基于红外测温技术的电力设备热故障在线监测系统的设计

张义华　李爱峰

【摘 要】应用红外测温技术对电力设备运行状态在线监测，可以及时检测电力设备的过热缺陷和故障，又不影响其正常运行，提高了电网的可靠性和安全性。本文设计了电力设备热故障在线监测系统，主要由红外测温单元、数据通讯系统和上位机综合管理平台等几部分组成。红外测温单元以80C196KC单片机为核心，配置温度采集电路、存储电路、显示电路等外围接口电路。介绍了硬件电路的工作原理，并给出了原理框图。上位机综合管理平台具有用户管理设置、温度数据记录、温度曲线绘制、历史数据查询和打印、声光报警等功能。整个系统具有运行稳定可靠、测量准确、测量范围广、易于操作等特点，适合我国电网发展的实际情况。

【关键词】红外测温技术；电力设备；热故障；在线监测

0 引言

随着我国电网建设步伐进一步提速，建设规模不断提高，电力设备数量不断增长，设备故障风险也显著增大。建设安全、智能电网目标的提出，对电网安全稳定运行提出了更高的要求，电力设备需可靠运行，并且应及时发现并排除故障。电力设备发生故障主要涉及到热、电、磁、力等各方面，但绝大多数故障缺陷主要表现为温度异常，能将温度监测值作为电力设备运行状态评估和分析的依据，温度是设备状态重要的指标之一。

红外测温技术是一种较为有效的温度检测手段，直观、准确，具有简便、快速、灵敏、距离远、不接触、不解体、不取样、设备不停运等优点。应用红外测温技术对电力设备运行状态进行在线监测，能够有效检测和准确诊断电力设备的故障和过热缺陷，对电力设备的早期热缺陷、故障以及绝缘性能可靠预测，不影响设备的正常使用，为设备状态评估提供有效依据，是实现设备状态监测的重要手段之一。采用红外测温技术对电力设备热故障进行在线监测，是近些年电网大力发展的一项新技术，可快速、准确的发现电力设备热故障，对设备缺陷早发现早处理，提高了电网的安全性和可靠性，对保障电网安全稳定运行发挥了重要作用。

1 系统总体方案

本监测系统主要由红外测温单元、数据通讯系统和上位机综合管理平台等几部分组成。红外测温单元主要任务是监测电力设备的实时温度情况，安装在电力设备附近。数据通讯系统负责将采集存储的设备温度等数据传送至上位机。综合管理平台是对整个温度监测系统进行管理，完成温度参数的记录、分析和报警等功能。系统结构框图如图1所示。

2 红外测温单元设计

红外测温单元以80C196KC单片机为核心，配备了适当的接口电路，硬件框图如图2。

2.1 单片机系统

80C196KC 是INTEL公司开发生产的16位单片机，自身带A/D转换器、外设事务服务器、监视定时器、波形发生器、高速输入器、高速输出器以及多个硬件定时器等I/O功能部件。它能进行带符号和不带符号的32位除16位、16位除8位、16位乘16位、8位乘8位的算术运算，此外还有符号扩展、数据格式化等功能，具有很强的数据处理能力。80C196KC单片机在构成智能化测控系统时比其它单片机具有较大优势，可减小系统的硬件和软件开销，减小设计的工作量和系统的成本，提高运行效率，增强系统的可靠性、灵敏性和准确度。

EPROM采用27512芯片，用来存储不允许丢失的固定程序部分。6264芯片为随机存储器RAM，存储可以任意修改的一些暂存数据。EEPROM为2864芯片，存放可修改但不能丢失的数据。单片机的数据总线通过三态缓冲器74LS245与以上存储器的数据总线相连，以增强总线驱动能力，并利用锁存器74LS373实现地址线和数据线的分离。

2.2 温度采集电路

选择设计红外测温电路主要考虑性能指标、环境和工作条件、维修和校准性能以及价格等三个方面。本装置使用雷泰公司的 MID10LT 型温度传感器作为红外测温元件。MID10LT 是一种两件式非接触红外温度测量传感器，由一个微型探头和独立的电路盒组成。探头通过电缆连接到电路盒上，可准确地测量物体辐射的能量并将其转化成温度信号。MID10LT温度传感器可以探测目标温度范围在-40～600℃内，探头封闭在坚实耐用的不锈钢外壳内。电路盒与传感探头是分离的，在较高温度的恶劣工作环境中，无需加装冷却套保护，也可以保证长期稳定运行，探头的参数可以在电路盒内调节，使用方便。

2.3 时钟电路

时钟电路主要由多功能日历时钟芯片DS12887构成。DS12887是一个具备8位并行数据接口的万年历实时时钟芯片，内部自带晶振和电池，断电情况下能长时间保存信息不丢失。该芯片的主要技术特点是：具有完备的时钟、闹钟及百年日历功能；可用二进制码或BCD码表示时间、日历和报警值；计秒、分、时、天、星期、日、月、年，并有闰年补偿功能；12或24小时制计时模式自由转换；可编程的周期中断、报时中断和方波发生器输出；14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器和4个状态寄存器；114字节掉电保护低功耗RAM。时钟电路主要完成计时功能，同时提供秒中断信号。

2.4 键盘和显示电路

键盘输入电路采用8279芯片。显示电路为192×128点阵液晶显示器，通过显示控制器可实现文本显示和图形显示。

2.5 软件程序

在进行软件程序设计时，主要考虑了以下几个方面：1）实行结构化程序设计，各功能程序实行模块化、子程序化，既便于连接、调试，又便于修改、移植。2）合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时器/计数器、中断源等。3）加强软件的抗干扰设计。软件系统由以下几个模块组成：主程序模块、中断服务子程序模块、温度信号采集子程序模块、数据处理存储子程序模块、键盘处理子程序模块、显示子程序模块等。

3 上位机综合管理平台

综合管理平台的软件开发工具为Visual C++语言。Visual C++语言是一种全面的应用程序开发环境，包括代码的编写、编译、调试和运行，充分利用了 Windows 的所有功能。上位机综合管理平台是一个数据采集管理软件，对温度数据进行实时处理和显示，并为操作人员提供一种监视管理的方法和手段。综合管理平台利用Zigbee无线通讯技术接受红外测温单元提供的电力设备温度数据，并记录存储温度数据。设置了采样数据越界报警功能，以保证及时监测到电力设备热故障和缺陷。针对电力设备温度监控的特点与要求，本管理软件由数据采集、数据存储、数据与图表显示、阈值报警、数据查询等几个功能子模块构成。该平台具有用户管理设置、温度数据记录、温度曲线绘制、历史数据查询和打印、声光报警等功能。

4 结论

针对监测现场为强电、强磁环境，监测对象为高压电力设备等实际情况，本文采用非接触式红外测温技术，设计了电力设备热故障在线监测系统。经过实验室模拟实验，该系统具有运行稳定、抗干扰能力强、可靠性较高、测量范围广、测量准确、易于操作等特点，适合我国电网发展的实际情况，在电力部门有进一步推广应用价值，有较为广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]刘恒辉，尹勇，李宇.基于FPGA的高精度红外测温系统的研究与实现[J].电子器件，2009，32（2）：454-459.

[2]杨立，杨桢，等.红外热成像测温原理与技术[M].科学出版社，2012.

[3]崔雨，李鸿飞.红外测温仪的原理与实际应用指南[J].自动化与仪器仪表，2009，29（6）：103-107.

[4]陈衡，等.电力设备故障红外诊断[M].中国电力出版社，1999.

[5]陈定辉.浅论红外测温技术在变电运行中的应用[J].广东科技，2012，2（23）：123-125.