端子熱成像檢測系統(tǒng)工藝研發(fā)方案

◇大連科技學院交通運輸學院 毛俊 鄭欣宇 李怡萱

隨著我國基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，變電、用電負荷逐年增加，配電柜的安全穩(wěn)定運行以及可靠性十分重要。通過基于目前先進的紅外熱成像技術(shù)的非接觸式測溫系統(tǒng)，集紅外、可見光及智能算法于一體的配電柜接線端子熱成像檢測系統(tǒng)，有效辨別配電柜排線接頭的過熱及短路造成的火災事故隱患，同時檢測其溫度走向進行前期預判，為電力設(shè)備運行提供有力保證。紅外熱成像技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)對目標物體進行實時觀測，同時是根據(jù)目標設(shè)備的紅外輻射探測來捕獲目標的圖像技術(shù)[1]。我們提出了一種電氣化設(shè)備紅外圖像自動分析及處理方法，對配電柜中的特定電氣化設(shè)備過熱現(xiàn)象進行溫度監(jiān)測及故障判別，實現(xiàn)了故障診斷領(lǐng)域中追求的高效和精準。

1 應用背景介紹

配電柜是電動機控制中心的統(tǒng)稱。它應用在回路較少、負荷比較分散的場合；把上一級配電設(shè)備某條電路的電能就近分配給負荷。這級設(shè)備應負責保護、監(jiān)視和控制負荷，采用溫度識別方法用比色程序?qū)Ρ粰z電氣化設(shè)備進行溫度分析，并算出各個溫度區(qū)域的總面積。相對溫度識別方法既能科學讀出故障的嚴重程度，又方便準確可計算。相位拓撲矩陣可對故障進行自動定位，改進了設(shè)備缺陷。根據(jù)國家標準，應用不同的算法識別，形成了互感系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)、套管的故障診斷完整流程，以此實現(xiàn)對配電柜中的故障設(shè)備進行監(jiān)測和診斷[2-4]。

2 端子熱成像檢測系統(tǒng)的設(shè)計及檢測原理

2.1 硬件設(shè)計

板卡的組成。板卡主要由：CPU、OV2680-26P-200萬像素可見光攝像頭、Xmodule-S0系列212-90W超廣角紅外攝像頭模組、HTU20D(F)數(shù)字溫濕度傳感器（板載溫濕度采集）、XR819的WIFI模塊、外界電池模塊、DC-DC電源、USB等組成。

2.2 軟件設(shè)計

（1）通信協(xié)議。

考慮到設(shè)備的實際應用場景，通信協(xié)議采用無應答式傳輸方式，即設(shè)備工作后，自動通 過wifi模塊向外界輸出信息。為了簡化設(shè)計，wifi輸出時采用固定幀長度方式，可配置，這樣方便接收和解析。另外周期性發(fā)送配置信息（主要為輸出圖像的分辨率），暫定為1FPS，可配置，間接性的起到心跳報文的作用。結(jié)果信息和圖像輸出的幀率可配置，暫定為1FPS。

a、根據(jù)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，可以制訂如下通信協(xié)議：

b、通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

c、載荷數(shù)據(jù)格式。

如果為非圖像數(shù)據(jù)，那么載荷數(shù)據(jù)都是有效載荷；如果為圖像數(shù)據(jù)（包括紅外、可見光及融合圖像），那么載荷數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表2 載荷數(shù)據(jù)格式

（2）設(shè)備端應用程序設(shè)計。

設(shè)備端應用程序由多個線程組成，具體包括紅外圖像采集、可見光圖像采集、雙光融合算法、WIFI無線發(fā)送[5]、看門狗監(jiān)控線程。

a、圖像采集線程。負責按照系統(tǒng)指定的顯示幀率要求，周期性采集紅外和可見光圖像（兩個并行的線程），并采用幀循環(huán)緩沖（其大小默認為3幀）的機制，送雙光融合線程進行融合算法處理。

b、雙光融合線程。利用IHS變換將已經(jīng)經(jīng)過校準的可見光圖像分解成I、H、S三個相關(guān)性很低的分量，將其飽和的亮度分量I進行與紅外圖像單獨處理，選用2層的小波變換分解，得到圖像在不同分辨率下的代表不同信息的高低頻分量，再對得到的低頻分量采用平均值法，高頻利用絕對值取大進行融合，對新的高低頻分量實現(xiàn)小波重構(gòu)后通過IHS逆變換得到新的I分量與原始圖像H、S融合后得到新的圖像處理結(jié)果，另外根據(jù)顯示的需要，對融合后的圖像進行裁剪，然后將裁剪后的圖像放在輸出幀循環(huán)緩沖區(qū)（其大小默認為3幀）里面，供WIFI無線發(fā)送模塊使用。

c、WIFI無線發(fā)送線程。從雙光融合線程獲取到融合后的圖像數(shù)據(jù)，然后按照約定的通信協(xié)議，經(jīng)由WIFI模塊將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

d、看門狗監(jiān)控線程。對應用程序進行監(jiān)護，并實現(xiàn)一些低優(yōu)先級的輔助功能。

（3）PC端平臺軟件設(shè)計。

該設(shè)計利用QT、C#、VS等軟件，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、解析、圖像數(shù)據(jù)拼接及顯示等功能。

a、數(shù)據(jù)接收及解析。結(jié)合使用場景，將接收做得穩(wěn)定可靠，盡量減少數(shù)據(jù)丟失。將設(shè)備端傳輸過來的數(shù)據(jù)接收下來后，按照協(xié)議解析一下，獲得檢測結(jié)果數(shù)據(jù)、配置信息數(shù)據(jù)及各種圖像數(shù)據(jù)。

b、圖像數(shù)據(jù)拼接。考慮到傳輸模式，檢測設(shè)備在輸出圖像幀時，采用切片傳輸方式，即將一幀完整圖像切片成多個子幀發(fā)送，每次接收到的圖像數(shù)據(jù)只是一幀完整圖像的一部分。當所有子幀圖像數(shù)據(jù)接收完以后，就可以組合為一幀完整圖像幀數(shù)據(jù)。

c、圖像拼接。由于檢測設(shè)備的視角問題，一個檢測設(shè)備并不能監(jiān)控到整個高低壓配電柜，而是需要多個檢測設(shè)備配合完成一個高低壓配電柜的監(jiān)控功能。因此，需要將多個檢測設(shè)備的多路輸出一同顯示到監(jiān)控平臺上，此時就牽涉到一個圖像拼接。

檢測設(shè)備圖像輸出采用插花的YUV422格式，即數(shù)據(jù)排列為YUYVYUYVo每個檢測設(shè)備輸出的圖像為條狀矩形區(qū)域，有點類似于下面左側(cè)的3副小圖。而圖像拼接的作用就是將左側(cè)的3幅小圖拼接為右側(cè)的完整圖像，以便于顯示（圖1）。

圖1 拼接效果圖

2.3 檢測原理

（1）特征圖譜判別法。

在運行的過程中，無論是哪一種電力設(shè)備，其表面都有固定的發(fā)熱溫度。特征圖譜判別法就是熱像圖特征判斷法，很適用于電壓致熱型電力設(shè)備。特征圖譜判別法主要是比對正常與故障兩種現(xiàn)象下的熱像圖，若是差別較大則判斷此部分可能存在故障，沒有較大差別則表示設(shè)備運行正常，在排除如環(huán)境色彩或是陽光光線等干擾因素后，精準判斷出此種電力設(shè)備的運行狀態(tài)[6]。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸原理。

完全集成的WLAN解決方案：大功率PA；收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)；內(nèi)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；0FDM/CCK PHY處理器；SDIO2.0主機接口支持6Mbps至65Mbps；OFDM具有并發(fā)操作的WiFi直接支持，支持MAC增強。XR819芯片特點：兼容ieee.802.11 b/g/n標準時鐘：從13～52MHz輸入xtal.或外部參考時鐘；內(nèi)部或外部32.768千赫低功率時鐘；片上自動校準。智能自適應功率控制：節(jié)約用電；容忍VSWR變化以保持 EVM性能。

（3）設(shè)備工作流程。

設(shè)備通過各個紅外傳感器采集對應檢測點的溫度數(shù)據(jù)，通過WIFI上傳的數(shù)據(jù)，如若發(fā)現(xiàn)有采集的環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定的閾值并達到報警條件，設(shè)備會點亮報警指示燈和驅(qū)動蜂鳴器報警電路從而產(chǎn)生聲光報警提醒相關(guān)人員。

對于傳輸距離較遠或周圍干擾比較強烈的環(huán)境，可以通過“熱成像檢測終端”+“中繼模塊”+“無線網(wǎng)關(guān)”；增加“中繼模塊”的方式達到增加傳輸距離和傳輸質(zhì)量的目的；上位機顯示終端可以通過無線網(wǎng)或者有線網(wǎng)絡(luò)接收前一級傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，并在對應顯示界面顯示。顯示終端收到的數(shù)據(jù)流中包含視頻流，報警信息等。

2.4 現(xiàn)狀分析

我國輸配電設(shè)備及開關(guān)設(shè)備的市場容量按照我國年新增裝機容量1500萬kW。

2000年，新增裝機容量達2000萬kW。加上老電網(wǎng)設(shè)備更新改造，高壓開關(guān)設(shè)備市場容量可達180億元。

配電柜產(chǎn)業(yè)涉及保安報警服務(wù)、CCTV監(jiān)控、防盜報警、樓宇對講、智能家居、生物識別、智能交通等諸多領(lǐng)域?qū)ζ涞谋Ｗo也是不可忽視的[7-8]。

3 應用前景及優(yōu)點

3.1 應用前景

本項目主要針對于配電柜安防市場，目前我國輸配電設(shè)備及開關(guān)設(shè)備的市場容量逐年劇增，變相推動了配電柜安防市場應用需求的與日俱增，對于安防產(chǎn)品技術(shù)要求日益提升，端子熱成像系統(tǒng)這個項目應運而生。

3.2 項目優(yōu)點

項目采用熱成像檢測技術(shù)，利用溫度既可以科學地讀取出故障的嚴重程度，又可以精準方便的計算。結(jié)合計算機程序算法，使用相位拓撲矩陣對故障進行自動定位，更加智能便捷化。所需器件較小，方便攜帶，應用廣泛實用價值高。

4 結(jié)束語

基于紅外檢測技術(shù)，采用特征圖譜判別法對檢測形成的圖像進行分析，自動完成設(shè)備的檢測與高溫預警，實現(xiàn)了半自動化操作且提高了工作效率，節(jié)省了人力物力資源，同時減少了人為誤差，但此系統(tǒng)還存在一些令人不滿意的地方，例如受外部環(huán)境或其他因素影響，后期在系統(tǒng)抗干擾和穩(wěn)定性等方面還可以進一步改進提升。