值。

3.5 基于紅外測溫的開關柜溫度監測系統應用

紅外熱像監測系統的工作重點是經過一定數量的紅外熱成像儀，采用電網輔助系統對開關柜當前的溫度情況進行實時監測，而且并不會對設備造成干擾影響。紅外測溫技術有著較強的容錯性，防止系統運行期間出現崩潰的問題。紅外熱像監控系統能對變電站的圖像信息進行監測分析，確保圖像信息的獲取，能對所有開關柜的紅外歷史圖像進行回放。通過對溫度信息的實時分析，展現存儲熱成像的功能，強化系統自身無人自動巡檢的功能，并在提前設定的間隔時間內做好全變電站監控點的圖像巡檢分析，從而保證監測工作的時效性，任意設定監測對象。

紅外溫度監測系統能將采集到的紅外熱像處理成具體的溫度信息并制成生產圖表報告。系統包含：測溫探頭。其與計算機相連接，利用RS485連線將熱成像數據傳遞到系統內部；溫度監測子系統。紅外傳感器內置非接觸式溫度感應芯片，可進行-40～125℃的測溫。將系統放置在變電站高壓開關柜內，對三相電纜接頭溫度進行監測分析，經過監測得知電纜溫度始終處于預期范圍且系統終端沒有收到報警信號，說明開關柜溫度正常，沒有任何異常情況。