特高压阀厅红外智能测温系统设计与实现

郑奇凯, 黄松强, 张志杨

(中国南方电网有限责任公司，超高压输电公司 柳州局,广西,柳州 545006)

0 引言

特高压输电网在减少线路损耗、降低成本、节约资源、输电效率提升方面都有极大优势，但与此同时由于输送容量较大，一旦出现故障对电网的影响也非常严重。换流站中阀厅内的设备是整体输电系统中的核心，设备状态直接影响到整个系统的运行。大部分故障可通过设备温度提前预知，而目前的运维方式大多是通过人工进行检测，到位率较低且没办法保证准确性与及时性。因此，特高压阀厅的自动测温显得尤为重要，是确保输电可靠性的前提，也是提升检测效率的智能化手段。

1 特高压换流站阀厅简介

1.1 设备组成

特高压换流站的阀厅主要包括低压阀厅和高压阀厅，其中低压阀厅运行电压比较低，电场畸变量也小，高压阀厅的运行电压较高，电场畸变量也比较大，而且内部元器件种类教多且结构繁杂，通常由2组6脉动换流器串联组成1组12脉动换流器，每组换流器包括A、B、C三相，每一相包含1个阀塔，阀塔由均压环、底层屏蔽罩组成，悬吊于高压阀厅之中。

1.2 设备热缺陷

鉴于很多电力故障是由于设备过热引起，因此对设备的热缺陷着重进行分析，缺陷一般包括内部和外部两大类，内部缺陷占比较小，约7%-10%，不便于直接监测，通常关注与发热源有关联的部件的温度变化。外部缺陷占比较高，约90%-93%，通常可利用监测手段直接对外部温度进行测量，根据实际温度对环境温度的温升、不同部位温差等的变化进行诊断[1]。

2 红外测温技术概述

2.1 红外辐射规律

红外线是一种电磁波，波长范围在0.75-1 000 μm之间，物体本身在正常环境下存在分子原子运动，运动的越剧烈，辐射的能量越大，温度越高。辐射量既与温度和波长相关，还与物体材料及表面状态有关，满足规律如式(1)、式(2)：

MλT=ελ，TMλbT

=ελC1λ-5expC2/λT-1

(1)

MT=εTMbT=εTσT4

(2)

其中，MλT和MT为物体在T(K)温度的光谱辐射度和全辐射度；ελ，T和εT为光谱发射率和全发射率[2]。

2.2 测温影响因素分析

首先，在红外线的传输过程中，由于受到大气的吸收作用、尘埃或悬浮粒子散射作用会导致辐射强度有所衰减，因此最好在空气清新、湿度较低的情况下进行测温，否则需要进行环境因素影响补偿。其次，由于阳光照射会引起附加升温，且反射波段与测温仪器波长范围比较相近，会影响测量结果精度，因此最好选择夜间或阳光相对弱的时段。再次，红外测温结果与设备本身的发射率有关，各类材料、设备表面的不同状态的发射率均不相同，因此需根据具体设备选取发射率或者实行现场标定[3]。

2.3 仪器布置原则

红外测温的双光球机的布置直接影响测量结果的准确性，需要根据阀厅的大小、周边环境是否遮挡以及分辨率等进行核校。通常选用垂直轨道式的探头在每2个阀塔的中间位置进行布置，轨道长度取阀塔高度，确保覆盖面。由于阀厅一侧会有数量很多的穿墙套管，因此要布置在另一边，避免遮挡或者处于监控死角。

2.4 仪器参数要求

红外测温仪的测量精度与很多因素相关，结合特高压换流站阀厅设备的特殊性，在测量时参数设置如下。

(1) 根据红外辐射的光谱位移规律，对换流站温度处于27-227 ℃之间的设备采用8-14 μm波段的测温仪器。

(2) 检测距离35 m，测量目标直径约10 cm。测温仪距离系数大于350∶1。

(3) 具备0-1可调节的发射率。

(4) 具备最高温度保持功能。

(5) 采用RS-485串行接口，RS-232转换模块实现数据通信[4]。

3 红外智能测温模型构建

3.1 实际辐射度计算

采用红外测温技术对特高压换流站阀厅设备进行温度测量时，首先需要将设备发射的红外辐射能量转化为电信号，然后进行放大处理，通过温度与辐射功率的映射关系得出测温结果。根据红外辐射规律，设目标温度为T(K)，则实际辐射度为式(3)，

M′λT=MλT+ρTMλHTa

=ελ,TMλbT+1-ελ,TMλHTa

(3)

其中，ρT为发射率，ελ,T为光谱发射率，M′λT为实际光谱辐射度，MλbT为温度为TK时的普朗克辐射函数，MλHTa为温度为TaK时的普朗克辐射函数。

3.2 大气透射率补偿

设大气透射率为τaλ,x，则接收的辐射功率为式(4)，

Pλλ,T=k1τaλ,xτ0λAdM′λT

(4)

其中，k1为测温仪器的光学系统增益，Ad为接收光敏面的面积，τ0λ为光学系统的光谱透射率[5]。

3.3 信号电压与温度映射

将辐射功率转换为电信号，得到输出信号电压如式(5)-式(7)，

(5)

Km=Rvλτ0λk1Ad

(6)

=fT

(7)

(8)

由于输出的信号电压与接收到的辐射功率存在正比关系，不同的波段辐射度可表示为式(9)，

(9)

其中，k3为常数，m为根据不同波段选取的值，则设备表面的实际温度可表示为

(10)

4 特高压红外智能测温系统设计

4.1 总体结构

特高压阀厅红外智能测温系统前台展示采用B/S模式，后台处理采用C/S模式，用户通过Web进行访问，设计了包括“展示层-应用层-组件层-数据层”的4层体系结构，数据层用于数据存储以及应用层和组件层的调用，应用层处理各项业务逻辑，展示层用于人机交互[6]，总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

4.2 工作流程

结合系统功能及功能模块划分，特高压阀厅红外智能测温系统的软件工作流程包括如下步骤。

(1) 利用正确的账户及密码登录系统，设置测温仪器相关参数，建立连接。

(2) 选择监测对象，设置采集间隔，设置预警阈值，选择监测方式。

(3) 自动采集相关数据并存入数据库。

(4) 判断是否达到预警条件，并展示相关数据信息[7]。

(5) 保存相关信息以及预警信息。

整体工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程图

4.3 核心模块设计

4.3.1 数据采集

该模块主要实现红外图像采集，可通过用户设置的特定时间，也可以根据时间间隔进行自动采集，首先调用命令进行自检，然后在连接成功之后控制云台移动到预设位置，采集数据进行传输并存储。若采集失败，间隔30 s后重试，3次失败则断开连接，返回错误信息提示系统故障。

4.3.2 红外图像处理

该模块主要对采集到的红外成像进行去噪、灰度处理以及边缘检侧，提升数据准确性。去噪处理主要采用中值滤波法消除孤立噪声点；红外图像的边缘可以通过像素灰度变换进行确定，本研究采用基于小波变换的边缘检侧，以此提取有效信息。

4.3.3 智能测温

该模块主要利用智能测温模型对图像上采集到的信息进行转换，测量实际温度，并进行可视化展示，便于运维人员查看以及检修。

4.3.4 故障预警

该模块主要实现根据与预设阈值比较结果判断是否需要预警，并对预警信息进行详细展示，利于业务人员查询在什么时间点什么设备达到多少度，并提供指示灯及预警铃声进行提醒。

4.3.5 统计分析

该模块主要用于对采集的数据进行各维度的统计分析，便于业务人员了解整体的设备运行情况，以及分析易故障点。

4.4 安全性设计

系统安全方面主要包括资源安全、服务器安全、数据安全以及网络安全。首先为避免相关参数被修改或误删，必须通过验证用户权限进行控制。其次，服务器访问需记录操作日志以便后续查验。再次，对数据库数据进行加密，未经授权不得读取、修改、删除相关数据。最后，需增强防火墙以及病毒查杀，确保网络安全。

5 系统测温结果测试

5.1 测温仪选择

根据红外测温仪的性能参数要求，选择西安沃尔仪器公司的红外测温仪，具体参数如下：

(1) 测量温度范围：-10～300 ℃；

(2) 距离系数：500:1；

(3) 工作温度：-10～50 ℃；

(4) 测量精度：±3；

(5) 目标物体：温度为100 ℃的生锈铁盒；

(6) 测量表面：20 cm×20 cm平面。

5.2 测量结果

利用红外测温仪在5-35 m的不同距离分别进行多次测量，取平均值整数温度如表1所示。

表1 不同距离测量的温度均值

根据本研究的测温模型，对温度值进行大气透射率、设备发射率以及环境温度的补偿与修正，得到误差曲线如图3所示。

由此可知，测量值随距离增加而减小，误差随距离增加会变大，对测量结果进行大气透射率、设备发射率、环境温度的补偿修正之后，温度值像理想值逼近，误差降低[8]。

6 总结

本研究采用红外测温仪对特高压阀厅设备温度进行测量，构建了智能测温模型，设计四层体系的智能测温系统，实验数据测试结果表明通过大气透射率、设备发射率和环境温度进行补偿的智能模型误差较低，符合实际测温需求。但测试也说明还需继续完善系统功能，增加故障诊断模块，并融合图像处理技术力求对内部热缺陷也能提供较好的监测手段。

图3 修正大气透射率、设备发射率以及环境温度