变电站电力设备红外自动巡检系统的实现

袁辉建

(重庆电力高等专科学校，重庆400053)

0 引言

变电站中有大量的高压设备，例如变压器、母线、隔离开关、耦合电容器、高压电缆等，其运行状态好坏直接决定电力系统的安全和效益。站内高压设备工作状态不正常，若不能得到及时有效的处理，很可能会发展成严重的事故，造成设备损坏甚至人员伤亡。对设备进行有效的监测和检测，保证电力设备的正常运行，已成为目前高电压测试技术发展的必然方向之一。

红外测温可以在设备不停电、不解体情况下，远距离、非接触、快速对设备故障进行诊断，因此得到较为广泛的应用。目前国内外大多使用红外热成像仪进行人工定期巡检，工人劳动强度大，不能实时全面动态检测，且红外热成像仪价格非常昂贵，大型变电站方可配备，对于绝大多数的小型变电站，或无人值守变电站则发挥不了应有的作用。

本文提出一种新的电力设备红外自动巡检系统，能将自动行走部分与红外测温探头相结合，通过无线通讯方式将检测结果发送至管理控制中心，既可以降低工人劳动强度，又避免红外成像仪成本高，难以广泛使用等问题。该系统能充分发挥计算机技术的优势，有利于提高在线监测实时性，实现变电站的无人值守。

1 红外自动巡检系统的原理结构

1.1 红外自动巡检系统的实现原理

红外自动巡检系统主要由电磁导航部分、红外自动巡检平台、无线通信接口模块和管理计算机四部分组成(如图1所示)。红外自动巡检平台在变电站内按预置导航电线路径自动行走，并实现对电力设备温度数据采集，管理计算机位于管理控制中心，实现数据的处理及对测温装置的控制，管理计算机与红外自动巡检平台通过无线网络连接。红外自动巡检平台采用红外测温探头实现对指定区域温度数据和实时图像的采集，通过H.264编码压缩处理数据，再经网络传送给管理计算机，后台监控软件对这些数据进行解码，显示现场红外测温数据。

图1 红外自动巡检系统结构

1.2 电磁导航部分工作原理

电磁导航部分主要由导航信号发生器、中心导航电线和两个水平线圈组成。为了讨论方便，在运动路径上建立如图2所示坐标系，假设巡检平台沿跑道前进的方向为Z轴，垂直跑道往上为Y轴，在跑道平面内垂直于跑道中心线为X轴，XYZ轴满足右手方向。电磁导航线沿Z轴方向布置于道路中间，在自动巡检平台的前上方水平方向固定两个相距L的线圈，两个线圈的轴线距电磁导航线导航电线高度为h，则左边的线圈l的坐标为(x，h，z)，右边的线圈 Z的位置(x-L，h，z)。

图2 电磁导航部分结构

本系统h取值为5cm，L取值为30cm，则x∈(-15，+15)cm，导航信号发生器产生19.3kHz电流，通入中心导航电线，由于导航信号发生器通入电流频率较低，且两个水平线圈较小，本文近似认为小范围内磁场分布是均匀的。根据电磁学原理，两个水平线圈分别感应电动势E1、E2，两者差值Ed为:

当左边线圈的位置x=15cm的时候，此时两个线圈的中心恰好处于运动路径的中央，感应电动势差值Ed为零。当线圈往左偏移，x∈(15，30)cm，感应电动势差值小于零;反之，当线圈往右偏移，x∈(0，15)cm，感应电动势大于零。因此在位移0～30cm之间，电动势差值Ed与位移x是一个单调函数。为保证两个线圈的中心位置为电磁导航中心线，本系统使用Ed这个量对于自动巡检平台转向进行负反馈控制。

1.3 红外检测部分工作原理

红外检测部分由红外测温探头、二维旋转平台和摄像头构成，结构如图3所示。红外测温探头固定安装在二维旋转平台上，系统通过二维旋转平台的运动实现对电力设备的扫描，并获取电力设备各点温度数据。摄像头实现对电力设备图像的获取，然后通过图像处理将电力设备各点温度数据与电力设备图像对应结合，以图像方式直观地显示温度分布。用户可以通过图像分析不同时间设备各部位的温度数据，得到设备的温度分布变化，从而及时发现故障情况。由于电力设备的最高允许温度均在408K以内，根据维恩位移定律，本系统采用8.0～14.0μm波段的红外测温探头HBIR-5816。

2 自动巡检系统硬件设计

图3 红外检测部分结构图

自动巡检平台硬件部分由主控模块、装置运动控制模块、电机驱动模块、电源模块、无线通讯模块组成，电路结构如图4所示。自动巡检平台采用四轮结构，前面两个轮子为主动轮，后面两个轮子为从动轮，电机驱动模块实现对主动轮直流电机的驱动;电磁信号检测模块用于自动巡检平台的导航;二维旋转云台用于承载红外测温探头，装置运动控制模块可通过对旋转平台两个直流舵机的控制，改变红外测温探头的指向;装置运动控制模块基于MC9S12XS128单片机，与主控模块间通过RS232通信接口连接，接受主控模块的指令，实现巡检平台的导航控制、运动控制和二维旋转平台的移动控制;主控模块是自动巡检平台的核心，由基于PXA270的嵌入式系统平台组成，用于设备图像数据的采集及编码压缩、红外测温数据的处理，并与管理计算机进行无线通讯，完成对装置运动控制模块的控制。

图4 自动巡检平台硬件结构图

2.1 电机驱动模块

由于自动巡检平台的重量和体积较大，驱动所需转矩要足够大，因此本系统选择两台36W的直流电机作为平台运动的动力源，直流电机驱动电路采用H型全桥式电路，可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图5所示。

图5 全桥式驱动电路

H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S5为一组，S3、S4为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S5导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动;当S3、S4导通时，S1、S5关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在巡检平台运动的过程中，要经常地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S5 导通，且S3、S4 关断;到S1、S5 关断，且 S3、S4导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，要求两组控制信号完全互补。但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。另外，直流电机驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通，以防止电流断续造成电压泵升，损伤开关管。当巡检平台停止瞬间，电机便工作在发电状态，转子电流就通过续流二极管流通，保护了电路。

3 自动巡检装置软件设计

自动巡检系统的软件包括主控模块软件、装置运动控制模块软件和后台监控软件三部分，结构如图6所示。装置运动控制模块软件通过通信接口程序获取主控模块软件的指令，然后由指令处理程序对指令进行解析，根据主控模块的指令控制二维旋转平台及自动巡检平台的运动;主控模块软件根据系统预先设定的工作模式或后台监控软件下传的控制指令，实现对装置运动控制模块的控制，设备温度数据的测量处理，设备图像数据的采集和JPEG编码处理;后台监控软件保存管理主控模块软件传送的温度和图像数据，处理生成设备红外状态图像，并提供人机接口界面，实现用户对自动巡检平台的控制，以及红外状态图像和温度数据等的显示。

4 结束语

图6 系统软件结构图

本文中的电力设备红外自动巡检系统，是针对电力系统中红外成像的带电设备非接触式放电检测技术存在的问题，并结合电磁导航系统、红外测温扫描、摄像和图像处理技术，研制的一种新型电力设备在线红外巡检系统，可以实现无人状态下实时对电力设备的发热情况进行扫描，通过图像融合处理技术，将电力设备发热数据置入由摄像头获得的设备可见光图像，建立与设备图像的对应关系，从而及时发现电力设备的故障情况。本文提出的红外自动巡检方法，虽然成像分辨率和成像速度较红外成像仪低，但是成本低廉，能够满足电力系统在线监测应用的需要。

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