在线式双光热像仪云测温电力监测系统

茅文铭 刘思嘉

（常州华达科捷光电仪器有限公司 江苏省常州市 213002）

1 应用背景

电力系统的稳定可靠运行对实际国计民生非常重要，输电和配电中的设备发热将引起设备故障、停电，甚至爆炸。不仅停电故障会对日常生活造成严重影响，另外电力维护人员长期工作在最前线，设备故障检修有可能直接危及他们的生命安全，所以当前非常有必要对电力设备测温技术进行革新。尤其是最近几年红外图像技术获得了突破性进展，已经在化工、冶金等工业领域获得了很多实际应用，伴随着传感器、无线网络以及光纤通讯等技术的进一步革新，智能电网相关控制技术的研究和应用已经在大量开展。

输电线路由于长期受室外天气以及用电负荷的影响，部分设备存在使用时间久，设备老化等情况，巡检的工作量大。同样配电柜是保障电力可靠供应的重要设备，由于其设计紧凑、操作方便等特点，在配电网中得到了广泛应用[1]。由于配电柜主回路存在高电压、过电流的情况，容易导致变压器过载或者电气接头高温老化而造成接触失效，甚至引发配电故障[2]。因而对配电柜内的关键部位的温度监测显得尤为重要。

当前，输电和配电的温度监测使用最为广泛的是基于热敏电阻的方法。由于热敏电阻是接触式单点测温，实际需要布置多个测温热敏传感器，造成现场的布线比较困难，出现温度异常后，排查故障维护起来也很困难。

以下为现在配电柜测控的典型拓扑（图1）。

图1： 配电柜测控典型拓扑

若干测温传感器的温度数据通过接入有线电力参数监测仪表或者短距离无线终端，电力参数仪表同时还采集三相电压、电流、功率、频率、谐波等参数，通过RS485 通讯方式将上述多种参数传递给DTU。DTU 采集温度、电力、湿度等多种数据，然后通过4G 通讯卡将所有数据发送给云端服务器，终端用户可以通过手机APP 以及PC 有线网络实时获得这些数据以及状态信息。红外测温传感器采用非接触式的温度测量，该传感器可以同时实时采集宽视场角范围内的阵列式多测温点的温度和图像数据，在电力行业的使用越来越广泛[3]。

2 双光红外热像仪的云测温系统

2.1 红外温度传感器的工作原理

红外温度传感器是温度监控系统中的底层感知设备，直接决定了信息采集的准确性与可靠性，因而对于温度监控系统至关重要。红外探测器是红外温度传感器的主要部件，红外探测器的基本工作原理：被测物体辐射出的红外光被镜头所接受，而被送至红外探测器，红外探测器将携带着温度信息的红外辐射信号转换为电信号，最后再生成与热辐射信号成正相关的红外图像，从而直观地显示出被测物体的温度信息。同时，温度监测系统根据红外热像图还能计算出热点温度，并实时输出电气接头的热点温度，并给出其历史趋势曲线，供运维人员检修决策使用[4]。

2.2 配电柜红外云测温系统架构

目前用于配电柜的红外探测器，通常采用迈来芯（Melexis）模组。该模组采用热电堆技术，通过I2C 传输数据，测温像素低（典型为32×24），测温虽可以满足±2℃精度，但是图像质量很差。该模组性价比很高，在很多低端要求的场合，已经有很多应用案例[5][6]。

本设计采用氧化钒非制冷红外焦平面探测器，图2所示为配电柜红外云测温系统图。主要由在线式双光热像仪，支持RS485 通讯的各类传感器和控制设备，热成像数据服务器，云管理服务器，WEB 管理后台和手机运维APP 组成。

图2： 配电柜红外云测温系统架构

各部分的工作原理、特点及模块之间的通信方式详细阐释如下。

2.2.1 在线式双光热像仪

核心感知设备---IN-2I 在线式双光热像仪

关键参数如下：探测器分辨率256×192，帧频30Hz，镜头3.2mm，视场角56°×42°，测温范围-20℃～550℃，精度±2℃，支持的测温区域最多16 个。

IN-02I 的通讯关键参数如下：POE 供电，网络协议支持TCP、UDP、RTSP、HTTP 等，接口协议支持GB28181，Modbus TCP，MQTT 等。

此外配置200 万像素可见光相机，轮廓提取算法叠加进红外图像增强细节。图3 为在线式双光热像仪实物图。

图3： 在线式双光热像仪

热成像的可远距离、非接触式测温特点，不改变被测物结构，全画面多区域测温，数据精准；小尺寸大视场角设计，不挑应用场景，近距离也可监测大范围；配置LED 补光灯，黑暗环境补光监控。

POE 供电，仅需连接网线减少模组供电线路布设；由于支持高速以太网通讯，所以IN-02I 通过交换机进行本地组成局域网络，连接到热成像数据服务器。

图像效果较现有的Melexis 技术方案明显清晰，缺点是价格较高。

2.2.2 支持RS485 通讯的各类传感器和控制设备

主要包括电力参数仪表，湿度、空气浓度等检测仪表，还包括风机以及断路器等控制设备。当出现温度报警时，风机会主动运行用以降温，如果温度持续上涨达到安全极限，断电器主动触发停止供电防止设备损坏。这些设备均基于RS485 通讯，是热成像数据服务器的从设备。

2.2.3 热成像数据服务器

热成像数据服务器定时(譬如每5 分钟)读取各个IN-02I 的测温数据，然后将这些数据通过4G 卡定时发到云管理服务器。

对于温度、电参数等数据，用户需要实时不间断监控；而对于图像数据来说，终端用户只关心出现故障报警前后的图像，温度正常下的图像数据是无效的。由于红外图像的数据量很大，通常为几MB，定时传输图像数据将造成过多的4G 流量费用。所以定义的逻辑是当出现温度报警后，同时抓拍第一张红外图片和可见光图片，然后上传到云管理服务器。

热成像数据服务器是为在线热像仪测温云监控系统专门开发的本地主控设备，内嵌Ubuntu 系统，至多支持8 台IN-02I。

IN-02I 自带的Modbus TCP 只支持传输温度，不支持传输图像。虽然MQTT 协议同时支持图像和温度数据的传输，但是IN-02I 自带的固件只支持MQTT 客户端功能，为了实现将可选择的红外图像和可见光图像数据传输到云管理服务器，需要在热成像数据服务器移植MQTT 服务器功能。笔者基于瑞芯微RK3128 的软硬件平台，成功移植和实现该项功能。

图4 为热成像数据服务器实物图，还预留了HDMI和USB 接口。

2.2.4 云管理服务器

热成像数据服务器通过4G 通讯卡接入云管理服务器。管理人员登入云服务器访问界面，第一次用户需要注册。根据热成像数据服务器外壳上的二维码，通过序列号参数进行捆绑，并且可以根据其安装实际定位位置设置其名称，设置相应运维人员名字、手机号以及所属公司，然后配置相对应的IN-02I 的依据IP 地址和实际对应名称。

同时可以配置数据的读取刷新时间（默认5 分钟）和温度报警触发值、报警时间间隔等等。

2.2.5 Web 管理后台和手机运维APP

Web 管理后台是专用于在线热像仪测温云监控系统的后台管理程序，包含运维人员管理、设备管理、温度数据中心、实时获取、报警中心等模块，具体功能模块介绍如下：

（1）首页用于显示报警信息、管理设备概况、历史温度曲线等综合紧要信息；

（2）运维人员管理页面用于子账户管理，权限分配，运维设备分配；

（3）设备管理页面可以配置系统安装地点，绑定监测对象，设置报警温度等；

（4）温度数据中心页面用于展示每一台测温终端的历史测温数据及测温曲线；

（5）实时获取页面可以实时获取到监测设备的状态图片及温度信息；

（6）报警中心页面展示报警地点，报警设备及实时的温度信息。同时展示接入的其他传感数据。

如图5 所示，手机端APP 是授权于终端用户以及现场运维人员使用的热成像监控管理APP，APP 集合了设备管理、报警参数设置、查看历史温度曲线、获取实时监控状态、推送报警信息、查看并处置报警的功能。是一款服务于本系统的移动软件，确保了报警信息的及时推送和处理，终端用户登入APP，通过手机号注册，扫描热成像数据服务器外壳的二维码，就可以通过手机号与其进行捆绑，一个手机号可以捆绑多个热成像数据服务器，一旦捆绑成功，该信息将同步到云管理服务器。

图5： 手机端APP

当发生温度报警时，APP 主动推送报警信息告知用户，并且打开APP 时可以查看触发温度报警时的首张红外图片和可见光图片。

3 用户现场实例

实际选取某市的某一工业园区的配电柜。温度监控点为变压器次级端和电压母线开关。一个配电柜使用4个IN-02I 进行组网，2 个监测变压器，2 个监测母线开关。

在线式双光热像仪是广视角阵列式测温，可以在整张图像上获取多个可配置区域的温度，从而计算出中心温度，平均温度，最高温度等数据。

图6 为在云管理服务器终端查到的母线电压某一监测点在一周内的平均值，最大值和最小值及其温度曲线。

图6： 母线电压温度曲线

配电柜内实际的温度监测范围为0～200℃，经过与现场其他热电阻的测温传感器的精度对比，红外传感器的测温精度达到±2℃，同时图像也很清晰。

由于IN-02I 其卓越的无接触式的多点测温外加双光图像功能，在实际应用已经安全优于现有的接触式测温，同时通过云端和手机APP 端监测机制，当出现温度预警快速通知运维人员去现场，直观看到问题点并准确进行故障定位，可以帮助实现可靠、精确地查明故障根源，便于运维人员快速找出解决方案，极大地减少了运维的人力和维修成本，完全满足实际电力系统输电和配电现场温度监测的需求。

4 总结

红外热像仪可以通过数据处理显示成特有的伪彩图像，明确清晰地展示各个测温点的温度数值。

本监测系统支持远程网络监控，无需依赖现场搭建局域网络；可通过手机或Web 随时随地获取设备的实时监测信息，查看设备现场状态；可见光/热成像双光图像判断机制，提高了鲁棒性；配置RS-485 接口，可以拓展其他类环境传感器；可以与应用场景联动提供报警输出；集成务实的4G 省流策略。整套技术方案也体现了“智能电网”的要求，整个监测系统可以扩展应用到室外输电线路监测，动力锂电池监测等其他有安全要求，需要严格监测温度的应用场景，为此有着巨大的实际实用价值。