动态实时红外热成像温度在线监测系统

朱利明

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650217)

动态实时红外热成像温度在线监测系统

朱利明

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650217)

针对传统的红外成像技术难以有效、及时、准确地检测出由于电压制热导致的变电站设备缺陷问题.本文对比分析了基于可见光与红外热成像技术的优缺点，设计了基于动态实时红外热成像技术的变电站设备在线监测系统，通过数字动态双通道红外热像仪及360°∗n云台固定安装方式，配合光纤传输，能将所有监控到的数据实时传输到变电站的监控室，真正实现了有效、实时、准确的设备故障监测与数据传输。

电压制热；红外热成像技术；动态实时技术；在线监测；云台固定方式

0 前言

变电站设备的在线监测系统一般是基于可见光监控为主，一般起到安防和消防的目的；而对于变电站设备常见的电流制热、电压制热故障的在线监测，目前也已广泛采用红外热成像技术进行故障检测。

电流制热缺陷一般是瞬态可以判定的，所以常规的红外热成像技术，对于电流致热设备的发热检测相对容易；但对于电压制热设备的发热，基于其的故障特性，需要长时间观察设备的温度变化趋势才能来判定缺陷，显然，这一点是常规热成像技术无法做到的。常规热成像技术只是根据同类设备的正常状态和异常状态进行简单的热图对比，这样无法有效的判定缺陷，判定缺陷带着很多主观的因素，给变电站设备的正常工作带来了不确定的隐患。

为了能够有效、即时、准确地检测出变电站设备存在的缺陷，尤其是电压制热的缺陷，本次的研究重点放在了基于动态实时红外热成像技术的基础之上。在变电站的高压开关场内挑选合适的位置，安装数字动态双通道红外热像仪，采用360°∗n云台固定安装方式，配合光纤传输，将所有实时监控到的数据传输到变电站的监控室。系统的工作分为两种主要方式，第一种为巡视，用于发现变电站常规的电流制热缺陷；第二种为详细观察，用于发现变电站由于电压制热所引发的缺陷。系统配合报警功能，令变电站工作人员能随时监控到变电站设备的工作状况与潜在故障，并对重点设备的温度变化趋势进行监控，同时帮助工作人员制作工作报告。设备全面覆盖220 kV设备区域，部份覆盖110 kV设备区域，同时，可预留出其他安装点，用于移动式工作探头的安装。

1 变电站设备温度在线监测系统

1.1 总体构架

传输基础是基于千兆网的光纤传输方案设计的，采用这种设计方案，可使系统有极大的网络冗余量，以便于用户进行更深入的应用开拓与系统升级，整体系统架构如图1所示。

图1 系统总体构架

如图1所示，系统整体分为前端探头，中间传输设备，后台工作站三大部分。三大部分的组成及功能如下：

1)前端探头：前端探头部分相当于整个系统的眼睛，由集成16 bit全数字动态红外热像仪及高清可见光摄像机的云台组成。16 bit全数字动态红外热像仪可以实时采集、分析、存储被测目标每个点的温度值，并且以数字的方式通过网络向后台传输；高清可见光摄像机选择sony EX48型工业摄像机，可以清晰拍摄被测目标的白光，并且在夜晚时，自动切换为黑白夜晚模式，仍可清晰拍摄被测目标；云台具备多达80个预置位，并且可连续360°旋转，有效的覆盖了变电站的测量范围。

2)中间传输设备：中间传输设备相当于整个系统的血管，由光端机、光纤和多路光纤适配器组成。光端机负责采集红外的网络信号、可见光的视频信号及云台的422信号，并将其转化为光纤信号；光纤负责信号的传输；多路光纤适配器保证了系统的多路扩展功能。

3)工作站：工作站相当于整个系统的心脏，由服务器、网络交换机等组成。负责接收前端探头采集到的数据，并对这些数据进行分析处理，实现系统人机的交互，实现系统的所有功能。

三个部分为一个有机的整体，又相互模块化独立工作，一方面保证了系统的所有功能，另一方面，又保证了系统的稳定性、成熟性和良好的可扩展性。

1.2 系统扩展方式

图2 系统扩展连接方式示意图

如图1，系统具备良好的可扩展性，系统可在不影响原系统的状态下，进行可靠的并行扩展。

1.3 系统特点

1)通讯方式：传统的变电站红外远程图像监控系统，采用视频加串口的通讯方式，记录的仅仅是视频数据，而并非红外数据，同时，通过串口进行传输，传输速率慢，传输数据量有限，不能实时记录设备的温度变化，容易遗漏设备潜在故障。本次系统设计将不再采用这种方案，而采用全部基于千兆网络传输设计方案，即通过网络将红外热像仪所拍摄到的包含全部16位温度数据的视频流实时传输到控制站。

2)数据库 (基于SQL Server数据库)：对于记录下来的所有数据的信息，都能存储于数据库中。当有需要时，在数据库中输入关键条件 (如设备名称，记录时间，设备温度，缺陷类型等)，即可从数据库中自动搜索到含有上述关键条件的数据。输入的条件可以为多种，软件能对其进行组合并搜索，并自动生成相应设备的历史温度变化曲线。

3)对监控设备能形成长时间的温度变化曲线：对于变电站里的重点设备，如主变压器，可对其温度变化进行长时间的记录，并自动生成温度变化曲线。当有需要时，可从数据库中读取某指定设备在不同时间段的各条温度变化曲线，自动组合成一个完整的曲线。

4)云台监控路径设定：采用具有80个 (或以上)预置位，并可360°∗n连续旋转的云台，每个预置位所对应电力设备可以在数据库中建立对应的数据档案资料，可以对设备的运行情况进行实时跟踪与快速检索，并自动生成历史温度变化曲线图。

5)在实时监控过程中，对监控设备在特定云台预置位的温度能自动生成曲线

在实时监控过程中，可对云台设置预置位。当云台每次经过设置好的预置位时，能对预置位上的设备进行定位和测温；用户只需在软件上选出感兴趣的预置位及其对应的设备以及时间段，软件便能自动生成关于该设备的温度——时间变化曲线。该过程可以在云台正常巡检过程中实现，而不需要事后生成。

6)能手动输入负荷，并自动生成负荷曲线，用户可以在软件中手动输入某设备的负荷，软件随即对该设备的负荷自动生成相应负荷变化曲线。

7)多路红外与可见光实时同时显示，本系统要求在一台工作站的显示器上能实时同时显示4路红外以及4路可见光图像 (并且不改变图像的原始分辨率)。同时，用户也可以通过同一台工作站，在两台显示器上对多台红外热像位与可见光摄像机的全分辨率图像进行实时显示、操作与温度数据分析，即在一台显示器上显示上述监控画面，同时在另一台显示器上分析指定的图像与温度数据。

8)图像分辨率的优化，对于观测距离比较远的设备，若红外热像仪所拍摄到的红外图像不够清晰，应能利用多幅图像分辨率序列增强的技术，将原始分辨率的红外图像进行优化与处理，使红外图像的分辨率得到大幅度提高，以满足使用需求，同时处理后的图像依旧可以进行温度分析。

1.4 实现的功能

1)红外热成像与设备异常报警，红外温度数据趋势分析。

2)设备历史温度数据库检索。

3)红外和可见光图像的远程传输和监控：满足远程红外图像传输性能稳定，失帧少的特点。

4)满足红外热图像动态采集、实时测温分析、监控精确的动态温度分析，全数字化传输存储。

5)具备强大的温度分析功能，超温报警提示，测温校正：环境温度、温度及距离测温校正。

6)能够实现远程摄像机控制，预制定位，远程切换，自动巡视等。

7)发生异常时，可自动推出关联图像。

8)具备强大的远程图像监控功能，可远程控制镜头、云台等设备。

9)可手动输入电压等级。

3 结束语

相对于可见光监控系统和常规的红外监控系统，本系统将解决以往的技术难题，可实现如下功能：

1)解决电压制热缺陷的判读难题，实现对变电站设备温度的动态实时监测，通过趋势分析软件对重点设备的温度变化形成温度曲线图，使缺陷的判断更加直观、准确。

2)解决传统的变电站红外图像监测系统中所采用的视频信号加串口数据 (RS232/RS485)的通讯方式所带来的缺点，如传输速率低，传输数据量有限，不能实时监控等，实现全部监控数据采用基于光纤的网络传输方案，对所有的数据，特别是红外热像仪的包含全部16位温度数据的视频流，必须通过网络光纤实时传输到监控室。

3)红外热像仪的选择采用16 bit实时动态红外热像仪，较之以前的静态红外热像仪只传输视频信号，无法实时获取每个点的温度值，只能够通过色标获得不准确的模拟温度值，现在可以实现通过数据实时获得被测目标每个像素点的数字温度值，提高了测量的准确性与真实性。

4)对于云台预置位的设定，为满足拍摄范围，将云台的预置位数量设定为80个，并采用可360°∗n连续旋转的云台，每个预置位所对应电力设备可以在数据库中建立对应的数据档案资料，可以对设备的运行情况进行实时跟踪与快速检索，并自动生成历史温度变化曲线图。

[1] 雷达技术发展规律和宏观趋势分析 [J].雷达学报，2012，1(1)：19-27.

[2] 高颖慧，王平，李君龙，等.复杂战场环境下的防空反导光学成像制导技术 [J].现代防御技术，2012，40(1)：6-10.

[3] 范晋祥，岳艳军.红外成像系统新概念新体制的发展 [J] .红外与激光工程，2011，40(1)：1-6.

[4] 范晋祥，张渊.新概念红外成像系统的发展 [J].红与激光工程，2008，37(3)：386-390.

[5] Keith Lewis.Systems for persistent surveillance[C]//SPIE，2011，8165：816514.

[6] Slinger C W，Bennett C R，Dyer D，et al.An adaptive coded aperture imager：building，testing and trialing a super-resolvingterrestrialdemonstrator[C] //SPIE， 2011，8165：816511.

[7] Willett R M，Marcia R F，Nichols J M.Compressed sensing for practical optical imaging systems：atutorial[J].Optical Engineering，2011，50(7)：072601.

[8] RobertMuise， AbhijitMahalanobis. Recentresultsof integrated sensing and processing using a programmable hyperspectral imaging sensor[C] // SPIE， 2006，6245：624502.

[9] Muise R，Mahalanobis A.Compressive and adaptive imaging for target exploitation[C]//SPIE，2009，7442：74420A.

[10] Dhar N K，Dat R. Advanced imaging research and development at DARPA [C] // SPIE， 2012，8353：835302.

Research on Temperature On-line Monitoring System Based On Dynamic Real-time Infrared Thermal Imaging Technology

ZHU Liming
(Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid，Kunming 650217，China)

For traditional infrared imaging technology，it is difficult to find out detection of voltage substation of heating due to equipment defects effectively，timely and accurately.This paper bases on comparative analysis of the advantages and disadvantages of the visible and infrared thermal imaging technology，designed the substation equipment on-line monitoring system based on dynamic real-time infrared heat imaging technology，through dynamic dual-channel digital infrared camera and 360°∗n PTZ fixed installation，with fiber optic transmission，transferring all monitoring real-time data to the control room of transmission substation，to achieve the inspection of equipment failure and the transferring of data effectively，timely，accurately.

voltage heating；infrared thermal imaging technology；dynamic timely technology；on-line inspection；head fixation

TM76

B

1006-7345(2015)04-0064-04

2015-02-03

朱利明 (1985)，男，助理工程师，云南电网公司昆明供电局，主要研从事计量自动化方面工作 (e-mail)59984615＠qq.com。