俞賜湖
摘要：文章通過對已發現發熱設備進行紅外熱成像測溫，開發無線傳輸設備與手機終端軟體，將所測溫度傳輸至遠程手機控制終端，為變電運行人員跟蹤電氣設備發熱提供依據，防範設備因發熱造成停電，提高供電可靠性。
關鍵詞：紅外熱成像；無線傳輸；遠程在線監控
0 引言
溫度作為衡量電氣設備是否正常運行的一項重要技術參數，如何對異常溫度進行實時跟蹤，是保證電氣設備正常運行的關鍵之一。電氣設備經過長期滿載或超載運行，一旦設備發生故障，故障電流急劇增大，可能增加到正常水平的十幾倍甚至上百倍，同時產生的熱量與電流平方成正比，故障電流對電氣設備或設備接頭將產生極大危害，嚴重威脅電網的安全運行。電網的運行經驗表明，當導體或設備的溫度超過一定範圍時，將加速設備的絕緣材料老化，縮短設備的使用壽命，嚴重時將使接頭熔化斷裂，中斷電力供應，影響客戶用電，給人民造成財產損失。那麼如何在經濟性和實用性相結合的基礎上，對發熱點進行自動測溫並實時跟蹤成為迫切需要解決的問題。
本文通過人工巡檢測溫發現設備發熱點，通過在發熱設備點附近的地面安裝紅外成像測溫儀，這樣測溫儀安裝無需停電和具有可移動性，採用無線傳輸的測溫方式，對發熱設備所測的溫度等信息通過無線網絡定時發送至相關技術人員及調度員進行分析，信息更加及時，採集頻率更高，可以讓相關人員更好的根據發熱設備的最新發熱程度及時做出相應的處理，第一時間消除電網中存在的安全隱患。遠程無線控制測溫儀的測溫方式，在提高整體工作效率的同時可以帶來運維成本的下降，特別是可節約大量人員和車輛到現場進行滾動測溫，節約了成本，緩解了人員不足等問題。
1 通用測溫方式比較
目前電力系統在對電氣設備的溫度檢測方面，主要有紅外線點測溫，紅外熱成像測溫，分布式光纖測溫，傳感器無線測溫等各種測溫方式，其中紅外線點測溫和紅外線熱成像測溫需花費大量人力；遠程紅外線熱成像測溫系統需花大量資金；分布式光纖測溫的光纖價格較高，使用過程中容易受折、易斷，不易於安裝在電氣設備的開關櫃內；傳感器無線測溫需停電安裝或事先安裝測溫傳感器等一系列缺點，因此，研究一款可移動自動紅外成像測溫的無線傳輸，具有無需停電安裝測溫傳感器的優點，是最適合對於熱成像測溫後發現的發熱設備的溫度跟蹤，通過無線傳輸到遠程終端，從遠程終端可控制紅外熱成像測溫儀進行測溫或紅外熱成像測溫儀對發熱點進行定時測溫。它既可以方便的移動測溫儀器，又無需停電安裝測溫傳感器、無需投入大量的資金進行網點改造，具有很高的經濟性、實用性。
2 理論依據
紅外熱成像測溫的理論依據。理論上只要物體溫度高於熱力學零度，物體就會向外輻射電磁波，這些電磁波攜帶的能量，其中波長範圍在0.76pm～1000pm之間的屬於紅外光波，紅外光波具有很強的溫度效應，攜帶溫度信息，這正是輻射測溫技術研究的出發點。紅外測溫技術的物理學理論基礎是普朗克定律，該定律揭示了在不同溫度下不同波段的黑體輻射能量分布規律。黑體的最大特徵就是所發射的輻射能和所吸收的輻射能相同，也就是說如果物體吸收能力強則其輻射能力就強，如果輻射能力弱則其吸收能力就弱。
P（λ，T）=ξστ4
其中P（λ，T）表示物體的單色輻射度，ξ為灰體。
所測物體的溫度T=P（λ，T）=ξστ1/4
正是紅外測溫的理論基礎。而熱成像就是在紅外測溫的理論基礎上，應用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，從而可進一步計算出溫度值。
3 確定紅外線熱成像測溫儀
通常在變電站的測溫需考慮用電設備的溫度範圍、相對尺寸、測溫儀與目標設備距離、環境因素等對測溫影響，以正確選擇紅外線熱成像測溫儀。
（1）分析用電設備的溫度範圍，確定測溫儀晶片。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此測溫時應儘量選用短波較好。變電站母線材質為銅芯或鋁芯，其發熱的範圍有所不同，但基本在-10℃+210℃之間，範圍較小，精度要求在±50℃，因此現場測溫儀cpu功能要求較簡單，採用普通的測溫晶片即可完全滿足。
（2）根據用電設備的相對尺寸，確定測溫方式。由於變電站存在煙霧、塵埃、阻擋，而比色測溫方式對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響，因此比色測溫儀是最佳選擇。
（3）根據測溫距離，確定測溫儀光學解析度。距離係數由D：S之比確定，由於必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，因此我們就必須增大D：S比值。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大於焦點處光斑尺寸，需要選擇可變焦的測溫儀。
（4）考慮環境因素，調整算法。因為強光、強風及大雨均可能影響測量結果，這是無法在測溫儀進行分辨和處理的，因此在上線前，需對後台軟體進行差值補償算法調整，算法調整主要為非均勻矯正，偽彩色圖像處理及面源黑體的實際實驗數據測定。
因此紅外線成像測溫儀應選擇具有普通單CPU、能實現比色測溫技術、可變焦功能的紅外成像測溫儀，通過後台算法對數據矯正調整測量誤差。
4 開發通信模塊傳輸協議
在變電站目前大部分均有光纖通道，部分變電站無網絡通道需採用無線傳輸模式。為了實現各通道的傳輸需要通信DTU來完成這些工作，目前DTU可實現wifi，lan及3G的同時傳輸，內部採用TCP協議，可使用工業MODBUS作為基礎交換協議，完成所有的通信。
5 開發主站軟體
主站軟體包括了與DTU進行通信數據交換的子程序及基於J2EE構架的主站系統，主站系統功能如下：
記錄成像儀安裝地點，成像儀種類，現場環境數據，測溫歷史數據，供電腦客戶端瀏覽器查詢歷史數據。可通過客戶端手機手動與成像儀進行通信，遠程控制和啟動成像儀工作，存儲成像儀實時數據及接受發送成像儀的通信數據，將現場調焦和數據校驗的要求發送到成像儀。
6 開發終端軟體
目前手機客戶端存在多種平台，作為研究用，在安卓開發基於安卓5.0的客戶端軟體，ios及windows採用基於jquery3和ext3結合的html5介面設計。目前手機端僅做查詢及報警用，基於安卓的可以採用推送消息的方式進行報警，基於ios和Nwin的可以採用簡訊加連結的方式進行推送。
7 實驗結果與分析
為了對本文所提出可移動自動紅外熱成像測溫無線傳輸測量的可靠性和準確性進行實驗研究，採取在實際220kY變電站安裝調試一台紅外熱成像測溫儀，並對發熱點進行測溫後無線傳輸至手機終端，通過與手工現場對發熱設備測溫數據進行對比驗證。
本文的移動式紅外熱成像可以實現遠距離區域測溫，選取5分鐘為一個周期，為了更有效的展現溫度變化，選定在夏季20點開始，60分鐘的測量，經測量結果如下。
7.1 現場手持測量結果（見表1）
7.2 可移動紅外熱成像無線傳輸測量結果（見表2）
7.3 經過疊加比較後（見圖1）
經比較無線測溫結果與在現場手持測溫儀點測對比溫度區間變化較大，但是波動範圍不超過實際變壓器運行溫度範圍，也就是環境溫度的+20範圍內，因此可以作為實測的數據判斷變壓器運行情況。
本文主要探討研究紅外熱成像測溫後無線傳輸硬體和軟體開發以及手機終端軟體開發3部分內容。利用在實際220kV變電站安裝調試一台紅外熱成像測溫儀進行發熱設備實際測溫調試，並與手工現場實際測溫進行比較，驗證了所研究內容的正確性與有效性。
摘要：文章通過對已發現發熱設備進行紅外熱成像測溫，開發無線傳輸設備與手機終端軟體，將所測溫度傳輸至遠程手機控制終端，為變電運行人員跟蹤電氣設備發熱提供依據，防範設備因發熱造成停電，提高供電可靠性。
關鍵詞：紅外熱成像；無線傳輸；遠程在線監控
0 引言
溫度作為衡量電氣設備是否正常運行的一項重要技術參數，如何對異常溫度進行實時跟蹤，是保證電氣設備正常運行的關鍵之一。電氣設備經過長期滿載或超載運行，一旦設備發生故障，故障電流急劇增大，可能增加到正常水平的十幾倍甚至上百倍，同時產生的熱量與電流平方成正比，故障電流對電氣設備或設備接頭將產生極大危害，嚴重威脅電網的安全運行。電網的運行經驗表明，當導體或設備的溫度超過一定範圍時，將加速設備的絕緣材料老化，縮短設備的使用壽命，嚴重時將使接頭熔化斷裂，中斷電力供應，影響客戶用電，給人民造成財產損失。那麼如何在經濟性和實用性相結合的基礎上，對發熱點進行自動測溫並實時跟蹤成為迫切需要解決的問題。
本文通過人工巡檢測溫發現設備發熱點，通過在發熱設備點附近的地面安裝紅外成像測溫儀，這樣測溫儀安裝無需停電和具有可移動性，採用無線傳輸的測溫方式，對發熱設備所測的溫度等信息通過無線網絡定時發送至相關技術人員及調度員進行分析，信息更加及時，採集頻率更高，可以讓相關人員更好的根據發熱設備的最新發熱程度及時做出相應的處理，第一時間消除電網中存在的安全隱患。遠程無線控制測溫儀的測溫方式，在提高整體工作效率的同時可以帶來運維成本的下降，特別是可節約大量人員和車輛到現場進行滾動測溫，節約了成本，緩解了人員不足等問題。
1 通用測溫方式比較
目前電力系統在對電氣設備的溫度檢測方面，主要有紅外線點測溫，紅外熱成像測溫，分布式光纖測溫，傳感器無線測溫等各種測溫方式，其中紅外線點測溫和紅外線熱成像測溫需花費大量人力；遠程紅外線熱成像測溫系統需花大量資金；分布式光纖測溫的光纖價格較高，使用過程中容易受折、易斷，不易於安裝在電氣設備的開關櫃內；傳感器無線測溫需停電安裝或事先安裝測溫傳感器等一系列缺點，因此，研究一款可移動自動紅外成像測溫的無線傳輸，具有無需停電安裝測溫傳感器的優點，是最適合對於熱成像測溫後發現的發熱設備的溫度跟蹤，通過無線傳輸到遠程終端，從遠程終端可控制紅外熱成像測溫儀進行測溫或紅外熱成像測溫儀對發熱點進行定時測溫。它既可以方便的移動測溫儀器，又無需停電安裝測溫傳感器、無需投入大量的資金進行網點改造，具有很高的經濟性、實用性。
2 理論依據
紅外熱成像測溫的理論依據。理論上只要物體溫度高於熱力學零度，物體就會向外輻射電磁波，這些電磁波攜帶的能量，其中波長範圍在0.76pm～1000pm之間的屬於紅外光波，紅外光波具有很強的溫度效應，攜帶溫度信息，這正是輻射測溫技術研究的出發點。紅外測溫技術的物理學理論基礎是普朗克定律，該定律揭示了在不同溫度下不同波段的黑體輻射能量分布規律。黑體的最大特徵就是所發射的輻射能和所吸收的輻射能相同，也就是說如果物體吸收能力強則其輻射能力就強，如果輻射能力弱則其吸收能力就弱。
P（λ，T）=ξστ4
其中P（λ，T）表示物體的單色輻射度，ξ為灰體。
所測物體的溫度T=P（λ，T）=ξστ1/4
正是紅外測溫的理論基礎。而熱成像就是在紅外測溫的理論基礎上，應用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，從而可進一步計算出溫度值。
3 確定紅外線熱成像測溫儀
通常在變電站的測溫需考慮用電設備的溫度範圍、相對尺寸、測溫儀與目標設備距離、環境因素等對測溫影響，以正確選擇紅外線熱成像測溫儀。
（1）分析用電設備的溫度範圍，確定測溫儀晶片。根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此測溫時應儘量選用短波較好。變電站母線材質為銅芯或鋁芯，其發熱的範圍有所不同，但基本在-10℃+210℃之間，範圍較小，精度要求在±50℃，因此現場測溫儀cpu功能要求較簡單，採用普通的測溫晶片即可完全滿足。
（2）根據用電設備的相對尺寸，確定測溫方式。由於變電站存在煙霧、塵埃、阻擋，而比色測溫方式對輻射能量有衰減時，都不對測量結果產生重大影響，因此比色測溫儀是最佳選擇。
（3）根據測溫距離，確定測溫儀光學解析度。距離係數由D：S之比確定，由於必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，因此我們就必須增大D：S比值。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大於焦點處光斑尺寸，需要選擇可變焦的測溫儀。
（4）考慮環境因素，調整算法。因為強光、強風及大雨均可能影響測量結果，這是無法在測溫儀進行分辨和處理的，因此在上線前，需對後台軟體進行差值補償算法調整，算法調整主要為非均勻矯正，偽彩色圖像處理及面源黑體的實際實驗數據測定。
因此紅外線成像測溫儀應選擇具有普通單CPU、能實現比色測溫技術、可變焦功能的紅外成像測溫儀，通過後台算法對數據矯正調整測量誤差。
4 開發通信模塊傳輸協議
在變電站目前大部分均有光纖通道，部分變電站無網絡通道需採用無線傳輸模式。為了實現各通道的傳輸需要通信DTU來完成這些工作，目前DTU可實現wifi，lan及3G的同時傳輸，內部採用TCP協議，可使用工業MODBUS作為基礎交換協議，完成所有的通信。
5 開發主站軟體
主站軟體包括了與DTU進行通信數據交換的子程序及基於J2EE構架的主站系統，主站系統功能如下：
記錄成像儀安裝地點，成像儀種類，現場環境數據，測溫歷史數據，供電腦客戶端瀏覽器查詢歷史數據。可通過客戶端手機手動與成像儀進行通信，遠程控制和啟動成像儀工作，存儲成像儀實時數據及接受發送成像儀的通信數據，將現場調焦和數據校驗的要求發送到成像儀。
6 開發終端軟體
目前手機客戶端存在多種平台，作為研究用，在安卓開發基於安卓5.0的客戶端軟體，ios及windows採用基於jquery3和ext3結合的html5介面設計。目前手機端僅做查詢及報警用，基於安卓的可以採用推送消息的方式進行報警，基於ios和Nwin的可以採用簡訊加連結的方式進行推送。
7 實驗結果與分析
為了對本文所提出可移動自動紅外熱成像測溫無線傳輸測量的可靠性和準確性進行實驗研究，採取在實際220kY變電站安裝調試一台紅外熱成像測溫儀，並對發熱點進行測溫後無線傳輸至手機終端，通過與手工現場對發熱設備測溫數據進行對比驗證。
本文的移動式紅外熱成像可以實現遠距離區域測溫，選取5分鐘為一個周期，為了更有效的展現溫度變化，選定在夏季20點開始，60分鐘的測量，經測量結果如下。
7.1 現場手持測量結果（見表1）
7.2 可移動紅外熱成像無線傳輸測量結果（見表2）
7.3 經過疊加比較後（見圖1）
經比較無線測溫結果與在現場手持測溫儀點測對比溫度區間變化較大，但是波動範圍不超過實際變壓器運行溫度範圍，也就是環境溫度的+20範圍內，因此可以作為實測的數據判斷變壓器運行情況。
本文主要探討研究紅外熱成像測溫後無線傳輸硬體和軟體開發以及手機終端軟體開發3部分內容。利用在實際220kV變電站安裝調試一台紅外熱成像測溫儀進行發熱設備實際測溫調試，並與手工現場實際測溫進行比較，驗證了所研究內容的正確性與有效性。
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