换流站阀厅红外在线测温系统设计

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(国网四川省电力公司 检修公司，成都 610000)

换流站阀厅红外在线测温系统设计

丁志林，彭东，蒲守文，刘酩，邱大强

(国网四川省电力公司检修公司，成都610000)

为减少换流站阀厅人工测温的劳动强度，提升阀厅设备异常诊断效率，保障和提高电力设备的运行可靠性，需要对换流站阀厅在线测温系统进行设计；当前方法利用人工接触式测温，并采用固定的监控实现阀塔温度的检查，存在劳动强度大、测温仪的盲区较多，巡检人员的技能水平和责任心致使巡检质量的随机性较大等问题；很难实现巡视范围的全方位覆盖，阀塔设备运行过程中存在较大的隐患；为此，提出一种基于红外对换的流站阀厅在线测温系统；该系统利用AT89C51单片微型计算机、温度采集、测温电路、系统电源电路以及看门狗电路等模块结合组建测温系统的整体结构，通过PXA270处理器、复位电路、A/D转换器、USB接口、温度传感器、红外测温探头、RS485接口等构成系统的硬件部分；根据DS18B20对在线测温电路进行设计，通过7805三端稳压片实现系统电源电路的设计；系统的软件部分对换流站设备辐射度和温度之间的关系进行研究，并利用换流站阀厅温度异常判断方法实现换流站设备故障诊断；实验结果证明，所提方法能够有效对换流站阀厅电力设备的早期缺陷进行实时监测，提高在线测温系统的运行效率，减少各种因阀厅温度的增加而导致设备产生故障的概率。

换流站；阀厅；红外在线测温

0 引言

换流站指的是在高压的直流输电系统内，为实现交流电转换为直流电，或者是直流电转换为交流电，从而达到电力系统安全稳定和电能质量要求所建立的站点[1]。而温度是工业或者电力中比较普遍且重要的热工参数。在高压的直流输电系统内，换流阀作为交流电和直流电转换过程中最核心的设备，其中换流阀安装于阀厅的内部，结构大多是悬吊式双重，或者是四重阀塔，而阀组件是比较基本的阀单元，它是利用一定数量的阻尼电容、饱和电抗器、晶闸管、TVM板以及均压电容等构成[2]，其中的任意一个元器件发生故障，比如漏水、爆炸、短路或者过热都有可能致使直流系统被迫停运，还可能会给跨区域电网运行，带来难以估计的后果[3]。所以保障换流站阀厅中的设备正常运行，是至关重要的，正确检测出换流站阀厅设备的异常，避免阀厅内因温度过高产生故障导致设备的停运变得尤为重要[4]。当前，换流站设备的巡检工作通常是由运行人员利用热成像仪完成，发现温度异常后，利用电话或邮件进行汇报，再由专业人员复测分析。该过程反映时间慢，部分特殊异常点容易漏检，各换流站图像以及故障图像存储凌乱[5]。常识中，温度上升到燃点会导致设备着火，所以换流站阀厅在线测温系统设计方法的研究迫在眉睫。当前方法换流站阀厅的人工巡检与固定位置监视的方式都存在着视觉盲区，没办法对阀塔内部每台设备的温度都得以监视，在这种情况下，如何实现换流站阀厅在线测温系统的智能化、安全化、稳定化设计，成为亟待解决的问题[6]。换流站阀厅红外在线测温系统设计方法，可以对换流站阀厅进行可靠、高精度、高效率地在线测温，是解决上述问题的有效手段[7]。

文献[8]方法通过集成发光二极管搭建非接触式温度测量系统，用来实现不同特征区域温度的测量。对系统信号的采集和转换、测温特性指标和微热管热性能做研究。利用LabVIEW编程完成传感器对换流站阀厅设备信号的采集和温度的转换，把不同的温度加热块当作等温体的参考，将热电偶和测温结果进行比较，实现静态与动态测温特性的分析，从而利用环境温度修正LED辐射热所引起传感器的漂移误差构建测试系统。根据测试系统在不同的热负载下，对该在线测温系统进行了实验，实验结果表明，该方法具有测温精度高的优点，但是存在耗时长的缺陷。文献[9]方法根据故障分析和建模分析以及现场试验，研究换流站阀厅设备检修等相关问题。特别指出了换流站直流输电系统中设备的数量较多，比较适合利用在线色谱，SF在线监测等技术，过渡到状态检修。将直流输电能量的可用率指标作为分析目标，分析换流站检修工期的安排问题，并对其进行优化。尤其是对共用的接地极直流系统中接地极线路的检修工期，和安全措施布置问题进行分析。该方法对换流站阀厅的测温偏差较小，但是过程相对繁琐。文献[10]方法提出根据时分多址通信技术实现无线组网，对测温系统分时处理，使测温系统按严格时序进行工作，以IEC61850标准当作基础，对系统的整体结构进行设计，使通信体系和智能换流站更加兼容，更加符合电网的要求，并针对母排供电困难问题，对系统进行低功耗设计。该方法具有一定的实际应用价值，但是系统的稳定性较低。

针对上述产生的问题，利用红外对换流站阀厅在线测温系统进行设计。实验证明，所提方法可以对换流站阀厅故障发生的所在位置进行准确定位，不仅减少了大量的人力物力和财力，而且为换流站阀厅中的设备运行状态，提供了非常客观的估计依据，为实现电力设备状态的实时检修提供了十分重要的支撑。

1 换流站阀厅红外在线测温系统设计

在具体方案设计中，以AT89C51作为整体温度采计系统的核心，辅以具有高性能的74LS373为数据处理核心，利用基于TCP/IP协议的现代网络通信技术，方能构造完善的换流站法统红外在线测温系统硬件结构。具体系统设计参数如表1所示：

表1 换流站阀厅红外在线测温系统参数

1.1 系统整体结构设计

图1 系统整体结构设计

对换流站阀厅进行红外在线测温系统设计的整体结构利用AT89C51单片微型计算机、温度采集、测温电路、通讯口、智能报警、远程监控、系统电源电路以及看门狗电路结合，形成红外在线测温系统网。

1.2 换流站阀厅红外在线测温系统硬件设计

图2 测温系统硬件设计

红外在线测温装置主要通过PXA270处理器、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、复位电路、A/D转换器、摄像头、USB接口、温度传感器、红外测温探头、RS485接口以及旋转云台等构成。PXA270处理器是基于ARMv5TE的XScale核心，最高工作效率为624 MHz，测温系统的复位电路根据的是Catalyst公司的CAT1025，转换器采用的是TLV1543，RS485接口与旋转云台进行连接，根据云台中的解码板完成云台旋转控制。

1.2.1 系统温度采集结构设计

图3 温度采集设计图

换流站阀厅红外在线温度采集终端装置，采用温度传感器，对换流站阀厅接头的温度数据进行采集，并将采集到的数据传输至微处理器进行处理。

1.2.2 测温电路设计

图4 测温电路图

换流站阀厅红外在线测温电路利用的是DS18B20，DS18B20是单线数字的温度传感器，它基本不用外围电路，就可以和单片机直接用1根线进行连接，上图就是多个DS18B20经过单总线和单片机连接的原理，利用该原理可以对换流站阀厅进行良好地红外在线测温。

1.2.3 系统电源电路设计

图5 系统电源电路图

由于单片机的工作电源是+5 V，而且底层电路的功耗特别小，所以在换流站阀厅红外在线测温系统电源电路中，通过7 805三端稳压片就能满足上述要求。

1.2.4 系统看门狗电路图

图6 看门狗电路图

出于对换流站阀厅红外在线测温系统底层电路板工作环境的考虑，单片机容易受到电路板恶劣环境的干扰，可能会导致红外在线测温系统产生跑飞或者死机等，不可预知的现象发生，要想实现换流站阀厅红外在线测温系统的智能性，工作人员不可能去现场重启单片机，所以在该系统设计中，在单片机电路上添加一个看门狗，可以定时对单片机工作状态进行查询，一旦发现测温异常，就立即将单片机重启，这样可以保障测温系统的正常运行。

2 换流站阀厅红外在线测温系统软件设计

2.1 换流站设备辐射度和温度之间的关系

软件的开发主要是在Linux的环境下，利用ANSI C以及LinuxC语言共同开发，软件部分利用uboot、linux2.6内核、驱动程序和应用程序构成。根据上述环境，并以1中系统整体结构图和系统的硬件设计为基础，实现换流站阀厅在线测温系统的软件设计。根据多方研究可知，当物体的温度比-273 ℃(绝对零度)高时，该物体会向外辐射一定的红外线，而红外能量大小是按照红外线的波长分布决定的，所以只需捕捉换流站设备自身所辐射出的红外能量，就可以准确测定该设备的表面温度。

利用玻尔兹曼定理可知，对于绝对黑体，其总辐射能Pb(T)=σT4，其中，Pb(T)代表总辐射能，σ代表玻尔兹曼常量，σ=5.67032×10-8W/m2K，T代表换流站设备的热力学温度，而对于非黑体的设备，其总辐射能Pb(T)=εTσT4，εT代表黑体的系数，0lt;εTlt;1。则所测换流站设备的温度计算公式如下：

(1)

事实上，辐射红外线的波长与设备温度有关，设备表面的温度越高，其辐射的能量就越强，假设温度为T的绝对黑体，它在半球方向上所辐射的波长是λ的辐射度可利用下式表示：

(2)

其中:c代表光速，h代表普朗克常数，h=6.626176×10-34 J·s，k代表波尔兹曼常数，k=1.38066244×10-23J/K，C1代表第一辐射常数，C1=3.7418×10-16W·m2，C2代表第二辐射常数，C2=1.4388×10-12m·K。

热辐射光谱内包含各种长波，换流站阀厅内的设备峰值辐射波长和设备自身绝对温度T有以下关系：

λmT=2 897.8 μm·K

(3)

其中:λm代表峰值响应波长。

2.2 换流站阀厅温度异常判断方法

换流站阀厅的故障种类各种各样，不过大多数故障的发生都和发热有着不可分割的关系，比较常见的热故障判断方法有：表面温度判断方法、图像特征判断方法、相对温差判断方法、档案分析判断方法、实时分析判断方法以及同类比较判断方法，其中，不同设备一般会利用不同判断方法，例如：断路器故障一般是因为内部的载流回路，接触不良而造成的过热故障，通常能够根据相对温差法对其进行诊断，也就是相对温差：

(4)

式中，T0代表环境温度的参照体温度，T代表换流站设备发热点的温度，T2代表正常相对点温度，对相对温差值进行计算，并通过设备的类型不同，对其高温产生的故障类型进行判断。假设在监测断路器中，Δ%gt;95%代表紧急缺陷，80%lt;Δ%lt;95%代表重大缺陷，20%lt;Δ%lt;80%代表一般缺陷。根据上述多种方法可准确对换流站阀厅内各种设备因温度的上升，而造成的故障进行诊断。

3 实验结果与分析

为了证明换流站阀厅红外在线测温系统设计方法的可靠性与可行性，需要进行一次实验。在Java的环境下搭建换流站阀厅在线测温实验平台，实验数据取自于某换流站。利用本文所提方法实现阀厅的在线测温，观察本文方法的整体性能。

3.1 实验参数

实验器材：非制冷的红外热像仪：氧化钒机芯的分辨率为320*240，帧频是25帧/s，其非均匀性小于等于0.25%，NETD值比50 mk@25℃/F=0.7。

在上述的实验参数基础上，利用以色列CI公司所生产的SR-800-7D-ET黑体的辐射源：其精度为0.001 ℃，且温度范围在-20 ℃至65 ℃，均匀度为±0.015 ℃。热像仪测温的过程中，亮度与对比度设置为340、40。环境的温度大概在16 ℃左右，湿度为恒定值。

黑体距离热像仪镜头的距离为66 cm，在实验过程中，固定热像仪与黑体间的距离是66 cm，调节黑体的温度，并记录热像仪测得的灰度值。选择环境的温度是25.3 ℃。实验得到的结果如下，其中，表2是对本文方法黑体温度(0 ℃)和灰度值(%)关系描述。当环境温度为25.3 ℃时，灰度值的变化区间在110至251。图7是在一定的温度下，本文方法黑体温度( ℃)和灰度值(%)间的拟合程度。下式为根据最小二乘方法拟合获得的线性方程，也就是被测换流站设备黑体温度T和测量灰度值x间的关系，热像仪标定方程为：

T=0.0545x+20.51

(5)

表2 黑体温度和灰度值关系(环境温度：25.3 ℃)

图7 本文方法黑体温度和灰度值间的拟合程度

3.2 实验结果分析

3.2.1 实验方法及步骤

1)通过实际测量得出换流站设备的黑体温度和灰度值，研究二者数值变化关系，从而得出拟合程度；

2)在距离66 cm热像仪标定基础上，观察本文方法、文献[8]方法、文献[9]方法和文献[10]方法的测温距离下，对比其测温准确率；

3)三种方法的换流站阀厅在线测温用时。

3.2.2 结果分析

分析上述实验结果，换流站设备黑体温度和测温的灰度值之间的关系基本为线性的，与热像仪标定方程基本符合，和期望值也相符，说明了本文所提方法在假设已知环境温度下的参数，设备的黑体温度和灰度值间基本拟合，拟合线为一直线。根据该拟合程度，提高了换流站阀厅红外在线测温的精度，证明了本文所提方法具有现实可行性。下面是对红外在线测温距离精度的研究。

在上述实验中，距离66 cm热像仪标定基础上，观察不同方法在不同的测温距离下，测温准确性。设置测温距离为50 cm、79 cm、106 cm、121 cm、145 cm，图8是不同方法测温准确率(%)对比。

图8 不同方法测温准确率对比

文献[8]方法利用LabVIEW编程完成传感器对换流站阀厅设备信号的采集和温度的转换，把不同的温度加热块当作等温体的参考，但是温度加热块具有不同的特征，如果将其作为温体的参考，就需要设置特征提取模块，将不适合作为温体的温度加热块进行剔除。但是文献[8]方法没有该步骤，所以导致文献[8]方法换流站阀厅测温准确率偏低。文献[9]方法指出了换流站直流输电系统中设备的数量较多，比较适合利用在线色谱，SF在线监测等技术，过渡到状态检修。但是没有交流电的检修技术，降低了换流站阀厅测温正确率。文献[10]方法根据时分多址通信技术实现无线组网，对测温系统分时处理，使测温系统按严格时序进行工作，但是时序的排列中有很多不确定因素，致使换流站阀厅在线测温正确率低。而本文方法对换流站设备辐射度和温度之间的关系进行了分析，并对换流站阀厅温度异常的判断进行了研究，提高了换流站阀厅在线测温正确率，进一步证明了本文方法所设计出的换流站阀厅在

图9 不同方法换流站阀厅在线测温用时对比线测温系统，具有良好的性能。也说明了本文方法具有可扩展性。下图是不同方法换流站阀厅在线测温用时(s)对比。

分析图9可知，本文所提方法换流站阀厅在线测温用时，明显少于文献所提方法换流站阀厅在线测温用时。因为在利用本文所提方法对换流站阀厅在线测温系统进行设计时，对红外在线测温系统的整体结构进行组建时，利用的是AT89C51单片微型计算机，而系统的红外在线测温装置主要通过PXA270处理器、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、复位电路、A/D转换器、摄像头、USB接口、温度传感器、红外测温探头、RS485接口以及旋转云台等构成，减少了换流站阀厅在线测温时间，增加了测温系统的稳定性。

实验证明，所提方法可以比较精确地对换流站阀厅设备温度进行测量。还可以以非接触、灵敏度高、远距离、速度快、范围广和在图像中就能选取到被测设备的优点。

4 结束语

采用当前方法对换流站阀厅在线测温系统进行设计时，无法安全稳定地对其进行比较完善的设计，存在可扩展性低，测温耗时长等问题。提出一种基于红外技术的换流站阀厅在线测温系统，并通过实验证明，所提方法能够实现大范围，类型多换流站阀厅设备温度的实时在线监测，可以使设备运行的温度在可控范围内，所设计的系统在现场安装方便。

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DesignofInfraredon-lineTemperatureMeasurementSystemforValveHallofConverterStation

Ding Zhilin,Peng Dong,Pu Shouwen,Liu Ming,Qiu Daqiang

(State Grid Sichuan Electric Power Company Maintenance Company, Chengdu 610000 ,China)

In order to reduce the labor intensity of the manual measurement of temperature in the valve hall of converter station, to improve the abnormal diagnosis efficiency of the equipment in the valve hall and to guarantee and improve the operation reliability of the power equipment, it is necessary to design the on-line temperature measurement system of the valve station of the converter station. The method of using artificial contact temperature, and the fixed temperature monitoring valve tower inspection, more blind has large labor intensity measuring instrument, the problem of large random inspection personnel skills and responsibility in quality inspection. It is difficult to achieve full coverage of the scope of inspection, there is a big hidden danger in the operation of the valve tower equipment. Therefore, an on-line temperature measurement system based on infrared switching for valve station of flow station is proposed. The system uses AT89C51 single chip microcomputer, temperature acquisition, temperature measurement circuit, power supply circuit and watchdog circuit module with the overall structure of the formation of the temperature measurement system, through the PXA270 processor, a reset circuit, A/D converter, USB interface, temperature sensor, infrared temperature probe and RS485 interface to form the hardware part. According to the DS18B20 on-line temperature measurement circuit design, through the 7805, three terminal voltage regulator to achieve the system power circuit design. The software part of the system studies the relationship between the radiation degree and the temperature of the converter station, and realizes the equipment fault diagnosis of the converter station by using the temperature anomaly judgment method of the valve hall of converter station. Experimental results show that the proposed method can effective early defect of valve hall of power equipment for real-time monitoring, improve the efficiency of online temperature measurement system, reduce by increasing the valve hall temperature due to the probability of equipment failure.

Converter station;The valve hall;Infrared online temperature measurement;

2017-06-10；

2017-07-21。

四川省电力公司科技项目(52196214000B)。

丁志林(1978-)，男，湖北麻城人，高级工程师，主要从事高压直流输电系统运维检修管理方向的研究。

1671-4598(2017)09-0047-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.013

TM721

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