紅外熱像在線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引 言

　　在供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展極為迅速和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨合理化的今天，國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的要求越來越高。紅外熱像測(cè)溫技術(shù)在電力工業(yè)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但紅外熱像圖數(shù)據(jù)的大容量與傳輸方式有限性之間的矛盾也越來越突出，而發(fā)展到目前，中國(guó)移動(dòng)強(qiáng)大的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)為這一問題提供了很好的解決方案。因此，研究輸電線路紅外熱像在線測(cè)溫是一項(xiàng)迫切而艱巨的任務(wù)。

　　輸電線路紅外熱像在線測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的紅外熱像技術(shù)，對(duì)輸電線路運(yùn)行溫度進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)；利用已有的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)熱像圖數(shù)據(jù)的傳輸，具有覆蓋面廣，無需增加傳輸設(shè)備和線路的特點(diǎn)，特別適用于無法架設(shè)線路的偏遠(yuǎn)地域的輸電線路場(chǎng)合。系統(tǒng)圖像采集與傳輸終端由紅外熱像圖采集模塊、圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊、圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊和太陽能供電裝置等組成，其中圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊采用JPEG硬件壓縮編碼技術(shù)，對(duì)靜態(tài)圖像進(jìn)行壓縮編碼，最大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源，提高了圖片的傳輸速度。為了解決設(shè)計(jì)中的高速率圖像采集、壓縮控制與數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)較慢帶來的變速率采樣問題，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用微控制器加可編程邏輯控制芯片(MCU+CPLD)的方案，各項(xiàng)子功能由標(biāo)準(zhǔn)通用模塊完成，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)整體性能，用戶可以利用PC機(jī)通過Internet上實(shí)現(xiàn)熱像圖的遠(yuǎn)端采集與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

　　1 紅外熱像技術(shù)在輸電線路溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用模型

　　1．1 紅外熱像技術(shù)簡(jiǎn)介

　　紅外熱像技術(shù)是探測(cè)輸電線路中各種電氣設(shè)備表面輻射的不為人眼所見的紅外線的技術(shù)。它反映設(shè)備表面的紅外輻射場(chǎng)，即溫度場(chǎng)。并根據(jù)設(shè)備表面的溫度場(chǎng)，測(cè)量設(shè)備某一部分的平均溫度。是一種被動(dòng)的、非接觸式的檢測(cè)手段。紅外熱像儀就是利用該技術(shù)制作而成的檢測(cè)設(shè)備，目前已在電力設(shè)備故障診斷領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其簡(jiǎn)單工作示意圖如圖1所示。

　　1．2 紅外熱像技術(shù)在輸電線路溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　輸電線路的溫度信息可以通過紅外圖像進(jìn)行有效反映。紅外成像是惟一一種可以將熱信息瞬間可視化，并加以驗(yàn)證的診斷技術(shù)。紅外熱像儀可揭示熱故障，并通過非接觸溫度測(cè)量加以定性分析，在專業(yè)的紅外分析軟件的幫助下，數(shù)秒內(nèi)便可自動(dòng)完成分析報(bào)告。

　　所有利用或者發(fā)射能量的設(shè)備在發(fā)生故障前都會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象。保證電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵便是對(duì)能源的有效管理，而紅外熱像技術(shù)已成為預(yù)防性維護(hù)領(lǐng)域最有效的檢測(cè)工具，它能夠在設(shè)備發(fā)生故障之前，快速、準(zhǔn)確、安全地發(fā)現(xiàn)故障。在電氣接點(diǎn)發(fā)生故障之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維修，可以避免輸電線路因高溫?zé)峁收显斐蓴嚯姷綦娝鶐�來的高昂代價(jià)。

　　[$page]　　紅外熱像儀能夠正確引導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)專家對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。可以將測(cè)量溫度值與歷史溫度進(jìn)行比較，或者與相同時(shí)間同類設(shè)備的溫度讀數(shù)進(jìn)行比較，以準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生了顯著的溫升，是否會(huì)導(dǎo)致部件失效，帶來生產(chǎn)隱患。主要用于電力預(yù)防性維護(hù)等用途。特別是用于輸電線路預(yù)防性維護(hù)、檢測(cè)方面，具有很大的優(yōu)越性。

　　2 輸電線路紅外熱像在線測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

　　2．1 系統(tǒng)的工作原理

　　安裝在輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的前端采集終端利用高精度數(shù)字式溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度參數(shù)值進(jìn)行采集；利用高精度紅外熱像儀對(duì)準(zhǔn)需要進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的電氣設(shè)備。前端系統(tǒng)定時(shí)地采集到各種電氣設(shè)備有關(guān)溫度分布的熱像圖后，將數(shù)據(jù)傳送給電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)經(jīng)過分析處理后將熱像圖進(jìn)行壓縮和打包處理，然后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)送到監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器上。數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝相應(yīng)的應(yīng)用軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，主要完成熱像圖的接收與解壓還原，之后以圖像和圖形的形式將各種電氣設(shè)備的溫度分布情況直觀的顯示在客戶端，不同溫度以不同顏色顯示。系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)和各種修正理論模型分析各種電氣設(shè)備存在的熱缺陷和故障狀態(tài)，及時(shí)給出診斷信息，有效預(yù)防輸電線路高溫?zé)峁收系陌l(fā)生。系統(tǒng)集成了環(huán)境溫度在線監(jiān)測(cè)和輸電線路溫度分布的在線紅外熱像監(jiān)測(cè)等，并借助現(xiàn)有中國(guó)移動(dòng)強(qiáng)大的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路溫度狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

　　2．2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：圖像采集與傳輸終端(前端)；監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器(中心端)。在系統(tǒng)構(gòu)成上可分為上位機(jī)(監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器)和下位機(jī)(圖像采集與傳輸終端)兩大部分。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)圖像采集與傳輸終端進(jìn)行管理和控制，處于管理層次的上層，因此稱為上位機(jī)。圖像采集與傳輸終端處在數(shù)據(jù)中心的控制下，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，處于管理層次的下層，因此稱為下位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖像采集與傳輸終端包括以圖像采集芯片處理器為核心的圖像采集與JPEG壓縮部分和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸部分以及紅外報(bào)警部分。圖像采集部分由視頻A／D芯片實(shí)現(xiàn)模擬圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，使用專用芯片實(shí)現(xiàn)JPEG圖像壓縮編碼。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分由專用GPRS模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，它與圖像采集部分的接口是通用異步串行接口(UART)。紅外報(bào)警部分實(shí)現(xiàn)輸電線路溫度出現(xiàn)異常狀況的報(bào)警功能。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)原始圖像的采集和壓縮以及壓縮圖像數(shù)據(jù)的GPRS無線信道傳輸，這些功能都由相應(yīng)的軟件支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

　　[$page]　　服務(wù)器包括硬件和軟件，硬件為具有公網(wǎng)IP地址的計(jì)算機(jī)，軟件即為服務(wù)器程序，由服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和中心間的命令傳遞和數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器也包括硬件和軟件部分。硬件為一臺(tái)能接入Internet的計(jì)算機(jī)，軟件為監(jiān)控程序，電腦的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為公網(wǎng)、動(dòng)態(tài)IP。在這里特別指出，因?yàn)楸O(jiān)控中心端滿足服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)要求，所以該系統(tǒng)將服務(wù)器和監(jiān)控中心端放到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，以節(jié)約硬件和網(wǎng)絡(luò)資源。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)壓縮圖像數(shù)據(jù)的接收及解碼和接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫保存和處理。

　　2．3 系統(tǒng)的功能描述

　　2．3．1 上位機(jī)(監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器)