封闭式开关柜内微型双视红外测温在线监测方法

童 冰

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 654200)

在电力系统中，开关柜是电力设备中关键构成设备，是保障电力正常运行的前提条件。随着电压等级不断提升，供电量迅速增加，开关柜工作强度也在不断上升，开关柜的异常会危及电网安全，甚至造成电网瘫痪。封闭式开关柜具有裸露高压、空间窄小等特点，传统方法主要依靠人工进行开关柜测温，危险性较高，并且不能及时发现开关柜长期运行过程中出现的温度异常问题。目前提出的开关柜在线监测方法有很多，如吴传奇等提出的高压开关柜触头测温传感器监测方法，主要采用工业总线传输，无法进行实时报警，陶诗洋等提出的开关柜在线监测方法，其优势是利用脉冲电流输出信号解决不同电压的电气不运作问题，但受噪声影响较大，信号传输效果不好。鉴于现存的方法已经不能满足封闭式开关柜在线测温要求，故需在此基础上不断完善，创造出新的方法。

微型双视红外测温技术广泛应用，对不同领域存在的测温问题有较为深入的研究。因此本文提出了封闭式开关柜内微型双视红外测温在线监测方法。该方法能够通过红外温度传感器和可见光测温传感器的微型双视红外监测装置对温度变化进行实时监控并分析与判断，及时报警，提醒运维人员及时处理，从而保障设备运行安全。

1 基于双视红外测温的封闭式开关柜在线监测

1.1 封闭式开关柜的在线监测框架

该方法通过信号采集、信号存储与转发、管理、报警四部分完成封闭式开关柜温度的在线监测。并通过IP网络完成各部分之间的信号传输，该架构延伸性较好，便于后期修改与扩展。具体架构如图1所示。

图1 基于双视红外测温的监测总体结构

信号采集部分由两个双视云台和一个数据处理器构成。该部分的主要作用是通过双视云台采集封闭式开关柜的温度信号。其中双视云台包含红外温度传感器和可见光(CCD)测温传感器。数据处理器的功能是将双视云台采集到的温度信号进行综合处理。

信号存储与转发部分的作用是将信号采集部分实时采集到的温度信号通过IP网络进行存储和转发到管理部分。该部分是由数据库和工控机构成，数据库负责采集数据的存储，工控机承担着数据传输的角色。

管理部分包含服务器和客户端两部分。服务器负责计算开关柜温度、解析从IP网络传来的数据内容等重要功能。客户端主要为用户提供所需要的信息、操作流程等。

报警部分由远程开关和报警器两部分组成。远程开关主要执行通过IP网络对温度变化情况传达控制命令，产生开关信号，报警器主要是对异常温度进行报警。

1.2 CCD测温传感器结构设计

CCD测温传感器的结构具体如图2所示。

图2 CCD测温传感器结构

CCD测温传感器测温工作原理是在不同光强下利用一个分光/滤光单元获取单色光，将其投射到单CCD表面达到同步获取多路单色光的目的，进而判断开关柜中高温辐射体温度和CCD像点灰度间的关系。光束接收单元负责聚集接收辐射光，主要包含孔径光阑、放大镜等光学部件；滤光单元由分光镜、反光镜、滤光片等部件构成，该结构通过分散光束来降低各路光束强度，保障光束均匀通过滤光单元。将分散的各路光束准确投射到CCD靶面上，经过计算机处理系统进行测温处理。

1.3 红外温度传感器设计

1.3.1 红外温度传感器硬件结构

红外温度传感器的核心部分为MSP430F2618，负责进行开关柜温度信号采集和传输；红外温度传感器TPS334L55负责温差信号和温度信号输出；调节红外温度传感器信号采用放大器OPA2735，该部分能够削弱噪声；红外温度采集主要利用单片机内部安置的AD模块进行采集，控制无线模块CC2500完成信号传输，红外温度传感器结构如图2所示。

在进行测温时，由于红外温度传感器产生的电压不稳定，会在巨大噪声中降低信号的显示效果，影响信号传输，导致无法进行温度测量。通过放大器OPA2735，来降低噪声突出信号；利用红外温度传感器调节温度的特点，进行环境温度补偿。

数字信号主要是利用单片机的特点转换两组模拟信号，再利用无线模块CC2500对转换的信号进行传输得到的；为降低移动通信网络频段对无线性能的影响，选用2.4GHz频段进行无线传输工作，并且该无线线路所占空间较小，解决了封闭式开关柜面积窄小的问题。

电源滤波、脉冲保护等软件构成红外温度传感器的电源处理部分。在电源滤波合理的情况下保证信号输出，主要通过避免电磁辐射影响测温节点来进行降噪，扩大温度信号。通过阻止二极管吸收瞬间强脉冲干扰达到脉冲保护的目的。

图3 红外温度传感器结构图

1.3.2 封闭式开关柜温度计算分析

红外温度传感器的输出温差信号与冷端温度有关联，因此通过环境温度计算红外温度传感器信号感应到的封闭式开关柜温度，具体公式为：

(1)

式(1)中，(25)表示常数，1，2均表示存于EEPROM地址的两个补码值，表示封闭式开关柜输入温度值，计算所对应的EEPROM参数如下：

(25)=256×+

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中，、、1、1、2、2为EEPROM参数。

封闭式开关柜红外温度传感器信号上的温度值(,)计算公式如下：

(5)

式(5)中，(,)表示输出的红外补偿信号，表示计算出的环境温度。

红外辐射补偿信号(,)可以通过分步计算偏置补偿信号、热梯度补偿信号、归一化处理计算得出。其中，偏置补偿信号计算公式为：

=(,)--+0

(6)

式(6)中，0常数为25℃。封闭式开关柜的红外温度传感器信号上的红外数据用表示；利用式(7)计算出存储在EEPROM中的封闭式开关柜红外温度传感器信号偏置值；表示封闭式开关柜红外温度传感器信号的偏置斜率系数；通过式(8)计算得到：

(7)

公式(7)中，开关柜二进制补偿码的最小偏置值用表示，封闭式开关柜红外温度传感器信号与最小偏置之差为Δ(,)，Δ是作为无符号数存储在EEPROM中空间内Δ缩放函数：

(8)

式(8)中，(,)是存储在EEPROM中的二进制补码；为封闭式开关柜空间内的红外偏置斜率缩放系数。热梯度补偿信号×公式如下：

(,)=(,)-×

(9)

式(9)中，(,)是封闭式开关柜红外温度传感器信号上的红外梯度偏置信号，为存储在EEPROM的0xD8地址的系数，归一化处理(,)计算公式，则：

(10)

式(10)中，(,)，，其中0、0、、、(,)和是存储的无符号数。

红外补偿系数的计算公式为：

(11)

式中，为辐射系数。

依据式(11)得到的补偿红外系数，最终完成封闭式开关柜的在线温度监测。

1.4 基于红外测温的开关柜监测方法工作流程

基于微型双视红外测温的封闭式开关柜内在线监测方法工作流程如图4所示。

图4 基本工作流程图

双视平台对开关柜监控目标进行拍摄，将实时采集到的信号通过IP网络传输到信号存储与转发部分，利用数据库和工控机完成信号数据的存储与转发后，进行红外图像温度计算和可见光信号分析。

红外图像温度计算是对采集的红外信号进行解析，提取红外图像，并根据温度计算算法求取出该图像对应的温度值，得到目标温度信息，通过客户端显示目标温度信息，同时比较该温度是否符合预设的温度范围，如果不符合，说明温度变化异常，则进行报警。

可见光信号分析主要针对可见光获取到的信号进行分析，对光线的聚集、投射进行追踪，在测量到温度异常变化时，进行报警。

系统发出报警时，会将报警命令实时发送给客户端和远程开关。客户端收到报警命令后，立刻在主界面显示出报警信息，同时伴随着信号灯闪烁。远程开关收到报警命令后，会产生开关信号，控制报警器进行报警。

2 实验分析

为验证本文方法对封闭式开关柜在线监测效果，以某公司的封闭式开关柜为实验对象，对其温度进行监测。

2.1 温度测试效果分析

为验证本文方法对封闭式开关柜温度变化的监测效果，对不同时间段滤光温度变化与实际温度进行对比，具体结果如图5所示。

图5 不同滤光下温度变化情况

从图5中可以看出，未经滤光温度和滤光温度在不同时间段虽有波动，但与实际温度相比波动幅度不大，且在中午12点时，三种状态下的温度相近。证明本文方法无论是在滤光环境还是非滤光环境，温度测量的可靠性好。

2.2 噪声影响分析

测温过程中红外温度传感器输出信号不稳定，会导致信号被掩盖在噪声中，为证明应用本文方法后的开关柜输出信号清晰，将本文方法与高压开关柜触头测温传感器监测方法(文献[3]方法)和基于脉冲电流法的高压开关柜局部放电在线监测方法(文献[4]方法)的温度输出信号结果进行比较，具体如图5所示。

对带噪信号进行信号输出实验，将应用三种方法后输出的信号与原始信号进行对比，从图6各方法应用后输出的信号可以看出，应用本文方法后的输出信号与原始信号相似度较高，而且没有明显的信号变化趋势，能有效还原信号本身特点。证明应用本文方法后对输出信号的去噪效果更明显，相较于其他方法对信号去噪更具优势，有利于封闭式开关柜的温度进行监测。

(a)原始信号

2.3 温度监测效果分析

为验证本文方法对目标温度的监测效果，选择温度变化范围为20～100℃，目标温度与实际温度的误差在±1.5℃的监测效果最好。实验读取10组开关柜上的温度数值和监测界面显示温度值，具体温度实验数据如表1所示。

表1 温度实验数据

从表1的10组数据中可以看出，温度误差都在±1.5℃内，证明本文方法获取的目标温度较为准确，对开关柜的温度监测效果较好，便于对开关柜温度进行在线监测。

2.4 环境温度影响分析

封闭式开关柜进行电力工作会产生高温环境，是造成测量温度难度的重要因素，也是影响测量精度的关键。为证明本文方法在不同环境温度测量的精确性，选取30℃、60℃、90℃三种不同的环境温度，比较不同环境温度下本文方法检测到的不同测温点的温度变化情况，具体温度变化情况如图7所示。

图7 环境温度对温度曲线的影响

从图7中温度变化曲线可以看出，在三种不同环境温度条件下，本文方法监测到测温点的温度曲线几乎重合。仔细对比不同的温度变化曲线之间还是存在细微的差距，环境温度的上升会导致测温点温度上升速度加快。证明本文方法开关柜温度监测效果受环境温度影响较小，并且测量的温度精确度较高，将此方法深入应用到封闭式开关柜温度监测，能为检测人员提供更准确的温度数据，避免温度异常引起开关柜故障，影响电力设备的正常使用。

3 结 论

针对封闭式开关柜监测方法不理想的现状，首次提出了封闭式开关柜微型双视红外测温在线监测方法。本文提出的方法打破了传统方法对于开关柜无法实现信号输出清晰、温度检测准确的方式，并且在很大程度上提高了封闭式开关柜的监测状况，为电力设备管理者提供了便利。经实验验证，该方法对开关柜进行监测时不仅运行可靠、稳定、操作简单，且该方法对温度的变化情况具有较强的监测效果，确保封闭式开关柜的安全正常运行，具有十分重要的意义。微型双视红外测温在监测封闭式开关柜的应用刚刚起步，如何在此基础上结合具体应用从多角度、多方位丰富监测方法，解决因监测效果不理想影响电力设备正常使用的问题，值得进一步研究。