換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)設計

， ，， ，

(國網四川省電力公司 檢修公司，成都 610000)

換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)設計

丁志林，彭東，蒲守文，劉酩，邱大強

(國網四川省電力公司檢修公司，成都610000)

為減少換流站閥廳人工測溫的勞動強度，提升閥廳設備異常診斷效率，保障和提高電力設備的運行可靠性，需要對換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)進行設計；當前方法利用人工接觸式測溫，并采用固定的監(jiān)控實現(xiàn)閥塔溫度的檢查，存在勞動強度大、測溫儀的盲區(qū)較多，巡檢人員的技能水平和責任心致使巡檢質量的隨機性較大等問題；很難實現(xiàn)巡視范圍的全方位覆蓋，閥塔設備運行過程中存在較大的隱患；為此，提出一種基于紅外對換的流站閥廳在線測溫系統(tǒng)；該系統(tǒng)利用AT89C51單片微型計算機、溫度采集、測溫電路、系統(tǒng)電源電路以及看門狗電路等模塊結合組建測溫系統(tǒng)的整體結構，通過PXA270處理器、復位電路、A/D轉換器、USB接口、溫度傳感器、紅外測溫探頭、RS485接口等構成系統(tǒng)的硬件部分；根據(jù)DS18B20對在線測溫電路進行設計，通過7805三端穩(wěn)壓片實現(xiàn)系統(tǒng)電源電路的設計；系統(tǒng)的軟件部分對換流站設備輻射度和溫度之間的關系進行研究，并利用換流站閥廳溫度異常判斷方法實現(xiàn)換流站設備故障診斷；實驗結果證明，所提方法能夠有效對換流站閥廳電力設備的早期缺陷進行實時監(jiān)測，提高在線測溫系統(tǒng)的運行效率，減少各種因閥廳溫度的增加而導致設備產生故障的概率。

換流站；閥廳；紅外在線測溫

0 引言

換流站指的是在高壓的直流輸電系統(tǒng)內，為實現(xiàn)交流電轉換為直流電，或者是直流電轉換為交流電，從而達到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和電能質量要求所建立的站點[1]。而溫度是工業(yè)或者電力中比較普遍且重要的熱工參數(shù)。在高壓的直流輸電系統(tǒng)內，換流閥作為交流電和直流電轉換過程中最核心的設備，其中換流閥安裝于閥廳的內部，結構大多是懸吊式雙重，或者是四重閥塔，而閥組件是比較基本的閥單元，它是利用一定數(shù)量的阻尼電容、飽和電抗器、晶閘管、TVM板以及均壓電容等構成[2]，其中的任意一個元器件發(fā)生故障，比如漏水、爆炸、短路或者過熱都有可能致使直流系統(tǒng)被迫停運，還可能會給跨區(qū)域電網運行，帶來難以估計的后果[3]。所以保障換流站閥廳中的設備正常運行，是至關重要的，正確檢測出換流站閥廳設備的異常，避免閥廳內因溫度過高產生故障導致設備的停運變得尤為重要[4]。當前，換流站設備的巡檢工作通常是由運行人員利用熱成像儀完成，發(fā)現(xiàn)溫度異常后，利用電話或郵件進行匯報，再由專業(yè)人員復測分析。該過程反映時間慢，部分特殊異常點容易漏檢，各換流站圖像以及故障圖像存儲凌亂[5]。常識中，溫度上升到燃點會導致設備著火，所以換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)設計方法的研究迫在眉睫。當前方法換流站閥廳的人工巡檢與固定位置監(jiān)視的方式都存在著視覺盲區(qū)，沒辦法對閥塔內部每臺設備的溫度都得以監(jiān)視，在這種情況下，如何實現(xiàn)換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)的智能化、安全化、穩(wěn)定化設計，成為亟待解決的問題[6]。換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)設計方法，可以對換流站閥廳進行可靠、高精度、高效率地在線測溫，是解決上述問題的有效手段[7]。

文獻[8]方法通過集成發(fā)光二極管搭建非接觸式溫度測量系統(tǒng)，用來實現(xiàn)不同特征區(qū)域溫度的測量。對系統(tǒng)信號的采集和轉換、測溫特性指標和微熱管熱性能做研究。利用LabVIEW編程完成傳感器對換流站閥廳設備信號的采集和溫度的轉換，把不同的溫度加熱塊當作等溫體的參考，將熱電偶和測溫結果進行比較，實現(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)測溫特性的分析，從而利用環(huán)境溫度修正LED輻射熱所引起傳感器的漂移誤差構建測試系統(tǒng)。根據(jù)測試系統(tǒng)在不同的熱負載下，對該在線測溫系統(tǒng)進行了實驗，實驗結果表明，該方法具有測溫精度高的優(yōu)點，但是存在耗時長的缺陷。文獻[9]方法根據(jù)故障分析和建模分析以及現(xiàn)場試驗，研究換流站閥廳設備檢修等相關問題。特別指出了換流站直流輸電系統(tǒng)中設備的數(shù)量較多，比較適合利用在線色譜，SF在線監(jiān)測等技術，過渡到狀態(tài)檢修。將直流輸電能量的可用率指標作為分析目標，分析換流站檢修工期的安排問題，并對其進行優(yōu)化。尤其是對共用的接地極直流系統(tǒng)中接地極線路的檢修工期，和安全措施布置問題進行分析。該方法對換流站閥廳的測溫偏差較小，但是過程相對繁瑣。文獻[10]方法提出根據(jù)時分多址通信技術實現(xiàn)無線組網，對測溫系統(tǒng)分時處理，使測溫系統(tǒng)按嚴格時序進行工作，以IEC61850標準當作基礎，對系統(tǒng)的整體結構進行設計，使通信體系和智能換流站更加兼容，更加符合電網的要求，并針對母排供電困難問題，對系統(tǒng)進行低功耗設計。該方法具有一定的實際應用價值，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低。

針對上述產生的問題，利用紅外對換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)進行設計。實驗證明，所提方法可以對換流站閥廳故障發(fā)生的所在位置進行準確定位，不僅減少了大量的人力物力和財力，而且為換流站閥廳中的設備運行狀態(tài)，提供了非?？陀^的估計依據(jù)，為實現(xiàn)電力設備狀態(tài)的實時檢修提供了十分重要的支撐。

1 換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)設計

在具體方案設計中，以AT89C51作為整體溫度采計系統(tǒng)的核心，輔以具有高性能的74LS373為數(shù)據(jù)處理核心，利用基于TCP/IP協(xié)議的現(xiàn)代網絡通信技術，方能構造完善的換流站法統(tǒng)紅外在線測溫系統(tǒng)硬件結構。具體系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示：

表1 換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)參數(shù)

1.1 系統(tǒng)整體結構設計

圖1 系統(tǒng)整體結構設計

對換流站閥廳進行紅外在線測溫系統(tǒng)設計的整體結構利用AT89C51單片微型計算機、溫度采集、測溫電路、通訊口、智能報警、遠程監(jiān)控、系統(tǒng)電源電路以及看門狗電路結合，形成紅外在線測溫系統(tǒng)網。

1.2 換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)硬件設計

圖2 測溫系統(tǒng)硬件設計

紅外在線測溫裝置主要通過PXA270處理器、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、復位電路、A/D轉換器、攝像頭、USB接口、溫度傳感器、紅外測溫探頭、RS485接口以及旋轉云臺等構成。PXA270處理器是基于ARMv5TE的XScale核心，最高工作效率為624 MHz，測溫系統(tǒng)的復位電路根據(jù)的是Catalyst公司的CAT1025，轉換器采用的是TLV1543，RS485接口與旋轉云臺進行連接，根據(jù)云臺中的解碼板完成云臺旋轉控制。

1.2.1 系統(tǒng)溫度采集結構設計

圖3 溫度采集設計圖

換流站閥廳紅外在線溫度采集終端裝置，采用溫度傳感器，對換流站閥廳接頭的溫度數(shù)據(jù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至微處理器進行處理。

1.2.2 測溫電路設計

圖4 測溫電路圖

換流站閥廳紅外在線測溫電路利用的是DS18B20，DS18B20是單線數(shù)字的溫度傳感器，它基本不用外圍電路，就可以和單片機直接用1根線進行連接，上圖就是多個DS18B20經過單總線和單片機連接的原理，利用該原理可以對換流站閥廳進行良好地紅外在線測溫。

1.2.3 系統(tǒng)電源電路設計

圖5 系統(tǒng)電源電路圖

由于單片機的工作電源是+5 V，而且底層電路的功耗特別小，所以在換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)電源電路中，通過7 805三端穩(wěn)壓片就能滿足上述要求。

1.2.4 系統(tǒng)看門狗電路圖

圖6 看門狗電路圖

出于對換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)底層電路板工作環(huán)境的考慮，單片機容易受到電路板惡劣環(huán)境的干擾，可能會導致紅外在線測溫系統(tǒng)產生跑飛或者死機等，不可預知的現(xiàn)象發(fā)生，要想實現(xiàn)換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)的智能性，工作人員不可能去現(xiàn)場重啟單片機，所以在該系統(tǒng)設計中，在單片機電路上添加一個看門狗，可以定時對單片機工作狀態(tài)進行查詢，一旦發(fā)現(xiàn)測溫異常，就立即將單片機重啟，這樣可以保障測溫系統(tǒng)的正常運行。

2 換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)軟件設計

2.1 換流站設備輻射度和溫度之間的關系

軟件的開發(fā)主要是在Linux的環(huán)境下，利用ANSI C以及LinuxC語言共同開發(fā)，軟件部分利用uboot、linux2.6內核、驅動程序和應用程序構成。根據(jù)上述環(huán)境，并以1中系統(tǒng)整體結構圖和系統(tǒng)的硬件設計為基礎，實現(xiàn)換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)的軟件設計。根據(jù)多方研究可知，當物體的溫度比-273 ℃(絕對零度)高時，該物體會向外輻射一定的紅外線，而紅外能量大小是按照紅外線的波長分布決定的，所以只需捕捉換流站設備自身所輻射出的紅外能量，就可以準確測定該設備的表面溫度。

利用玻爾茲曼定理可知，對于絕對黑體，其總輻射能Pb(T)=σT4，其中，Pb(T)代表總輻射能，σ代表玻爾茲曼常量，σ=5.67032×10-8W/m2K，T代表換流站設備的熱力學溫度，而對于非黑體的設備，其總輻射能Pb(T)=εTσT4，εT代表黑體的系數(shù)，0lt;εTlt;1。則所測換流站設備的溫度計算公式如下：

(1)

事實上，輻射紅外線的波長與設備溫度有關，設備表面的溫度越高，其輻射的能量就越強，假設溫度為T的絕對黑體，它在半球方向上所輻射的波長是λ的輻射度可利用下式表示：

(2)

其中:c代表光速，h代表普朗克常數(shù)，h=6.626176×10-34 J·s，k代表波爾茲曼常數(shù)，k=1.38066244×10-23J/K，C1代表第一輻射常數(shù)，C1=3.7418×10-16W·m2，C2代表第二輻射常數(shù)，C2=1.4388×10-12m·K。

熱輻射光譜內包含各種長波，換流站閥廳內的設備峰值輻射波長和設備自身絕對溫度T有以下關系：

λmT=2 897.8 μm·K

(3)

其中:λm代表峰值響應波長。

2.2 換流站閥廳溫度異常判斷方法

換流站閥廳的故障種類各種各樣，不過大多數(shù)故障的發(fā)生都和發(fā)熱有著不可分割的關系，比較常見的熱故障判斷方法有：表面溫度判斷方法、圖像特征判斷方法、相對溫差判斷方法、檔案分析判斷方法、實時分析判斷方法以及同類比較判斷方法，其中，不同設備一般會利用不同判斷方法，例如：斷路器故障一般是因為內部的載流回路，接觸不良而造成的過熱故障，通常能夠根據(jù)相對溫差法對其進行診斷，也就是相對溫差：

(4)

式中，T0代表環(huán)境溫度的參照體溫度，T代表換流站設備發(fā)熱點的溫度，T2代表正常相對點溫度，對相對溫差值進行計算，并通過設備的類型不同，對其高溫產生的故障類型進行判斷。假設在監(jiān)測斷路器中，Δ%gt;95%代表緊急缺陷，80%lt;Δ%lt;95%代表重大缺陷，20%lt;Δ%lt;80%代表一般缺陷。根據(jù)上述多種方法可準確對換流站閥廳內各種設備因溫度的上升，而造成的故障進行診斷。

3 實驗結果與分析

為了證明換流站閥廳紅外在線測溫系統(tǒng)設計方法的可靠性與可行性，需要進行一次實驗。在Java的環(huán)境下搭建換流站閥廳在線測溫實驗平臺，實驗數(shù)據(jù)取自于某換流站。利用本文所提方法實現(xiàn)閥廳的在線測溫，觀察本文方法的整體性能。

3.1 實驗參數(shù)

實驗器材：非制冷的紅外熱像儀：氧化釩機芯的分辨率為320*240，幀頻是25幀/s，其非均勻性小于等于0.25%，NETD值比50 mk@25℃/F=0.7。

在上述的實驗參數(shù)基礎上，利用以色列CI公司所生產的SR-800-7D-ET黑體的輻射源：其精度為0.001 ℃，且溫度范圍在-20 ℃至65 ℃，均勻度為±0.015 ℃。熱像儀測溫的過程中，亮度與對比度設置為340、40。環(huán)境的溫度大概在16 ℃左右，濕度為恒定值。

黑體距離熱像儀鏡頭的距離為66 cm，在實驗過程中，固定熱像儀與黑體間的距離是66 cm，調節(jié)黑體的溫度，并記錄熱像儀測得的灰度值。選擇環(huán)境的溫度是25.3 ℃。實驗得到的結果如下，其中，表2是對本文方法黑體溫度(0 ℃)和灰度值(%)關系描述。當環(huán)境溫度為25.3 ℃時，灰度值的變化區(qū)間在110至251。圖7是在一定的溫度下，本文方法黑體溫度( ℃)和灰度值(%)間的擬合程度。下式為根據(jù)最小二乘方法擬合獲得的線性方程，也就是被測換流站設備黑體溫度T和測量灰度值x間的關系，熱像儀標定方程為：

T=0.0545x+20.51

(5)

表2 黑體溫度和灰度值關系(環(huán)境溫度：25.3 ℃)

圖7 本文方法黑體溫度和灰度值間的擬合程度

3.2 實驗結果分析

3.2.1 實驗方法及步驟

1)通過實際測量得出換流站設備的黑體溫度和灰度值，研究二者數(shù)值變化關系，從而得出擬合程度；

2)在距離66 cm熱像儀標定基礎上，觀察本文方法、文獻[8]方法、文獻[9]方法和文獻[10]方法的測溫距離下，對比其測溫準確率；

3)三種方法的換流站閥廳在線測溫用時。

3.2.2 結果分析

分析上述實驗結果，換流站設備黑體溫度和測溫的灰度值之間的關系基本為線性的，與熱像儀標定方程基本符合，和期望值也相符，說明了本文所提方法在假設已知環(huán)境溫度下的參數(shù)，設備的黑體溫度和灰度值間基本擬合，擬合線為一直線。根據(jù)該擬合程度，提高了換流站閥廳紅外在線測溫的精度，證明了本文所提方法具有現(xiàn)實可行性。下面是對紅外在線測溫距離精度的研究。

在上述實驗中，距離66 cm熱像儀標定基礎上，觀察不同方法在不同的測溫距離下，測溫準確性。設置測溫距離為50 cm、79 cm、106 cm、121 cm、145 cm，圖8是不同方法測溫準確率(%)對比。

圖8 不同方法測溫準確率對比

文獻[8]方法利用LabVIEW編程完成傳感器對換流站閥廳設備信號的采集和溫度的轉換，把不同的溫度加熱塊當作等溫體的參考，但是溫度加熱塊具有不同的特征，如果將其作為溫體的參考，就需要設置特征提取模塊，將不適合作為溫體的溫度加熱塊進行剔除。但是文獻[8]方法沒有該步驟，所以導致文獻[8]方法換流站閥廳測溫準確率偏低。文獻[9]方法指出了換流站直流輸電系統(tǒng)中設備的數(shù)量較多，比較適合利用在線色譜，SF在線監(jiān)測等技術，過渡到狀態(tài)檢修。但是沒有交流電的檢修技術，降低了換流站閥廳測溫正確率。文獻[10]方法根據(jù)時分多址通信技術實現(xiàn)無線組網，對測溫系統(tǒng)分時處理，使測溫系統(tǒng)按嚴格時序進行工作，但是時序的排列中有很多不確定因素，致使換流站閥廳在線測溫正確率低。而本文方法對換流站設備輻射度和溫度之間的關系進行了分析，并對換流站閥廳溫度異常的判斷進行了研究，提高了換流站閥廳在線測溫正確率，進一步證明了本文方法所設計出的換流站閥廳在

圖9 不同方法換流站閥廳在線測溫用時對比線測溫系統(tǒng)，具有良好的性能。也說明了本文方法具有可擴展性。下圖是不同方法換流站閥廳在線測溫用時(s)對比。

分析圖9可知，本文所提方法換流站閥廳在線測溫用時，明顯少于文獻所提方法換流站閥廳在線測溫用時。因為在利用本文所提方法對換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)進行設計時，對紅外在線測溫系統(tǒng)的整體結構進行組建時，利用的是AT89C51單片微型計算機，而系統(tǒng)的紅外在線測溫裝置主要通過PXA270處理器、SDRAM、NORFlash、NANDFlash、復位電路、A/D轉換器、攝像頭、USB接口、溫度傳感器、紅外測溫探頭、RS485接口以及旋轉云臺等構成，減少了換流站閥廳在線測溫時間，增加了測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實驗證明，所提方法可以比較精確地對換流站閥廳設備溫度進行測量。還可以以非接觸、靈敏度高、遠距離、速度快、范圍廣和在圖像中就能選取到被測設備的優(yōu)點。

4 結束語

采用當前方法對換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)進行設計時，無法安全穩(wěn)定地對其進行比較完善的設計，存在可擴展性低，測溫耗時長等問題。提出一種基于紅外技術的換流站閥廳在線測溫系統(tǒng)，并通過實驗證明，所提方法能夠實現(xiàn)大范圍，類型多換流站閥廳設備溫度的實時在線監(jiān)測，可以使設備運行的溫度在可控范圍內，所設計的系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝方便。

[1] 王加龍,彭宗仁,劉 鵬,等.±1 100 kV特高壓換流站閥廳均壓屏蔽金具表面電場分析[J].高電壓技術,2015,41(11):3728-3736.

[2] 馬麗斌,劉 磊,高 超,等.2 400 m海拔下?lián)Q流站閥廳內金具空氣間隙操作沖擊電壓放電特性[J].南方電網技術,2016,10(11):9-15.

[3] 周 璐,王 浩.適用于捷聯(lián)慣導溫度補償?shù)母呔葴y溫系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2016,24(8):114-117.

[4] 王維哲,趙 偉.一種基于神經網絡算法的高溫測量方法[J].計算機仿真,2015,32(7):378-381.

[5] 吳勇靈,楊 娜,潘曉慧,等.基于萊以特準則和數(shù)據(jù)融合的溫濕度檢測系統(tǒng)[J].科技通報,2017,33(3):96-99.

[6] 邢恩普,郝曉劍,周漢昌.鎂合金比色測溫系統(tǒng)誤差分析及修正[J].科學技術與工程,2015,15(27):159-161.

[7] 許矛盾,殷安龍,陳 琳,等.基于CAN總線通信協(xié)議安全及汽車溫度檢測系統(tǒng)的研究[J].電子設計工程,2016,24(18):182-184.

[8] 李聰明,羅 怡,周傳鵬,等.微熱管紅外測溫系統(tǒng)的設計[J].光學精密工程,2016,34(10):2449-2455.

[9] 常 勇,沈志剛,王 鑫,等.特高壓換流站設備檢修若干關鍵問題[J].電網技術,2015,39(6):1579-1585.

[10] 周友武,吳細秀,廖瑞鋒,等.變電站母排無線測溫系統(tǒng)的設計[J].電測與儀表,2016,53(11):116-122.

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。

四川省電力公司科技項目(52196214000B)。

丁志林(1978-)，男，湖北麻城人，高級工程師，主要從事高壓直流輸電系統(tǒng)運維檢修管理方向的研究。

1671-4598(2017)09-0047-04

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

TM721

A