基于紅外成像圖像識別的變電站高壓室熱狀態監控設計

[關鍵詞]紅外成像圖像識別；變電站；高壓室；熱狀態；監控

引言

高壓室是變電站的重要組成部分，其內部設置了開關柜、變壓器、互感器等多個裝置，并行完成電能的傳輸與分配。變電站高壓室內部設備在運行過程中會產生巨大的熱量，不但會提高設備的故障率，導致其性能下降，還可能引發火災，造成嚴重的人員傷亡與財產損失。進行變電站高壓室熱狀態監控可以及時發現設備的過熱狀況，采取必要的干預措施，還可以優化電站的運行狀態，提高能源的使用效率，實現預測性監控與決策，滿足多種環境下的供配電要求。變電站高壓室的設備組成與運行環境復雜度較高，因此，需要研究有效的變電站高壓室熱狀態監控方法。

事實上，變電站高壓室熱狀態監控的關鍵點較多，包括溫度、濕度，設備通風狀態，告警閾值等，相關研究人員也針對變電站高壓室熱狀態監控特點設計了幾種常規的監控方法。節連彬等（2023）基于特征識別進行了K-means圖像聚類處理，分割了原本的監測子集，結合樣本熵信號進行監控預警，提高了監控的實時性，但該方法的執行難度較高；文沛等（2023）利用改進決策樹對熱狀態數據進行了零均值處理，構建了檢測數據模型，引入差分序列算法進行監測異常感知，降低了監測誤差，但該方法的抗干擾性較差，易受外界環境變化影響導致監測異常。為了滿足變電站運行安全性要求，本文基于紅外成像圖像識別設計了一種有效的變電站高壓室熱狀態監控方法。

一、變電站高壓室熱狀態紅外成像圖像識別監控方法設計

（一）設置變電站高壓室熱狀態監控測溫裝置

變電站高壓室熱狀態監控目標點較多，容易出現目標點漏測問題，影響監控結果的可靠性，因此，本文以STM32為核心，設置了變電站高壓室熱狀態監控測溫裝置。該測溫裝置可以通過太陽能光板獲取能量，實現測溫供電，對獲取的測溫數據進行處理，其布設示意圖如下圖1所示。

由圖1可知，光伏電源模塊主要由控制器、傳感中心等組成，滿足單軸跟蹤要求，穩固性極高，其測溫開關量AU如公式（1）所示。

△U＝U1-U2（1）

U1代表輸入的熱狀態測溫參量，U2代表輸出的熱狀態測溫參量。基于此，可以判斷變電站高壓室的熱狀態是否滿足告警閾值，劃分熱狀態監控點。在監控采樣的過程中，若出現了明顯的采樣缺陷，可以進行自適應濾波處理，將多個監測數組輸入測溫裝置的控制中心，此時得到的熱狀態監控異常值P如公式（2）所示。

P代表溫度差異特征值，λ代表監控范圍，C代表重復識別閾值，R代表溫度分布局域，U代表部署的監控點位。使用上述設置的監控測溫裝置可以實時完成模糊標定，提高監控的可靠性。

（二）基于紅外成像圖像識別進行監控圖像噪聲濾波處理

紅外成像圖像識別技術可以利用計算機技術對監控圖像進行分類預處理，提高監控特征獲取的準確性，因此，本文設計的方法基于紅外成像圖像識別進行了監控圖像噪聲濾波處理。首先利用紅外成像原理進行圖像配準，得到的圖像剛體變換配準表達式如公式（3）所示。

u'、v’代表經過剛體變換的變電站高壓室熱狀態監控紅外圖像與可見光圖像；u、v為監控的原始圖像；tu為u變換成u'的水平參數；tv為v剛體變換成v'的垂直參數；a為旋轉參數。此時可以利用改進小波包對監控噪聲信號進行分解重構，得到的噪聲濾波處理式如公式（4）所示。

h（k）代表低通濾波參數，ф代表監控數據采集尺度空間，x代表小波分解空間，k代表噪聲濾波參量，處理后的紅外成像熱狀態監控流程如下圖2所示。

由圖2可知，在實際監控過程中，可以建立動態化監控程序，調整連續監控參數，并將監控數據上傳至服務器中。基于上述的熱狀態監控流程可以進行智能分級與預測，從而生成有效的預警信號，滿足變電站高壓室熱狀態實時監控要求。

二、實驗

為了驗證設計的基于紅外成像圖像識別的變電站高壓室熱狀態監控方法的監控效果，本文配置了有效的實驗平臺，將其與文獻[4]、文獻[5]兩種常規的變電站高壓室熱狀態監控方法對比，進行了實驗，如下。

（一）實驗準備

結合變電站高壓室熱狀態監控實驗要求，本文選取ZH5866平臺作為實驗平臺，該實驗平臺由編碼器、紅外探測單元、報警探頭等組成，可以實時調整熱狀態監控參數，并將實驗結果傳輸至數據庫中。利用ZH5866平臺可以調整監控權限，通過WEB完成MIS瀏覽，提高實驗結果的可靠性，該實驗平臺的組成示意圖如下圖3所示。

由圖3可知，該實驗平臺可以集成多個變電站高壓室電力設備，通過光纖網絡完成有效連接，將紅外測溫儀與攝像機結合為一體，實現全方位的轉動與控制。紅外測溫儀之間通過RS-485串口與實驗端主機相連，實現實時通信與數據解析。

在實驗開始前，需要將測溫單元安裝在監控服務主機中，在保證原有監控功能的基礎上進行初始化處理，選取的實驗平臺包括人機交互、信息管理、圖像監控、紅外測溫四個模塊，軟件架構如下圖4所示。

由圖4可知，待實驗平臺設置完畢后，可以使用SmartSight作為遠程高速一體監控軟件，得到有效的變電站高壓室熱狀態監控實驗結果。

（二）實驗結果與討論

根據上述的實驗準備，可以進行變電站高壓室熱狀態監控實驗，即選擇不同的熱狀態監控時刻，分別使用本文設計的基于紅外成像圖像識別的變電站高壓室熱狀態監控方法，節連彬等（2023）的基于特征識別的變電站高壓室熱狀態監控方法，以及文沛等（2023）的利用改進決策樹算法的變電站高壓室熱狀態監控方法進行監控，三種方法在不同時刻的熱狀態監控結果如下表1所示。

由表1可知，本文設計的基于紅外成像圖像識別的變電站高壓室熱狀態監控方法在不同監測時間及監測點均能獲取有效的監測溫度，監測狀態正常。節連彬等（2023）的基于特征識別的變電站高壓室熱狀態監控方法，以及文沛等（2023）的利用改進決策樹算法的變電站高壓室熱狀態監控方法在部分監測時間及監測點無法獲取有效的監測數據，存在異常的監測狀態。上述實驗結果證明，本文設計熱狀態監控方法的監控效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

結語

變電站高壓室是存放電力設備的重要區域，在運行過程中會因內部元件與連接點通電作用導致熱狀態大幅度改變，降低設備的導電／絕緣性能，導致設備的使用壽命降低，甚至引發嚴重的安全事故，因此，本文基于紅外成像圖像識別設計了一種有效的變電站高壓室熱狀態監控方法，該方法的監控效果較好，在不同狀態下均可獲得有效的監控熱狀態數據，具有可靠性，有一定的應用價值。