电力设备红外测温多点轮巡路径优化控制的研究

徐东辉，王 勇，张佳民

(1.上海电力学院电子与信息工程学院，上海 200090;2.上海电力学院自动化工程学院，上海 200090)

0 引言

随着建设坚强智能电网目标的深入，对电力设备的安全性提出了更高的要求。从变电站到输配电运输设备再到用户的整个过程中，大多数电力设备都运行在高压大电流状态下，由于设备局部过热造成的设备损坏和停电时有发生，严重影响了系统的安全运行。据有关部门调查统计，近年来我国电气火灾约占全国火灾总数的30%，其中重大火灾有70%是由电气线路、电气设备事故造成的。为能有效地避免此类事故，需要利用各种监测手段对事故进行提前预警，其中温度监测占监测总量的50%。因此，电力设备的在线温度监测是电网正常运作的重要保障［1－4］。

传统采用人工巡查测温对各电气设备连接点进行监测，存在准确度低、实时性差等缺点［5］。随着红外测温技术的发展，现常用红外测温仪或红外热像仪进行非接触测温［6－7］，但固定安装和单点测温增加了布设成本。

为克服上述不足，本文针对变电站电气连接点，以开关接触头、母线连接点为监测对象，将自动化技术和图论算法相结合，研制了一套红外测温多点轮巡控制系统。该系统能够实现单红外测温仪对空间多点的轮巡测温，并根据测温信息智能更新轮巡路径，实现自优化，提升监测效率，节约布设成本。

1 红外测温系统实现

1.1 红外测温系统结构

系统设计原理框图如图1所示。系统主控制芯片采用8位单片机微控制器SM5964。单片机外接2个2HB3525D电机驱动模组使能2台步进电机;采用ZLG7289芯片作为定位控制模块的主芯片，实现键盘与显示功能，在瞄准激光的引导下对待测温点的空间坐标进行定位和编号，并将定位信息存储至X5045存储器中;通过RS232串口接收红外测温模块的数据信号，再利用Zigbee模块传递至上位机。

1.2 自动控制结构设计

图1 统设计原理图

本文设计了一种机械云台作为红外测温仪的自动控制结构，主要包括垂直执行器、水平执行器、固定结构3部分，其设计图如图2所示。执行器选用步进电机，在限位开关的控制下，水平方向可做350°旋转，垂直方向可做150°旋转。将红外测温仪安装在固定结构，通过机械云台的旋转，红外测温仪可以轮巡监测空间中的待测点。

图2 机械云台设计图

1.3 红外测温设备及原理

本系统采用红外测温仪JRTS80，其距离系数为120∶1，配有2级瞄准激光，适合长距离、小目标和较强电磁干扰的工业环境的测量。JRTS80采用全辐射测温，满足斯蒂芬－玻耳兹曼定律［8］，其工作原理框图如图3所示。利用光学系统收集和处理被测物体的红外辐射能量，再利用红外探测器转换为电信号，经放大电路和转换电路由处理器运算后输出对应的温度值。

图3 JRTS80工作原理图

2 多点轮巡路径优化

2.1 数学模型

测温装置在现场安装后通过定位控制模块对监测点进行空间定位和编号，并将空间坐标和编号进行存储。系统工作时根据空间定位信息进行轮巡，为了更好地提升系统的测温效率，需要确定系统的时间优先级以及温度优先级。由于系统按照编号轮巡的路径不一定是轮巡的最短路径，需结合待测点的温度确定优先监测点，因此多点轮巡路径优化问题实质上是两个旅行商子问题(Traveling Salesmen Problem，TSP)的嵌套求解问题，是经典的np完全问题［9］。

2.2 二边优化贪婪算法

TSP的实质是在给定的无向带权图中寻找长度最短的哈密尔顿回路问题。一般求解方法有:穷举法、回溯法、分支界限法、贪心法、智能计算方法等。其中，贪心法和智能计算方法属于近似算法，对于结果具有较强的优化能力，但不一定能够求得 TSP 问题的最短路径［10－14］。

二边逐次修正算法是求解最佳哈密尔顿圈的近似算法之一，其缺点是初始路径状况对其计算量影响较大，较差的初始结果会造成大量的迭代求解。而贪婪算法正好可以对于初始路径进行直接优化，减少二边逐次修正算法的运算量。因此，将两种算法融合成二边优化贪婪算法(One－by－One Greedy Algorithm，2OGA)，就会兼有贪婪算法的快速优化和二边逐次修正算法对结果的快速趋近，可适用于本系统的路径优化问题的求解。

结合系统的实际要求，文中的2OGA算法流程如图4所示，其算法描述如下:

step 1:初始化Vnew={x}，其中x为集合V1中的任一节点，Enew={}，生成标记集合Vuse={x};

step 2:输入两个顶点集合为 V1、V2，V=V1+V2;生成边集合E，得到V的加权联通图;

step 3:重复下列操作，直至Vnew=V;

(1)在集合E中选取权值最小的边(u，v)，其中u为Vuse中的元素，而v属于V1且不属于Vnew(若存在有多条满足前述条件，则可任意选取其中之一);

(2)若V1中找不到对应v，同理寻找v属于V2且不属于Vnew;

云电视：云电视是应用云计算、云存储技术的电视产品，是云设备的一种。通俗地讲，就是用户不需要单独再为自家的电视配备所有互联网功能或内容，将电视连上网络，就可以随时从外界调取自己需要的资源或信息。

(3)将v加入集合 Vnew，将(u，v)加入集合 Enew，令 Vuse={v};

step 4:利用矩阵翻转法［15］实现二边逐次修正路径优化;

step 5:使用集合Vnew和Enew来描述所得到的最优路径并输出。

2.3 复杂度分析

步骤1～3利用贪心策略求解较优路径，若其子问题规模为 n1、n2，则其时间频度 T(n1，n2)为

图4 2OGA算法流程图

若之后迭代k次进行二边逐次修正，则有时间频度:

这优于一般TSP问题列举法时间频度:

由此可见，在问题规模为n时(n＞3时)，本算法的时间复杂度为O(n2)，远优于列举法的时间复杂度O(n!)，这对于降低求解TSP问题的复杂度具有重要意义。

3 实验结果

本文随机选取15个空间点作为测试样本，其坐标表示测温仪从初始位置转动到该点位置时步进电机转动的脉冲数，假设点6、10为接近报警阈值的测温点，其具体仿真坐标点信息如表1所示。

表1 仿真坐标点信息

本文以Matlab2013a为测试工具进行数据仿真，得到结果图5～图7。

图5 按编号轮巡路径结果图

图6 贪婪算法路径优化结果图

图7 二边逐次修正路径优化结果图

图5为按编号轮巡路径结果图，该路径的脉冲数为7.001 9×103;图6为以点6为起点的贪婪算法路径优化结果图，图7为以图6优化结果为基础的二边逐次修正路径优化结果图，将图6中11—7—5—15的路径优化为11—5—7—15，其路径总长度为2.336 3×103个脉冲，相比图5中路径长度缩短67%。

4 结论

本文对于电力设备红外测温多点轮巡路径优化控制问题进行了研究，基于自动化控制技术研制了一套红外测温多点轮巡控制系统，并以图论算法为基础提出了系统的路径优化策略和二边优化贪婪算法，通过Matlab对15个空间待测点进行路径优化仿真，可将轮巡路径缩短67%。

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