红外热像在线测温系统的设计与实现

孙 帅,杨 星

摘 要:结合目前最新的红外热像技术,设计一种新型输电线路在线测温系统。阐述红外热像技术在输电线路温度监测中的应用模型。重点论述该系统的工作原理、系统结构、功能、工作流程以及各部分组成,主要包括硬件和软件方面设计的框架结构。该系统采用JPEG压缩编码技术对红外热像图进行处理,并结合GPRS无线网络进行实时数据传输,实现了对输电线路温度的监测。经过输电线路现场运行与测试,各项技术指标已达到设计要求。

关键词:GPRS;输电线路;红外热像;监测

中图分类号:TM733文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)20-212-04

Design and Implementation of Infrared Imaging On-Line Thermal Measurement System

SUN Shuai,YANG Xing

(Taiyuan University of Technology,Taiyuan,030024,China)

Abstract:According to the latest infrared imaging technology,a new transmission line on-line thermal measurement system is designed.The application model of infrared imaging technology in monitoring temperature of transmission line is explained.The working principle,the systematic structure,the functions,the operation process and the composition of various parts of this system are discussed particularly,mainly including the frame structure of the hardware design and software design.This system adopts JPEG compression coding technology to deal with the infrared thermography,combining with the GPRS wireless network to transport the real-time data,and temperature monitoring of the transmission line is implemented.All technical targets of this system have reached design demands through operating and testing the transmission line on the spot.

Keywords:GPRS;transmission line;infrared imaging;monitoring

0 引 言

在供电网络发展极为迅速和网架结构日趋合理化的今天,国家对电力系统供电可靠性的要求越来越高。红外热像测温技术在电力工业设备状态检测领域得到了广泛的应用。但红外热像图数据的大容量与传输方式有限性之间的矛盾也越来越突出,而发展到目前,中国移动强大的GPRS无线通信网络为这一问题提供了很好的解决方案[1]。因此,研究输电线路红外热像在线测温是一项迫切而艰巨的任务。

输电线路红外热像在线测温系统运用先进的红外热像技术,对输电线路运行温度进行状态在线监测;利用已有的GPRS无线通信网络实现热像图数据的传输,具有覆盖面广,无需增加传输设备和线路的特点,特别适用于无法架设线路的偏远地域的输电线路场合[2]。系统图像采集与传输终端由红外热像图采集模块、图像数据压缩模块、GPRS网络通信模块、图像数据传输模块和太阳能供电装置等组成,其中图像数据压缩模块采用JPEG硬件压缩编码技术,对静态图像进行压缩编码[7],最大限度地减少了网络传输的数据量,节省了网络资源,提高了图片的传输速度。为了解决设计中的高速率图像采集、压缩控制与数据传输速度相对较慢带来的变速率采样问题,系统硬件结构采用微控制器加可编程逻辑控制芯片(MCU+CPLD)的方案,各项子功能由标准通用模块完成,降低了系统复杂度,提高了系统整体性能,用户可以利用PC机通过Internet上实现热像图的远端采集与现场监控。

1 红外热像技术在输电线路温度监测中的应用模型

1.1 红外热像技术简介

红外热像技术是探测输电线路中各种电气设备表面辐射的不为人眼所见的红外线的技术。它反映设备表面的红外辐射场,即温度场。并根据设备表面的温度场,测量设备某一部分的平均温度。是一种被动的、非接触式的检测手段。红外热像仪就是利用该技术制作而成的检测设备,目前已在电力设备故障诊断领域得到广泛应用[4]。其简单工作示意图如图1所示。

图1 红外热像仪简单工作示意图

1.2 红外热像技术在输电线路温度监测中的应用

输电线路的温度信息可以通过红外图像进行有效反映。红外成像是惟一一种可以将热信息瞬间可视化,并加以验证的诊断技术。红外热像仪可揭示热故障,并通过非接触温度测量加以定性分析,在专业的红外分析软件的帮助下,数秒内便可自动完成分析报告。

所有利用或者发射能量的设备在发生故障前都会产生发热现象。保证电气设备运行可靠性的关键便是对能源的有效管理,而红外热像技术已成为预防性维护领域最有效的检测工具,它能够在设备发生故障之前,快速、准确、安全地发现故障。在电气接点发生故障之前及时发现并进行维修,可以避免输电线路因高温热故障造成断电掉电所带来的高昂代价[5]。

红外热像仪能够正确引导预防性维护专家对电气设备的运行情况进行准确判断。可以将测量温度值与历史温度进行比较,或者与相同时间同类设备的温度读数进行比较,以准确判断是否发生了显著的温升,是否会导致部件失效,带来生产隐患。主要用于电力预防性维护等用途。特别是用于输电线路预防性维护、检测方面,具有很大的优越性。

2 输电线路红外热像在线测温系统的实现方案

2.1 系统的工作原理

安装在输电线路现场的前端采集终端利用高精度数字式温度传感器对环境温度参数值进行采集;利用高精度红外热像仪对准需要进行温度监测的电气设备。前端系统定时地采集到各种电气设备有关温度分布的热像图后,将数据传送给电路系统,电路系统经过分析处理后将热像图进行压缩和打包处理,然后通过GPRS无线网络的方式发送到监控中心的计算机数据服务器上。数据服务器安装相应的应用软件程序进行数据的自动处理,主要完成热像图的接收与解压还原,之后以图像和图形的形式将各种电气设备的温度分布情况直观的显示在客户端,不同温度以不同颜色显示。系统结合数据软件系统和各种修正理论模型分析各种电气设备存在的热缺陷和故障状态,及时给出诊断信息,有效预防输电线路高温热故障的发生。系统集成了环境温度在线监测和输电线路温度分布的在线红外热像监测等,并借助现有中国移动强大的GPRS无线通信网络进行实时数据传输,实现了对输电线路温度状态的监测。

2.2 系统的结构

整个监控系统主要分为两个部分:图像采集与传输终端(前端);监控中心计算机数据服务器(中心端)。在系统构成上可分为上位机(监控中心计算机数据服务器)和下位机(图像采集与传输终端)两大部分。计算机数据服务器负责对图像采集与传输终端进行管理和控制,处于管理层次的上层,因此称为上位机。图像采集与传输终端处在数据中心的控制下,负责对数据进行采集和传输,处于管理层次的下层,因此称为下位机。系统结构如图2所示。

图2 系统结构

图像采集与传输终端包括以图像采集芯片处理器为核心的图像采集与JPEG压缩部分和GPRS网络传输部分以及红外报警部分。图像采集部分由视频A/D芯片实现模拟图像的数字化转换,使用专用芯片实现JPEG图像压缩编码[6]。GPRS无线网络传输部分由专用GPRS模块实现网络传输功能,它与图像采集部分的接口是通用异步串行接口(UART)。红外报警部分实现输电线路温度出现异常状况的报警功能。下位机主要实现输电线路现场原始图像的采集和压缩以及压缩图像数据的GPRS无线信道传输,这些功能都由相应的软件支持系统实现。

服务器包括硬件和软件,硬件为具有公网IP地址的计算机,软件即为服务器程序,由服务器程序实现GPRS网络传输模块和中心间的命令传递和数据传输。

监控中心计算机数据服务器也包括硬件和软件部分。硬件为一台能接入Internet的计算机,软件为监控程序,电脑的网络状态为公网、动态IP[7]。

在这里特别指出,因为监控中心端满足服务器的网络要求,所以该系统将服务器和监控中心端放到一台计算机上,以节约硬件和网络资源。上位机主要实现压缩图像数据的接收及解码和接收图像数据的数据库保存和处理。

2.3 系统的功能描述

2.3.1 上位机(监控中心计算机数据服务器)

上位机系统在用户计算机上实现和运行并将相关数据存入数据库。主要完成对各个监测点数据的收集,并将下位机的相关配置信息、设置状态信息和环境数据存储到数据库中,方便用户进行数据处理和分析。上位机系统主要功能如下:

(1) 显示:数据的显示包含多项内容,包括:温度传感器采集数据和红外热像监控器热像图的显示、历史值的显示、按照时间显示数据等。

(2) 存储内容:实时数据、历史数据、运行记录、当前状态

(3) 历史数据整理:该系统可以对历史数据文件进行整理,删除选定的历史数据文件,删除某段时间以前的历史数据。

(4) 打印报表:可以打印两种报表,选择日期,再选择报表类型,即可打印。

2.3.2 下位机(前端图像采集与传输终端)

下位机系统通过专用的传感和变送装置,对输电线路环境温度、输电线路温度分布的红外热图像等信息进行监测,并转化为可以被计算机处理的电信号(电压、电流、频率等),再由CPU对电信号进行二次化处理转化为符合一定标准的数据,并存储在存储芯片中,以供保存和分析使用。下位机中的数据无线通信模块起桥梁作用,连接监控中心端(上位机系统)与前端采集终端,并实现它们之间的通信。它负责将数据根据上位机系统请求或主动上报方式通过GPRS通信方式上传给上位机,并将上位机发送的控制命令传输给前端采集终端。

2.4 系统的工作流程

该系统是为满足现场监控而设计,下面对系统的工作过程加以叙述。该系统具有定时观察、即时观察以及现场报警触发等功能[8],具体工作过程如下:

(1) 启动阶段:前端安装并启动以后,GPRS模块自动通过预先设定的服务器地址与中心端进行连接。连接到中心端以后,中心端会向前端发送请求读取终端的命令,前端接收到命令以后发送本终端的应答命令到中心端,中心端记录并监视该前端与中心端的连接。此时,如果客户端也发送网络连接请求到中心端,并发送被监控前端的请求命令,中心器就会将前端和客户端的网络连接对应上,此后前端和客户端就可以采用透明方式进行数据传输,中心器不参与控制,只是提供数据通道[9]。

(2) 定时工作阶段:该系统具有定时工作功能,由前端定时抓拍现场热像图,在中心端实现。即监控中心端定时向前端发送采集热像图的命令,前端收到命令以后会采集当前现场的热像图,通过中心端传输给客户端。定时时间设置由监控中心端软件的设置功能实现。

(3) 实现即时观察:如果当用户无定时监控的要求,或者用户设置的定时时间较长,但在定时间隔中间有观察现场的要求的时候,用户可以启动即时功能。在监控中心端软件上有按钮,点击此按钮时,中心端会向前端发送采集图像的命令,前端收到命令后会采集当前现场的热像图,传送给中心端。

(4) 实现报警触发观察:在前端,微控制器的输入接口与热像仪相连,热像仪满足报警设置要求时,前端会采集当前现场热像图,传送到中心端。在传送的信息中会带有当前报警情况,当监控中心端收到此报警信息后,会发出警提示,直到用户关闭此次报警。

2.5 系统总体硬件结构

整个系统硬件结构主要分为前端和中心端。前端图像采集与传输系统是基础前提,其结构和性能直接决定了整个系统性能的好坏。前端硬件主要由五部分组成:主控制模块、图像采集模块、图像压缩模块、GPRS无线传输模块以及红外报警模块[10]。中心端即监控中心计算机数据服务器与前端硬件系统起着承上启下的作用。其结构框图如3所示。

图3 热像监控系统总体框图

2.6 系统总体软件结构

软件系统包括前端图像采集与传输终端软件及监控中心端软件。两者在设计时采用如图4所示的软件层次结构。

图4 系统软件层次结构示意图

如图4所示,总体软件分成了三个层次:上层应用软件、中间支持部分、底层系统软件。各个不同部分实现不同的功能。

特别指出:监控中心软件系统是该系统的重要组成模块,它可以分析输电线路中各种电气设备的发热规律及其表面的温度分布和升温状况,结合各种修正理论模型进一步分析各种电气设备存在的热缺陷和故障状态,及时给出诊断信息。所有客户端可以随时对数据进行各种查询、浏览、打印、存档,还可直观地通过观测红外热图像对输电线路的温度状态及发展趋势进行监测,实时地进行预警信息显示与提示。最关键的是:它可以根据相关算法公式来分析所测的温度参数数据,利用趋势分析技术可以模拟地分析出输电线路环境温度及温度分布发展趋势,综合反映输电线路的安全状况。通过监测特定地区输电线路环境温度、输电线路温度分布的红外热图像等信息来估算该地区线路高温事故发生的临界条件,监测输电线路红外热图像数据来掌握线路事故的实时信息,并且系统可以同时与历史数据对比,指导检修或发出预警信号。

3 结 语

开展对输电线路温度分布状况进行实时红外热像在线监测,深入研究输电线路运行现状与故障特性,建立数据监测模型,利用集输电线路环境温度参数和输电线路温度红外热像图等多参数监测与管理的输电线路红外热像在线测温系统来确定输电线路的安全情况,及时给出高温热故障预报信息,对于有效输电线路温度超标的发生,保障现有输电线路的安全运行起到了重要的作用。同时最大程度地解决输电线路安全运行和维护管理的难度问题,也为输电线路参数监测提供了新的方法与途径,开辟新的研究思路。因此,具有重大的理论意义和实践意义,实现了巨大的社会效益,具有广泛的应用和推广前景。

参考文献

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[2]孙晨.对GPRS在电力系统应用的分析[J].电力系统通信,2003,24(11):38-41.

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[5]董其国.红外诊断技术在电力设备中的应用[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6]夏德深,傅德胜.现代图像处理技术与应用[M].南京:东南大学出版社,2001.

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[9]蔡锐丹.GPRS无线数据传输系统的设计与应用[J].通信技术,2004(1):19-21.

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