基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計

溫啟良，文華

（南方電網(wǎng)深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣州深圳 518055）

我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對安全、穩(wěn)定的需求也日益增加，電力變壓器在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是現(xiàn)代電氣設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其安全問題直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，所以要時常對其進(jìn)行故障檢查[1-2]。當(dāng)前采取較多的檢測方式為預(yù)防性檢測，定期更換設(shè)備，但是這種方式會導(dǎo)致檢測成本增加，并且如果檢測不及時，就無法確定變壓器是否存在的絕緣缺陷和潛在故障[3-4]。

針對電力變壓器檢測這一問題，相關(guān)學(xué)者做出了較多的研究，通常使用較多的檢測方法分別為：1）局部放電檢測：該方法通過分析變壓器的局部放電情況確定老化原因，尋找變壓器故障位置；2）局部過熱檢測：該方法通過分析變壓器內(nèi)部的溫度，確定過熱故障[5-6]；3）介質(zhì)損耗檢測：該方法主要是通過分析絕緣介質(zhì)的內(nèi)部損耗率，分析電流相位差，確定變壓器的運(yùn)行狀況。

該文采用局部過熱檢測法設(shè)定變壓器故障檢測系統(tǒng)，通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。

1 紅外檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

紅外檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案中，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1 可知，紅外熱像儀、中心控制計算機(jī)、監(jiān)測云臺三部分為系統(tǒng)主要組成部分，該文重點(diǎn)研究此三個硬件模塊設(shè)計。

1.1 紅外熱像儀

紅外熱像儀是一種利用紅外線熱成像技術(shù)，對目標(biāo)設(shè)備所產(chǎn)生的肉眼不可見的紅外能量進(jìn)行探測，并且轉(zhuǎn)化為可被人識別的信息如電信號、數(shù)字信號、光信號等，形成具有走向趨勢辨別的熱圖像，人們可以通過熱圖像上面的不同顏色的走向趨勢來觀察對比目標(biāo)物體的不同溫度[7]。紅外熱像儀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

該文基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)的前端采集模塊依靠紅外熱像儀進(jìn)行實時的溫度數(shù)據(jù)采集，將實際探測到的熱量進(jìn)行精確的量化，通過自帶的傳輸介質(zhì)收集記錄每個時間點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分享與實時報備，并將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼傳輸?shù)街行目刂朴嬎銠C(jī)[8]。

1.2 中心控制計算機(jī)

中心控制計算機(jī)作為整體系統(tǒng)的中心模塊，首先將紅外熱像儀傳輸過來的經(jīng)過壓縮編碼的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與存儲，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，判斷不同熱量點(diǎn)的熱量呈現(xiàn)是否符合規(guī)定范圍，以及同一熱量點(diǎn)的不同時間段的熱量呈現(xiàn)是否安全[9-10]。基于物聯(lián)網(wǎng)的中心控制計算機(jī)的圖像上會實時顯示熱成像畫面的走勢圖，以此來實現(xiàn)對發(fā)熱故障部位的區(qū)域定位，工作人員根據(jù)屏幕上顏色和溫度的變化進(jìn)行初步的判定，同時將故障判斷的數(shù)據(jù)指令傳達(dá)到云臺[11-12]。

1.3 監(jiān)測云臺

負(fù)責(zé)監(jiān)測紅外熱像儀的云臺多為全方位云臺，內(nèi)部設(shè)有負(fù)責(zé)上下運(yùn)動和左右運(yùn)動的垂直電機(jī)和水平電機(jī)這兩個工作電機(jī)。監(jiān)測云臺結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測云臺結(jié)構(gòu)

云臺接收到中心控制計算機(jī)發(fā)出的指令后，通過解碼板進(jìn)行解碼，做出相應(yīng)的動作，找到故障點(diǎn)[13-14]。

三個核心硬件的有序分工運(yùn)作，使基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)故障點(diǎn)及時發(fā)現(xiàn)、及時檢測，并且能使操作人員根據(jù)接收到的信息對設(shè)備的運(yùn)行情況做出判斷，及時做出檢修調(diào)整，在解決故障問題上起到了高效率、高準(zhǔn)確性。

2 紅外檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程，共分為三個步驟，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

第一步：數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了將紅外熱像儀收集到的紅外成像具體化，可具體到熱成像圖片甚至具體到對應(yīng)數(shù)值。利用編程將紅外線熱像儀所輸出的圖像和溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集編程公式如式（1）所示：

其中，Eγ表示表面能發(fā)射率；A0δ-2為一個常值；τaγ表示實時光譜透射率；εγ表示熱量發(fā)散率；T0表示電力變壓器表面溫度；Tu表示環(huán)境溫度。

通過不同時間段監(jiān)測到的電力變壓器的表面溫度和實時的光譜透射率及變壓器自身的實時熱量發(fā)散率，可以算出各個時間段的紅外熱量數(shù)值，將數(shù)值進(jìn)行整理統(tǒng)計以便進(jìn)行圖像處理[15-16]。

第二步：紅外圖像處理。通過采集不同時間段的熱量數(shù)值，將灰度等級重組生成圖像數(shù)據(jù)形式，可以得到熱量分布表或者熱量走向函數(shù)曲線，并將結(jié)果顯示到顯示器上，紅外灰體表面溫度編程公式如式（2）所示：

其中，ε表示實時熱量發(fā)散率；γ表示測量距離；n表示不同波段的熱像數(shù)據(jù)值。

當(dāng)處于不同波段時，灰體表面溫度也不同，由于紅外輻射的高低和物體溫度高低成正相關(guān)顯示，使得溫度與物體灰度的映射關(guān)系相對應(yīng)，從而能夠同時測算出各種像素點(diǎn)所對應(yīng)的溫度。

第三步：溫度測量與顯示。根據(jù)前面兩個步驟計算出的紅外熱量數(shù)值、紅外灰體表面溫度數(shù)值，可以通過公式計算出電力變壓器表面的實際溫度，如式（3）所示：在知道電力變壓器表面發(fā)射率的情況下，可以通過式（1）和式（2）得到紅外熱量數(shù)值、紅外灰體表面溫度數(shù)值，基于物聯(lián)網(wǎng)特性可以實時更新數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出變壓器表面的實際溫度，由實際溫度與規(guī)定安全溫度范圍進(jìn)行對比，可以通過過高的溫度值檢測出故障問題的嚴(yán)重性。

3 實驗研究

為了驗證該文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)的實際工作效果，設(shè)計實驗如下。

在PC 機(jī)運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行實驗，應(yīng)用dBase 數(shù)據(jù)庫環(huán)境提高操作的方便性和簡潔性[17-19]，選用Oracle數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對實驗的實踐功能進(jìn)行監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)庫存儲內(nèi)部數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的管理能力，在與數(shù)據(jù)庫建立連接后[20]，將得到的結(jié)果寫入控制部件中，由顯示器展示得到的實驗結(jié)果。

該文設(shè)計的過熱故障檢測能夠同時進(jìn)行日監(jiān)控、周監(jiān)控和月監(jiān)控，利用時間跨度曲線完成設(shè)置，用戶根據(jù)自身需要完成數(shù)據(jù)周期選擇。選用該文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)對電力變壓器進(jìn)行檢測，得到的溫度繪制曲線如圖5 所示。

圖5 過熱檢測實驗結(jié)果

根據(jù)圖5 可知，所研究的過熱故障紅外檢測系統(tǒng)通過同時繪制溫度曲線和三相曲線判斷溫度是否存在過熱故障，通過溫度曲線連接溫升趨勢，同時分析三相曲線之間的差值，根據(jù)差值結(jié)果確定故障結(jié)果。

為了進(jìn)一步探究該文設(shè)計的系統(tǒng)實時響應(yīng)能力，選用該文系統(tǒng)和傳統(tǒng)的基于YOLOv3 算法的檢測系統(tǒng)和基于改進(jìn)RetinaNet的檢測系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警響應(yīng)判斷，得到的預(yù)警響應(yīng)時間實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 預(yù)警響應(yīng)時間實驗結(jié)果

根據(jù)表1 預(yù)警響應(yīng)時間能夠判斷系統(tǒng)的實時響應(yīng)能力，該文設(shè)計的系統(tǒng)預(yù)警響應(yīng)時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)系統(tǒng)的預(yù)警響應(yīng)時間，平均值比傳統(tǒng)系統(tǒng)分別少13.916 min 和5.548 min，具有更好的實時響應(yīng)效果，響應(yīng)能力更強(qiáng)。造成這種現(xiàn)象的原因是該文設(shè)計的檢測系統(tǒng)能夠同時對多個部位不同的溫度進(jìn)行檢測，在確定不同部位的工作溫度和閾值存在誤差時，系統(tǒng)會自動進(jìn)行響應(yīng)，在設(shè)置界面反饋監(jiān)測結(jié)果，不需要再次啟動軟件。而傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)在對變壓器進(jìn)行故障檢測過程中，僅僅是對于監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行閾值分析，判定缺陷性質(zhì)，因此花費(fèi)的檢測時間過長，不具備實時響應(yīng)能力。

誤判率實驗結(jié)果如表2 所示。

表2 誤判率實驗結(jié)果

根據(jù)表2 可知，該文設(shè)計的系統(tǒng)誤判率更低，比傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)分別降低10.942%和8.262%。傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)通過閾值分析進(jìn)行判斷，在檢測過程中沒有考慮外界溫度、天氣狀況和各項因素的影響，一旦發(fā)現(xiàn)超過閾值就進(jìn)行報警，很容易發(fā)生誤判，該文設(shè)計的檢測系統(tǒng)將環(huán)境溫度、天氣狀況等外界因素作為自然影響因素考慮，因此誤判率較低，更能精準(zhǔn)地反映出電力變壓器是否出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

絕大多數(shù)的電力設(shè)備在發(fā)生故障時都伴隨著局部故障部位的溫度升高，密切監(jiān)測電力變壓器的表面及各部件的溫度變化可以及時發(fā)現(xiàn)并排除潛在的設(shè)備故障隱患，是保證電力變壓器正常運(yùn)行的重要且有效的方法。該文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的電力變壓器過熱故障紅外檢測系統(tǒng)，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件方面和軟件方面的設(shè)計，實現(xiàn)了對紅外數(shù)據(jù)系統(tǒng)的采集與傳送、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、實時溫度監(jiān)測和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)云臺監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)在電力變壓器故障檢測系統(tǒng)上的應(yīng)用具有重大意義，隨著研究的深入，在系統(tǒng)穩(wěn)定安全的情況下可以推廣到其他大型電力設(shè)備，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和有效性。