紫外红外双光谱电力设备在线监测系统

袁辉建 阳 明 蒋 燕 李 霜

(重庆电力高等专科学校电力工程系，重庆 400053)

0 引言

目前，电力系统带电设备的非接触式放电检测一般采用红外成像、紫外成像和超声波探测等技术，对超高频、紫外脉冲检测等技术的研究也在进行中。采用超声波探测仪、红外成像仪和紫外成像仪探测设备放电，存在成本高、操作复杂、灵敏度不足、对早期放电危险难以预报以及不能定量表示放电程度等弱点［1－2］。紫外脉冲检测技术虽然能够定量表示放电程度，但是单独使用紫外脉冲检测无法获得可见光图像进行定位，从而无法定位带电设备的故障点。

本文将紫外脉冲探测扫描、红外测温扫描、摄像和图像处理技术相结合，通过对被监测电力设备进行紫外脉冲和红外测温扫描，得到其局部放电分布数据和温度分布数据，并将该数据通过图像处理技术置入由摄像头获取到的设备图像，与设备图像建立对应位置关系。这不仅能定量表示放电程度，而且还能直观地显示出放电位置和温度分布，从而能及时发现电力设备的故障情况。本文将紫外检测技术与红外检测技术相结合，大大提高了带电设备的全面监测能力。

1 紫外红外检测原理

1.1 紫外检测原理

由电力设备的放电机理可知，在放电的不同阶段，伴随着分子的激发、电离、复合、电荷交换、电子附着和辐射的不断发生，可以观察到不同光谱的发光现象。电晕放电光谱中含有部分紫外光谱段的发光。因此，检测放电发出的紫外线，可以判断放电强弱，从而确定电力设备的运行状态。采用高灵敏度的紫外传感器，能对设备的绝缘下降、裂伤、污秽发展等作出早期预报，保证设备的安全运行。紫外线的波长范围为10～400 nm。太阳光中也含有紫外线，其中280 nm以下光谱段的太阳辐射几乎完全被大气层吸收，因而被称为太阳盲区。该区间内由太阳发射的紫外光量极低。日光下的紫外放电检测即是利用太阳盲区光谱段实现对放电设备的检测。电力设备放电产生的紫外线波长大部分位于280～400 nm区间，而280 nm以下的日盲区紫外光急剧减少，因此，对检测装置的灵敏度要求较高。高压系统的早期放电十分微弱，发射的紫外光很少，其中位于日盲区的紫外光信号更是微弱。通过紫外成像仪难以捕获这种微小放电信号的变化，且要等到出现较为明显的局部放电才能检测到。所以，采用紫外成像仪难以预报早期放电危险。

本文采用紫外脉冲法实现对电力设备放电紫外信号的检测。紫外脉冲法是根据设备放电时辐射的紫外光类似于脉冲信号的原理，采用紫外光敏管或光电倍增管以及检测电路，将放电产生的紫外光信号转换为脉冲电压信号，通过统计脉冲数目的密集程度来判断设备放电强度的方法。该方法是在微弱信号测量中广泛使用的一种方法［2］。

1.2 红外检测原理

电力工业中的许多设备都在高电压、大电流状态下运行，与热度有着极其密切的联系。在众多停电事故中，因设备局部过热引起的停电检修时有发生［3］。因此，及时发现设备发热缺陷，将发热缺陷消除在初始状态，是保证设备安全运行、减少事故发生、避免被迫停电的关键。

红外检测的基本原理就是通过探测物体的红外辐射信号，获得物体的热状态特征，并根据这种热状态特征及相应的判断依据判断出物体的状态。由于红外检测技术具有远距离、不接触、实时、快速等特点，因而对实现电力设备的在线监测和故障诊断具有重要的意义［4］。电力设备主要采用红外成像和红外点温测量两种红外检测技术，本文中采用的是红外点温测量技术。该技术具有结构简单、成本低廉等优点。

任何高于绝对零度的物体都会向外辐射能量，这一能量主要与物体的温度和红外波长相关。对于灰体物质而言，也就是发射率小于1且与波长无关的物体(一般工程材料可用灰体来近似表示)，在单位面积上发射的所有波长的总辐射功率M与温度T之间满足斯蒂芬-波尔兹曼定律［5］，即:

式中:ε为被测物体的表面发射率;σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数;T为物体的绝对温度。

一个绝对温度为T的灰体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内发射的辐射功率Mλ，与波长λ、温度T满足普朗克辐射定律，即:

式中:C1为第一辐射常数;C2为第二辐射常数。

由式(1)、式(2)可以看出，红外测温与被测物体的温度和表面发射率相关。在实际测量中，由于被测物体温度不同，所测量的波长范围也就不同，因而需采用不同的测量方法和测温探头。

1.3 双光谱在线监测原理

双光谱电力设备在线监测的实现原理如图1所示。双光谱在线监测主要通过紫外脉冲探测模块、红外测温模块、二维旋转云台和摄像头的协同工作完成。

图1 双光谱在线监测原理图Fig.1 Principle of dual spectrum on-line monitoring

图1中，紫外脉冲探测模块的紫外探头和红外测温模块的红外探头固定安装在二维旋转云台上，系统通过二维旋转云台的运动实现对电力设备的扫描，并获取电力设备各点的紫外脉冲数据和温度数据。摄像头实现对电力设备图像的获取，然后通过图像处理，将电力设备各点紫外脉冲数据和温度数据与电力设备图像对应结合。这样不但能定量表示放电程度，而且以图像方式直观地显示出放电位置和温度分布。用户可以通过图像分析不同时间设备各部位的紫外脉冲数据和温度数据，得到设备的放电发展状况和温度分布变化，从而及时发现故障情况。

2 系统结构

紫外红外双光谱电力设备在线监测系统结构如图2所示。

图2 系统结构图Fig.2 Structure of the system

系统主要由基于PXA270的嵌入式系统模块、紫外红外双光谱探测模块、温度湿度测量模块和广域无线通信模块组成，其中，紫外红外双光谱探测模块又包含紫外脉冲探测模块、红外测温模块、二维旋转云台和摄像头四部分。

紫外脉冲探测模块主要由探头罩及光学系统、紫外光敏管、高压电源和检测电路组成，实现对视场区域内紫外脉冲信号的探测，并将其转换为0～5 V的电压脉冲信号，传送给嵌入式系统模块。红外测温模块主要由透射式光学系统、热电堆型红外传感器和检测电路组成，红外测温模块将－20～220℃的温度信号转换为0～5 V的模拟电压信号，提供给嵌入式系统模块。二维旋转云台用于承载紫外脉冲探测模块和红外测温模块的探头，可通过对旋转云台两个直流伺服电机的控制，实现对被监测电力设备局部放电和温度分布的二维扫描。摄像头用于对被监测电力设备的图像采集，并通过USB接口将采集的图像信息传送给嵌入式系统模块。

温度湿度测量模块用于对环境温度和湿度的检测。电力设备放电是一个复杂的过程，利用紫外脉冲法通过检测电力设备的放电情况来确定其状态，必须考虑空气湿度的影响因素［6］。另外，环境温度对红外测温的精度有非常大的影响，必须通过环境温度来修正被测物体的温度。

广域无线通信模块用于实现远距离无线通信。监控中心可以通过广域无线通信接收在线监测系统发送的测量数据和报警信息，以及处理后包含放电分布数据和温度分布数据的设备图像信息，并可发送控制命令，实现对在线监测系统工作模式的控制。

嵌入式系统模块是在线监测系统的核心，它用来实现对电力设备紫外红外双光谱扫描的控制、紫外脉冲数据的统计分析、环境温度和湿度的测量分析以及电力设备局部放电的分析判断。同时，通过图像处理得到结合放电分布和温度分布的设备图像信息，实现设备异常的分析、判断和报警。

3 系统的实现

3.1 嵌入式系统模块

嵌入式系统模块结构图如图3所示。

图3 嵌入式系统模块结构图Fig.3 Structure diagram of the embedded system module

嵌入式系统模块主要由Xscale处理器PXA270、E2PROM、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash、A/D 转换器、SD/MMC卡接口、USB接口、RS-232接口和I/O接口等组成［7－8］。

PXA270嵌入式处理器基于ARMv5E的Xscale核心，是一个资源丰富、高度集成的片上系统微处理器，最高工作频率可达624 MHz，适用于各种高性能、低功耗的设备［9］。PXA270通过外部总线接口扩展了2片16 MB的NOR Flash和2片32 MB的SDRAM存储器，用于程序运行，其中NOR Flash用于启动引导程序运行。NOR Flash和 SDRAM分别采用 Intel公司的TE28F128J3和 Hynix公司的 HY57V561620。NAND Flash采用256 MB K9F2G08U0A存储器，用于程序和数据的存储。

复位电路与E2PROM存储器采用Catalyst公司的CAT1025，用于嵌入式系统模块的复位，以及紫外红外双光谱探测模块的工作模式和判断阈值等配置参数的保存。CAT1025包含1个精确的工作电源监测电路和2个开漏复位输出，内带256 B的E2PROM。

SD/MMC卡接口主要用于系统配置文件和设备图像信息的保存。A/D转换器采用TLV1543，用于测量红外测温模块输出的电压信号，获得相应的温度数据。USB接口分为2路:一路为HOST接口，另一路为Device接口。HOST接口主要实现与摄像头的连接，而Device接口可用于嵌入式系统模块的软件调试。RS-232接口分为2路，分别采用了PXA270的全功能UART接口(FFUART)和蓝牙UART接口(BTUART)。FFUART用于实现嵌入式系统模块与广域无线通信模块的连接，BTUART可实现与其他设备的连接。I/O接口采用光电隔离，用于实现对紫外脉冲探测模块输出脉冲信号的采集。

3.2 双光谱探测模块

紫外红外双光谱探测模块的摄像头采用分辨率为640×480的可调焦摄像头。紫外脉冲探测模块实现对设备放电产生的紫外光脉冲信号的检测。

本设计选择紫外光敏管UV-R2868作为检测传感器，其灵敏度可以达到5000 count/min，仅响应185～265 nm波段的紫外信号，UV-R2868光谱响应特性与各种光源中的阴影区域如图4所示［10］。由于检测紫外光信号的传感器本身不能区分紫外光的发生源，在紫外探头有效反应角的范围内，电力设备、导线等的放电紫外光都会被探测到，因此，为了实现紫外探测的方向性，去除其他光源的影响，需要用探头罩控制紫外探头的感光角度，提高检测的准确性。

图4 UV-R2868光谱响应特性与各种光源Fig.4 UV-R2868 spectral response characteristics and various light sources

红外测温分为全辐射法、亮度测温法和双波长测温法三种。这三种测温方法中，以全辐射法受物体发射率的影响最大，亮度测温法次之，双波长测温法最小。双波长测温法是通过测量给定波长λ1和λ2的辐射功率之比，用比色测温法来确定物体的温度。双波长测温方法可以大幅降低物体发射率和环境辐射的影响，提高测量的精度。另外，根据GB 763的规定，电力设备的最高允许温度均在408 K以内，而8.0～14.0 μm波段适合探测常温到几百摄氏度的辐射体。因此，本设计采用双波长测温法和8.0～14.0 μm波段的红外测温探头。二维旋转云台用来承载红外测温探头和紫外脉冲探头。旋转云台通过两个直流伺服电机带动探头做二维运动，探头在二维运动时会与被测区域形成一定的夹角，且该夹角随探头的移动而改变，红外测温和紫外脉冲探测受这个夹角的影响。漫反射体的辐射强度分布遵从朗伯余弦定律，余弦辐射体如图5所示［11］。

图5 余弦辐射体Fig.5 Cosine radiator

图5中，dA为被测区域，P1、P2分别为测量点，P1对应dA的法线方向，θ为P2点方向与dA法线的夹角。设M1和M2分别为P1和P2点测得的辐射功率，则M1与M2应近似满足:M2=M1cosθ。

综上所述，在进行红外测温和紫外脉冲探测时，需根据探头的角度对测量数据进行修正。旋转平台所用直流伺服电机的位置等级有1024个，有效角度范围为150°。控制的角度分辨率可达到0.15°。如在距离探头5 m的位置对2 m×2 m电力设备进行检测，则探头可动作角度约为22.6°。在红外测温探头和紫外脉冲探头的距离系数大于500∶1时，局部放电分布和温度分布的成像分辨率约为150×150。

3.3 温度湿度测量模块

温湿度传感器采用SENSIRION公司生产的数字式温湿度传感器SHT75，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，默认提供12位湿度数据和14位温度数据。SHT75集成了1个电容式聚合物测湿元件、1个能隙式测温元件、1个14位的A/D转换器和1个串行接口电路。该传感器的温度测量范围为－40～123.8℃，测温分辨率可达到±0.3 K，湿度测量范围为0～100%RH，测量分辨率可达到±1.8%RH。SHT75具有响应速度快、抗干扰能力强等优点，可通过I2C串行总线实现与嵌入式系统模块接口。

3.4 广域无线通信模块

考虑到覆盖广、成本低等多方面的显著优势，本设计中采用SIMCOM公司的SIM300C GPRS模块。该模块尺寸小、功耗低，内嵌强大的TCP/IP协议，提供通用的AT控制命令。SIM300C内部集成了完整的射频电路和GSM基带处理器，提供2个串口、1个SIM卡接口和通用I/O接口等。SIM300C的优良性能使其广泛应用于如WLL、M2M、手持设备、远程数据采集等方面。嵌入式系统模块可通过RS-232接口实现对GPRS模块的操作。

4 结束语

本文介绍了一种结合紫外脉冲探测扫描、红外测温扫描、摄像和图像处理技术的新型电力设备在线监测系统。该系统解决了红外成像仪和紫外成像仪探测设备放电存在灵敏度不足、对早期放电危险难以预报和不能定量表示放电程度等弱点，以及现有紫外脉冲检测技术无法准确定位设备放电故障点的不足。本文提出的紫外红外双光谱检测方法，虽然紫外、红外的成像分辨率和成像速度较紫外成像仪、红外成像仪低，但已能满足电力系统绝大多数应用的需要，并且成本低廉，能够对设备的早期放电进行检测。

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