±800 kV换流站红外热像监测系统研究与实现

高 强，江 一，李 豹

(1．华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003;2．南方电网超高压公司广州局，广东广州510660)

1 引言

红外测温技术已经广泛应用于变电设备的监测和故障诊断中，设备的红外图像能较好地反映设备运行的热状态，通过红外图像可以发现电气设备的故障隐患，这类故障隐患发生在变电站内的开关、刀闸、变压器、避雷器、套管和电容器等各种设备上。因为材质、工艺、安装、受潮、放电、老化等原因存在着各种故障隐患［1－5］。早期利用红外热像仪人工检测电气设备热状态，逐步发展成为建立红外热像监测系统，或者构建机器人装置监测变电站设备［6－10］。在 ±800 kV 超高压换流站，设备工作电压高、分布范围很广，比一般的500 kV变电站大得多，如果采用固定点进行红外热图像监测，会受到设备相互遮挡、距离太远等不利因素的影响，使得远距离红外监测难以实施，甚至无法实施。人工巡检时间间隔较长，对存疑设备进行超过24 h的连续监视难以实施，采用移动式定点监测设备热状态对早期发现故障隐患十分必要。特别是对于换流站的直流工作状态，其热图像图谱与设备的健康状态之间关系的研究还比较初级，发热的机理与交流站也不尽相同。因此，研究构建红外热图像状态监测系统，并研究设备发热机理是十分必要的［11－13］。

对于±800 kV超高压换流站红外热图像监测系统采用了移动式设计，将监测终端放置在超高压换流站被检测设备最恰当的监测点来实时记录热状态变化过程。同时，利用无线Mesh通信技术将图像传输到控制值班室，便于接入并实现自动监测，将采集的图像进行存储和处理，对温度变化过程进行记录，并生成工作温度曲线。同时，生成热图像图谱库，以便深入研究设备工作状态的变化规律。

2 系统组成

2．1 硬件系统

为了满足换流站大范围定点长时间的监测的需要，系统监测单元具有移动的能力，即移动终端和固定端相结合的设计模式。移动端包括红外传感器、光学镜头、电池组(连续供电72 h)和无线通信设备组成。采用无线Mesh组网技术，可以保证在整个换流站内的任何地点方便接入;红外热图像处理器可以放置在任何场所进行现场监测;移动监测端设备可根据需要随时放置在被测设备旁边，对设备进行连续的热状态监测。固定端放置于值班室，包括通信系统终端和计算机(服务器)。安装专用软件，实现对热图像的记录、控制、处理、显示、告警、打印和辅助分析等功能。整个系统的组成如图1所示。

图1 可移动式红外热像监测系统

2．2 软件组成

综合考虑软件的各项功能、组织结构、扩充性要求及开发环境的方便程度，软件开发采用面向对象的思想和模块化程序设计方法，选择Windows操作系统作为运行平台和Microsoft Visual C++为开发工具。本系统软件开发出了客户端程序和服务器端程序，实现了监测点与值班室之间的网络通信。服务器端提供了强大的控制、显示、存储等功能，并作为服务器为网络中其他计算机提供红外视频和可见光视频。客户端可以通过访问服务器，获得远程监视图像。

2．1．1 软件功能结构

考虑到应用需求，系统的软件设计包括如图2所示的功能模块。

图2 系统软件功能模块

2．1．2 数据结构关系

本系统具有较强的图像处理功能，为了研究设备热图像图谱与设备的工作状态的关系，建立了多个数据库。其中，监测对象图像信息库是实时数据库，保存设备的实时热图像;标准图像信息库是为了对比设备的异常图像与正常图像的差别;典型故障信息库作为故障图样;历史全局数据库是将特别图像保存，以便对故障隐患进行分析判别。

图3 数据库结构关系

2．1．3 主要软件功能描述

(1)红外图像监测子系统

实现红外温度图像和可见光图像的监测功能。包括图像信息的采集、图像信息的保存、红外温度图像显示和可见光图像显示。图像保存可以手动保存或异常(设定门限)自动保存图像。多窗口显示、录像存储与回放。

(2)监控设备控制管理子系统

利用解码器实现对云台的上下左右移动。对可见光CCD光圈的大小、镜头伸缩调整。

(3)图像处理子系统

实现对变电站一次设备的红外图像的缺陷分析。实现对红外图像中的设备异常发热识别;手动或定时保存数据、设置报警门限，越限自动报警;存储报警数据及图像。根据红外图像采集温度信息，可生成温度曲线，出现异常时进行报警。

(4)设置参数

温度保存的时间间隔可设(分钟)，图像分析的时间间隔手动(天)。

(5)查询及报表子系统

实现高压设备红外诊断报告自动生成的功能，依据用户制定的模板，快速生成诊断报告。提供丰富的红外图片故障、图谱以及报表的查询功能。可以根据时间区间选择数值生成报告，并可以导出为Word/Excel格式;报告模板提供预留选项。

(6)数据管理子系统

服务器软件具有图像文件的存储功能。保存变电站正常运行时电力设备的正常红外热像图谱和出现异常时的典型故障图谱，以供将来电力设备出现异常时进行对比分析。

系统软件采用C/S模式，数据处理功能在服务器端实现，客户端提供用户界面功能。

3 关键技术

3．1 设备温升的计算

设备温升的监测对判断设备工作正常与否是非常重要的，温升是指设备表面的温度(稳定状态下)与环境温度之差。但设备工作环境温度与监测点的环境温度可能不同，由于在高电压环境下，任何其他测温仪器放置在设备旁都将非常困难，甚至不可行。因此，在监测系统中，通过提取设备旁适当的图像作为环境温度参考点，来计算设备温升是非常有效的方法。因此，在软件功能里研制了设置参考图像功能，用于计算设备的温升。

3．2 区域异常告警

设备工作的热状态发生变化时，往往表明设备存在故障隐患，如何监测设备并及时发现隐患是非常重要的问题。通过人工划分图像来标明监测区域，当出现超过门限温度时进行告警。对比标准图像库来判别设备工作状态正常与否是异常告警的另一种方式。这种方式对典型故障类型有很好的判别作用。给定图像区域进行连续监测，当出现热图像图谱与标准图谱不同时就会告警，并保存图像信息。

3．3 设备发热机理分析

热图像本身能够很好地表现设备的工作热状态，发热的根本原因一般是接触电阻增大。当流过的电流一定时，随着电阻的增加而带动温度升高。接触电阻的增加可能是接触面暴露在空气中的氧化层的增加造成的，也可能是紧固螺丝在设备受到长期的震动引起螺丝松动，使得连接的接触面积减少，造成接触电阻增加。这种发热机理与氧化电阻增大不同，可以从热图像图谱中发现差别。

3．4 温度曲线的生成

采用标准热像仪集成构造热图像在线监测系统，几乎不能够实现画出温度变化曲线的功能。本系统通过SDK开发包，特别开发了温度变化曲线功能。以便了解给定时间内的设备温度变化过程。

4 典型功能

4．1 红外图像监测功能

实现的红外图像和可见光图像的实时监测功能，包括红外图像和可见光信息采集、保存和显示。当用户在主界面选择了监测区域并设置了相关参数之后，软件自动监测功能就开启了，如图4所示，左侧为红外图像显示区域，右侧为可见光图像显示区域，下方为监控设备控制功能按钮。

图4 自动监测图像

4．2 温度曲线

图像处理子系统能将监测值和统计值随时间变化的状况用带坐标和门限值的曲线直观地显示出来，坐标的竖轴为监测值和统计值，横轴为时间。如图5所示，最高温度、最低温度、平均温度、温差、温升、相对温差等用不同颜色表示。

图5 温度曲线

4．3 故障报告功能

实现对设备红外诊断报告自动生成的功能，是依据用户制定的模板，快速生成诊断报告。提供丰富的红外图片故障、图谱以及报表的查询功能。

报表通过调用设备商SDK包中的红外热像分析函数来实现，如图6所示。

图6 温度异常报告

5 结语

对于±800 kV超高压换流站设备的红外热图像监测问题进行了研究，由于换流站的占地面积大，采用固定点实时监测方式无法满足监测的需要。本文采用了移动端设计，移动式设计能够在换流站的任何地点对设备进行长期监测，以便掌握被怀疑设备的工作热状态，对预警设备故障有很大的帮助作用。系统具有温度图像监测、存储、处理、生成温度曲线和故障报告等功能;研究了设备温升的计算，区域异常告警划分和设备发热机理对照分析等关键技术，构建了典型故障信息库作为故障图样。本系统适合于较大范围内对设备进行热状态进行监测和红外图像信息采集、有效预警设备故障的发生。对于研究换流站等场合的设备工作热状态，建立热图像图谱，研究发热机理等有重要意义。

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