摘要：針對當(dāng)前輸電線路溫度檢測的薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計了一種新型基于GPRS傳輸?shù)妮旊娋€路紅外熱像檢測的設(shè)計方案。重點闡述了該系統(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)計的框架結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)選用紅外攝像檢測技術(shù)獲得紅外攝像圖，并結(jié)合GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對輸電線路溫度實時在線的監(jiān)測。現(xiàn)場運行試驗表明，該系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了對輸電線路的重要部位實時或定時的紅外熱圖像故障檢測，各項技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到設(shè)計要求。
0 引言
近年來，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，國家對電力系統(tǒng)供電可靠性、安全性的問題日益突出。紅外熱像測溫技術(shù)在電力工業(yè)設(shè)備狀態(tài)檢測領(lǐng)域得到了越來越寬泛的應(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越突出，而發(fā)展到目前中國移動強(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溫是一項迫切的任務(wù)。
目前，輸電線路監(jiān)測已經(jīng)有所發(fā)展，并且日趨完善。在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中用到紅外測溫診斷技術(shù)是一種先進(jìn)的故障檢測手段，具有遠(yuǎn)距離、不停電、不接觸、不解體等特點。系統(tǒng)中重要的前端紅外設(shè)備為紅外熱像儀。紅外熱像儀通過檢測被診斷物體的紅外輻射信號獲得熱狀態(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法實現(xiàn)長距離無線檢測，如果利用已有的GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(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，特別適用于無法架設(shè)線路的偏遠(yuǎn)地域的輸電線路場合。
1 系統(tǒng)整體的設(shè)計結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)的工作原理
輸電線路現(xiàn)場的采集終端設(shè)計安裝了高精度紅外熱像儀，對準(zhǔn)需要進(jìn)行溫度監(jiān)測的電氣設(shè)備。前端系統(tǒng)定時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)測的各種功能模塊，并借助GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對輸電線路溫度狀態(tài)的監(jiān)測。
1．2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要分為監(jiān)測前端、無線通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分。監(jiān)測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警模塊五部分組成。
監(jiān)測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警部分。主要實現(xiàn)輸電線路現(xiàn)場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)來實現(xiàn)。圖像采集部分由視頻A／D芯片實現(xiàn)模擬圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，使用專用芯片實現(xiàn)JPEG圖像壓縮編碼。紅外報警部分實現(xiàn)輸電線路溫度出現(xiàn)異常狀況的報警功能。
無線通信網(wǎng)絡(luò)部分由專用GPRS模塊實現(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)測前端硬件整體設(shè)計
監(jiān)測前端主要完成對數(shù)據(jù)的采集、打包和傳輸?shù)取１O(jiān)測前端采集溫度數(shù)據(jù)，并通過對現(xiàn)場圖像的采集，更進(jìn)一步確認(rèn)導(dǎo)線的狀況。監(jiān)測終端設(shè)備安裝在野外，取電困難，所以選用太陽能加蓄電池的供電。
監(jiān)測前端的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。根據(jù)實際的需要，監(jiān)測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。它是一個支持實時仿真的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有512 KB嵌入的高速FLASH存儲器，且具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)的功能。控制器管理太陽能電池板對蓄電池的充電，并保證蓄電池對系統(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)無線網(wǎng)絡(luò)窄帶傳輸?shù)男枰o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，以實現(xiàn)它們之間的通信。JTAG接口可用于對LPC2368內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，通過該接口可對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。此外，還有存儲單元，看門狗單元以及時鐘電路等外圍電路。
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、分時供電等一系列低功耗措施，給功耗較大傳感器加上開關(guān)電路，在不用的時候關(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，均加上了開關(guān)電路，確保系統(tǒng)在無光照情況下可以長時間工作。
1．4 監(jiān)測中心即監(jiān)控中心計算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器
監(jiān)控中心計算機(jī)數(shù)據(jù)服務(wù)器也包括硬件和軟件部分，硬件為一臺能接入Internet的計算機(jī)，軟件為監(jiān)控程序，電腦的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為公網(wǎng)、動態(tài)IP。本系統(tǒng)將服務(wù)器和監(jiān)控中心端放到一臺計算機(jī)上，以節(jié)約硬件和網(wǎng)絡(luò)資源。
監(jiān)測中心主要功能：系統(tǒng)在用戶計算機(jī)上實現(xiàn)和運行并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。主要完成對各個監(jiān)測點數(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)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。具體來說有如下功能：
(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間顯示數(shù)據(jù)等；
(2)存儲功能：實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、運行記錄、當(dāng)前狀態(tài)的儲存；
(3)整理功能：對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，刪除選定的歷史數(shù)據(jù)文件，刪除某段時間以前的歷史數(shù)據(jù)。
(4)打印報表：選定日期和報表類型，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
前端硬件內(nèi)嵌μC／OS-Ⅱ?qū)崟r多任務(wù)操作系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪、占先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，適合小型控制系統(tǒng)。在實際的應(yīng)用中，先將實時多任務(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)的實時性，設(shè)定了合理的任務(wù)優(yōu)先級，并通過在各中斷中發(fā)送信號量運行相應(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，完成對采集到數(shù)據(jù)的分類存儲、處理及預(yù)警，根據(jù)制定的通信協(xié)議對前端進(jìn)行控制，對前端系統(tǒng)軟件在線升級。監(jiān)控中心軟件主要設(shè)計為三個部分：圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲及處理和網(wǎng)絡(luò)通信。圖形監(jiān)控部分負(fù)責(zé)對采集的圖片進(jìn)行顯示；數(shù)據(jù)處理部分對采集的數(shù)據(jù)按照覆冰模型算法進(jìn)行計算，顯示計算結(jié)果，提供報警信息，并存儲數(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)，及時給出診斷信息；可以根據(jù)相關(guān)算法公式來分析所測的數(shù)據(jù)，利用趨勢分析技術(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，綜合反映輸電線路的安全狀況，通過監(jiān)測特定地區(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估算該地區(qū)線路高溫事故發(fā)生的臨界條件，監(jiān)測輸電線路紅外熱圖像數(shù)據(jù)來掌握線路事故的實時信息，且系統(tǒng)可以同時與歷史數(shù)據(jù)對比，指導(dǎo)檢修或發(fā)出預(yù)警信號。
3 結(jié)語
基于紅外熱像技術(shù)的輸電線路在線測溫系統(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)計的。對輸電線路溫度分布狀況進(jìn)行實時紅外熱像在線監(jiān)測，深入研究輸電線路運行現(xiàn)狀與故障特性，建立數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，利用輸電線路紅外熱像在線測溫系統(tǒng)來確定輸電線路的安全情況，及時給出高溫?zé)峁收项A(yù)報信息，對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行起到了重要的作用。同時為輸電線路參數(shù)監(jiān)測提供了新的方法與途徑，開辟新的研究思路。系統(tǒng)經(jīng)過多次反復(fù)調(diào)試、測試和監(jiān)控現(xiàn)場的實際應(yīng)用，各項技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計要求，滿足了輸電線路紅外熱像在線測溫的要求，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，在滿足造價和成本要求的情況下采用動態(tài)圖像采集與傳輸技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)圖像的無線傳輸將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。