摘要：針對(duì)當(dāng)前輸電線路溫度檢測(cè)的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種新型基于GPRS傳輸?shù)妮旊娋€路紅外熱像檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能以及各部分組成，主要包括硬件和軟件方面設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)選用紅外攝像檢測(cè)技術(shù)獲得紅外攝像圖，并結(jié)合GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路溫度實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路的重要部位實(shí)時(shí)或定時(shí)的紅外熱圖像故障檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
0 引言
近年來(lái)，供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日趨科學(xué)化，國(guó)家對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性、安全性的問(wèn)題日益突出。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)域得到了越來(lái)越寬泛的應(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(lái)越突出，而發(fā)展到目前中國(guó)移動(dòng)強(qiáng)大的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)為這一問(wèn)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)迫切的任務(wù)。
目前，輸電線路監(jiān)測(cè)已經(jīng)有所發(fā)展，并且日趨完善。在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用到紅外測(cè)溫診斷技術(shù)是一種先進(jìn)的故障檢測(cè)手段，具有遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、不解體等特點(diǎn)。系統(tǒng)中重要的前端紅外設(shè)備為紅外熱像儀。紅外熱像儀通過(guò)檢測(cè)被診斷物體的紅外輻射信號(hào)獲得熱狀態(tài)特征，并根據(jù)這種熱狀態(tài)特征及適當(dāng)?shù)呐袚?jù)，做出有無(wú)故障及故障屬性、出現(xiàn)位置和嚴(yán)重程度等判別。單有紅外熱像儀都無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線檢測(cè)，如果利用已有的GPRS無(wú)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(wú)需增加傳輸設(shè)備和線路的特點(diǎn)，特別適用于無(wú)法架設(shè)線路的偏遠(yuǎn)地域的輸電線路場(chǎng)合。
1 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)的工作原理
輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的采集終端設(shè)計(jì)安裝了高精度紅外熱像儀，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)的采集到各種重要電氣設(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(guò)分析處理后將熱像圖進(jìn)行壓縮和打包處理，然后通過(guò)GPRS無(wú)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地顯示在客戶端，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)集成了輸電線路溫度分布的在線紅外熱像監(jiān)測(cè)的各種功能模塊，并借助GPRS無(wú)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)。
1．2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要分為監(jiān)測(cè)前端、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分。監(jiān)測(cè)前端硬件主要由主控制模塊、圖像采集模塊、圖像壓縮模塊以及紅外報(bào)警模塊五部分組成。
監(jiān)測(cè)前端的圖像采集與壓縮模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)與前提，其結(jié)構(gòu)和性能直接決定了整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。圖像采集與壓縮終端包括以圖像采集芯片處理器為核心的圖像采集與JPEG壓縮部分以及紅外報(bào)警部分。主要實(shí)現(xiàn)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)原始圖像的采集和壓縮，這些功能都由相應(yīng)的軟件支持系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。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。
無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)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)。
監(jiān)控中心即監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器與前端硬件系統(tǒng)起著承上啟下的作用。其結(jié)構(gòu)框圖如1所示。
1．3 監(jiān)測(cè)前端硬件整體設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)前端主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、打包和傳輸?shù)取１O(jiān)測(cè)前端采集溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集，更進(jìn)一步確認(rèn)導(dǎo)線的狀況。監(jiān)測(cè)終端設(shè)備安裝在野外，取電困難，所以選用太陽(yáng)能加蓄電池的供電。
監(jiān)測(cè)前端的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。根據(jù)實(shí)際的需要，監(jiān)測(cè)前端的微控器選用了基于ARM7內(nèi)核RISC結(jié)構(gòu)的LPC2368微處理器。它是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有512 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器，且具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)的功能。控制器管理太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池的充電，并保證蓄電池對(duì)系統(tǒng)供電電路的放電。供電電路將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各部件電源所需的電壓。圖像采集模塊將攝像機(jī)拍攝的圖片壓縮為壓縮比適中的JPG格式，以適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)窄帶傳輸?shù)男枰o(wú)線通信模塊采用內(nèi)嵌TCP／I協(xié)議的MC55，連接監(jiān)控中心與監(jiān)控終端，以實(shí)現(xiàn)它們之間的通信。JTAG接口可用于對(duì)LPC2368內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn)，通過(guò)該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。此外，還有存儲(chǔ)單元，看門狗單元以及時(shí)鐘電路等外圍電路。
為了滿足系統(tǒng)低功耗的要求，采用了一系列降低系統(tǒng)功耗的措施，如選擇低功耗元件、合理利用外圍設(shè)備的睡眠模式、分時(shí)供電等一系列低功耗措施，給功耗較大傳感器加上開(kāi)關(guān)電路，在不用的時(shí)候關(guān)閉電源，以達(dá)到節(jié)電的目的。而且，圖像采集模塊，攝像機(jī)等部件的功耗較大，均加上了開(kāi)關(guān)電路，確保系統(tǒng)在無(wú)光照情況下可以長(zhǎng)時(shí)間工作。
1．4 監(jiān)測(cè)中心即監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器
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。本系統(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。
監(jiān)測(cè)中心主要功能：系統(tǒng)在用戶計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。主要完成對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集，并將系統(tǒng)中心端的相關(guān)配置信息、設(shè)置狀態(tài)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。具體來(lái)說(shuō)有如下功能：
(1)顯示功能：包括溫度傳感器采集數(shù)據(jù)、紅外熱像監(jiān)控器熱像圖的顯示、歷史值的顯示和按照時(shí)間顯示數(shù)據(jù)等；
(2)存儲(chǔ)功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、運(yùn)行記錄、當(dāng)前狀態(tài)的儲(chǔ)存；
(3)整理功能：對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，刪除選定的歷史數(shù)據(jù)文件，刪除某段時(shí)間以前的歷史數(shù)據(jù)。
(4)打印報(bào)表：選定日期和報(bào)表類型，即可打印。
2 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)包括前端圖像采集與傳輸終端軟件及監(jiān)控中心端軟件。
2．1 前端軟件的設(shè)計(jì)
前端硬件內(nèi)嵌μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ是一個(gè)源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，適合小型控制系統(tǒng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，先將實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ移植到LPC2368中，并根據(jù)所需完成的功能和需求，將系統(tǒng)劃分為7個(gè)任務(wù)：看門狗任務(wù)、系統(tǒng)初始化任務(wù)、氣象數(shù)據(jù)采集任務(wù)、圖像采集任務(wù)、短消息處理任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)消息處理任務(wù)及數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)定了合理的任務(wù)優(yōu)先級(jí)，并通過(guò)在各中斷中發(fā)送信號(hào)量運(yùn)行相應(yīng)的任務(wù)。軟件流程圖如圖3所示。
2．2 監(jiān)控中心軟件
監(jiān)控中心軟件負(fù)責(zé)指揮控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，完成監(jiān)控和管理功能，還要與前端硬件進(jìn)行通信，完成對(duì)采集到數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)、處理及預(yù)警，根據(jù)制定的通信協(xié)議對(duì)前端進(jìn)行控制，對(duì)前端系統(tǒng)軟件在線升級(jí)。監(jiān)控中心軟件主要設(shè)計(jì)為三個(gè)部分：圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理和網(wǎng)絡(luò)通信。圖形監(jiān)控部分負(fù)責(zé)對(duì)采集的圖片進(jìn)行顯示；數(shù)據(jù)處理部分對(duì)采集的數(shù)據(jù)按照覆冰模型算法進(jìn)行計(jì)算，顯示計(jì)算結(jié)果，提供報(bào)警信息，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信部分主要負(fù)責(zé)與終端的通信，接收終端分機(jī)數(shù)據(jù)，并控制終端。此外，監(jiān)控中心軟件還提供數(shù)據(jù)查詢、分析、打印，曲線顯示，客戶機(jī)有權(quán)限的鏈接查詢等功能。
監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)是本系統(tǒng)的重要組成模塊，它可以分析輸電線路中各種電氣設(shè)備表面的溫度分布、升溫狀況和發(fā)熱規(guī)律，進(jìn)一步分析各種電氣設(shè)備存在的熱缺陷和故障狀態(tài)，及時(shí)給出診斷信息；可以根據(jù)相關(guān)算法公式來(lái)分析所測(cè)的數(shù)據(jù)，利用趨勢(shì)分析技術(shù)可以模擬地分析出輸電線路環(huán)境溫度及溫度分布發(fā)展趨勢(shì)，綜合反映輸電線路的安全狀況，通過(guò)監(jiān)測(cè)特定地區(qū)輸電線路環(huán)境溫度、輸電線路溫度分布的紅外熱圖像等信息來(lái)估算該地區(qū)線路高溫事故發(fā)生的臨界條件，監(jiān)測(cè)輸電線路紅外熱圖像數(shù)據(jù)來(lái)掌握線路事故的實(shí)時(shí)信息，且系統(tǒng)可以同時(shí)與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，指導(dǎo)檢修或發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
3 結(jié)語(yǔ)
基于紅外熱像技術(shù)的輸電線路在線測(cè)溫系統(tǒng)是為了滿足電力系統(tǒng)在當(dāng)前的監(jiān)控手段不能滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)輸電線路監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的狀況，而需要安裝監(jiān)控設(shè)備的一些特殊要求作為當(dāng)前監(jiān)控手段的一種必須的補(bǔ)充而研究和設(shè)計(jì)的。對(duì)輸電線路溫度分布狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)紅外熱像在線監(jiān)測(cè)，深入研究輸電線路運(yùn)行現(xiàn)狀與故障特性，建立數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模型，利用輸電線路紅外熱像在線測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)確定輸電線路的安全情況，及時(shí)給出高溫?zé)峁收项A(yù)報(bào)信息，對(duì)于有效輸電線路溫度超標(biāo)的發(fā)生，保障現(xiàn)有輸電線路的安全運(yùn)行起到了重要的作用。同時(shí)為輸電線路參數(shù)監(jiān)測(cè)提供了新的方法與途徑，開(kāi)辟新的研究思路。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次反復(fù)調(diào)試、測(cè)試和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足了輸電線路紅外熱像在線測(cè)溫的要求，達(dá)到了電力部門工程技術(shù)人員提出的各種性能指標(biāo)。同時(shí)，在滿足造價(jià)和成本要求的情況下采用動(dòng)態(tài)圖像采集與傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像的無(wú)線傳輸將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。