【正文】 到如何提高大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全性是一個(gè)重大而迫切的問(wèn)題。本課題首先分析影響熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確性的因素，然后對(duì)某市供電局的變壓器運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了考察，選擇了適合本課題的熱像儀，利用與購(gòu)買(mǎi)的熱像儀配套的軟件開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)適合本系統(tǒng)的后臺(tái)處理軟件。研究生簽名： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容，可以向有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容。碩士論文 基于紅外測(cè)溫技術(shù)的電力變壓器過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)學(xué) 位 論 文基于紅外測(cè)溫技術(shù)的電力變壓器過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 專業(yè)名稱 檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置 學(xué)位授予單位和日期 南 京 理 工 大 學(xué) 答辯委員會(huì)主席 評(píng)閱人 注1：注明《國(guó)際十進(jìn)分類(lèi)法UDC》的類(lèi)號(hào)。對(duì)于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。該系統(tǒng)軟件的主要研究工作如下：1) 根據(jù)電力變壓器的運(yùn)行狀況，設(shè)置合適的在線監(jiān)測(cè)方式，并根據(jù)熱像儀的安裝位置和監(jiān)測(cè)距離，設(shè)計(jì)程序監(jiān)測(cè)流程；2) 根據(jù)熱像儀采集的熱像的特征，設(shè)計(jì)圖像預(yù)處理方案，使最終顯示的熱像具有最佳的視覺(jué)效果；3) 選擇合適的數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)存儲(chǔ)和查詢數(shù)據(jù)； 4) 根據(jù)最新的電力系統(tǒng)紅外診斷依據(jù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的紅外診斷算法，從而可以通過(guò)采集的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的了解設(shè)備的運(yùn)行狀況；5) 根據(jù)供電局現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，選擇合適的傳輸協(xié)議，設(shè)計(jì)合適的傳輸流程，保證數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)可靠的上傳，使監(jiān)控中心的工作人員能夠及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀況。如何利用高科技手段進(jìn)行系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理，消除危險(xiǎn)點(diǎn)，是擺在電力系統(tǒng)科研單位面前的新問(wèn)題[2]。與預(yù)防性試驗(yàn)相比，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用更高靈敏度的傳感器采集運(yùn)行設(shè)備的劣化信息[3]，信息的處理和識(shí)別依靠有豐富軟件支持的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，引進(jìn)一些新的能更真實(shí)反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合診斷，促進(jìn)電力設(shè)備由定期試驗(yàn)向狀態(tài)檢修過(guò)渡[4]。 國(guó)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)外從60年代中期開(kāi)始將紅外技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備監(jiān)測(cè)，瑞典國(guó)家電力局成功的運(yùn)用紅外熱像儀對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷，70年代將紅外熱像儀裝在直升機(jī)上對(duì)輸變電設(shè)備故障做生產(chǎn)性巡回檢測(cè)，并制訂出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和故障判定標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)一些電力專業(yè)研究所從80年代中期開(kāi)始先后使用光機(jī)掃描熱像儀，積極開(kāi)展變電設(shè)備故障檢測(cè)試驗(yàn)和220KV及110KV輸電線路的直升機(jī)巡線紅外檢測(cè)試驗(yàn)，并取得了良好結(jié)果。 變壓器傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)介在電力系統(tǒng)中，電力變壓器的地位是舉足輕重的，一旦發(fā)生故障，極有可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也就是說(shuō)，只要能夠成功的發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中處于運(yùn)行核心地位的電力變壓器存在的故障并及時(shí)檢修，就可以很大程度上提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。有關(guān)專家通過(guò)對(duì)十幾年來(lái)變壓器發(fā)生故障的資料進(jìn)行分析，得出的結(jié)論是：盡管不同的變壓器老化趨勢(shì)和使用方式并不相同，但發(fā)生故障的誘因還是基本相似的。紅外檢測(cè)技術(shù)是“九五”國(guó)家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，紅外檢測(cè)是一種在線監(jiān)測(cè)(不停電)式高科技檢測(cè)技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外輻射，然后將其熱像顯示出來(lái)，用戶可通過(guò)熱像準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，這種檢測(cè)方法具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)[2]。紅外診斷技術(shù)是檢測(cè)設(shè)備溫度異常的理想技術(shù)，它將成為對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析、故障預(yù)測(cè)和改革維修制度的理想工具[17]。變壓器紅外在線監(jiān)測(cè)兼具了紅外診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)電力變壓器運(yùn)行中發(fā)生故障的特有特點(diǎn)和運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)條件，本課題選擇合適的熱像儀，搭建了系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電力變壓器過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2) 制定了電力變壓器過(guò)熱故障紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，硬件主要由熱像儀、云臺(tái)和工控機(jī)組成，軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置、定時(shí)或整點(diǎn)自動(dòng)巡檢、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能。6) 基于Windows平臺(tái)利用Visual C++，確定軟件界面的風(fēng)格和功能模塊的分布，軟件編碼過(guò)程充分利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，在完成各種用戶所需的功能的同時(shí)，注意代碼編寫(xiě)的風(fēng)格，使得程序在獲得較高的運(yùn)行效率的同時(shí)又方便其日后的維護(hù)。第五章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，指出了系統(tǒng)有待改善的部分。因此，了解紅外熱像儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、工作條件、如何操作和維修等是用戶正確選擇和使用熱像儀的基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容就是對(duì)上述問(wèn)題加以研究。自然界中并不存在黑體，黑體是為了研究紅外輻射的規(guī)律而提出的一種理想化的模型，它吸收所有的紅外輻射，沒(méi)有能量的反射和透射，其表面的發(fā)射率為1，而黑體輻射定律揭示了黑體輻射能量在不同溫度下按波長(zhǎng)的分布規(guī)律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式()： ()式()中：為黑體光譜輻射通量密度；，為輻射常數(shù)；為光譜輻射的波長(zhǎng)；為黑體的絕對(duì)溫度。2) 隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)。因此，該定律由普朗克輻射定律對(duì)波長(zhǎng)積分得到[20]： ()式()中稱為斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)。在對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，紅外熱像越亮的地方，就是紅外輻射越強(qiáng)的地方，也是溫度最高的地方。由于物體的發(fā)射率是已知，所以可以通過(guò)相關(guān)處理將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。而在一定范圍內(nèi)，對(duì)于常見(jiàn)材料，即發(fā)射率為一個(gè)常數(shù)，記為，因此可將表示為式()： ()在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，只與黑體的溫度有關(guān)，是個(gè)常數(shù)，只與系統(tǒng)增益有關(guān)。 紅外熱像儀的系統(tǒng)組成[9][22][23]。被測(cè)物體紅外輻 射光學(xué)鏡頭焦平面探測(cè)器調(diào)制電機(jī)信號(hào)處理電路補(bǔ)償電路紅外熱像紅外熱像儀 紅外熱像儀系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)紅外熱像儀的工作原理其實(shí)與人的眼睛看物體原理相近，人眼是將光線匯聚到視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜再將信號(hào)傳送到大腦，產(chǎn)生明暗的區(qū)別；而熱像儀是通過(guò)一組透鏡將物體發(fā)射的紅外輻射匯聚到探測(cè)器上，探測(cè)器被匯聚到的輻射光線照射便產(chǎn)生電信號(hào)，然后電信號(hào)被傳到后面的處理電路，從而計(jì)算出物體的溫度分布。如果測(cè)溫范圍過(guò)寬，儀器動(dòng)態(tài)范圍越大，不但增加了儀器的成本，而且導(dǎo)致測(cè)溫精度下降。3) 測(cè)溫精度測(cè)溫精度是指黑體溫度的測(cè)量值與其真實(shí)值之間的最大誤差，通常以測(cè)溫范圍的上限的百分?jǐn)?shù)加以表示。高精度意味著高成本，所以用戶在選擇的時(shí)候只要能夠滿足基本要求即可，無(wú)需盲目追求高精度。紅外熱像儀工作時(shí)，只能測(cè)定被測(cè)目標(biāo)表面上確定面積的平均溫度。 影響紅外熱像儀測(cè)溫的因素及相關(guān)對(duì)策[26][27][28]影響紅外測(cè)溫的因素很多，如大氣、測(cè)試背景、物體輻射率、距離系數(shù)、相鄰設(shè)備輻射和工作波長(zhǎng)區(qū)間范圍等等，其中有些因素是必然存在的，也是不可避免的。物體輻射率的大小與物體的材料、粗糙度、顏色、厚度等有關(guān)，紅外熱像儀從物體上接收到的輻射能量的大小與該物體的輻射率成正比。為了減小上兩種因素的影響，紅外診斷應(yīng)該選擇在無(wú)雨、無(wú)霧、無(wú)塵、空氣清新的環(huán)境條件下進(jìn)行。在選擇時(shí)應(yīng)從如下幾個(gè)方面加以綜合考慮：1)首先明確要解決的實(shí)際問(wèn)題和測(cè)量需要，如被測(cè)目標(biāo)的環(huán)境、大小、測(cè)量距離以及儀器測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、響應(yīng)時(shí)間等；2)將測(cè)量要求和所要解決的問(wèn)題和現(xiàn)有的儀器型號(hào)進(jìn)行比對(duì)，選出滿足要求的型號(hào)，在此基礎(chǔ)上再選出性價(jià)比較高的幾款；3)對(duì)供應(yīng)商的技術(shù)實(shí)力和信譽(yù)、售后服務(wù)和技術(shù)培訓(xùn)等方面進(jìn)行必要的考察和了解，這是非常重要的一點(diǎn)，因?yàn)檫x擇口碑較好的供應(yīng)商進(jìn)行合作比較有保障。 S680DM60熱像儀現(xiàn)場(chǎng)安裝最終本系統(tǒng)的熱像儀決定采用浙江大立科技股份有限公司生產(chǎn)的非制冷焦平面熱像儀S680DM60，并為該熱像儀配置云臺(tái)和護(hù)罩。整個(gè)云臺(tái)、護(hù)罩、熱像儀安裝在支架上，通過(guò)4根膨脹螺釘固定在墻壁上。在此基礎(chǔ)上介紹了熱像儀的主要技術(shù)性能參數(shù)，分析了影響熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確性的因素，并根據(jù)選購(gòu)熱像儀時(shí)需要注意的原則，在性價(jià)比盡可能高的情況下選擇本系統(tǒng)所需的熱像儀的型號(hào)?！吨袊?guó)人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)帶電設(shè)備紅外診斷規(guī)范》于1999年8月2日首次發(fā)布，經(jīng)過(guò)接近10年的探索，國(guó)家發(fā)改委于2008年6月4日發(fā)布了該標(biāo)準(zhǔn)的修訂版，修訂之后的標(biāo)準(zhǔn)更加全面，標(biāo)志著我國(guó)電力設(shè)備紅外診斷技術(shù)日漸成熟。DM_60非制冷焦平面熱像儀帶有網(wǎng)卡，采用RJ45網(wǎng)絡(luò)端口，其擁有自身的IP地址，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。注意熱像儀是放置在護(hù)罩當(dāng)中的，且云臺(tái)和護(hù)罩都是與熱像儀配套的。IP防護(hù)類(lèi)別是用2個(gè)數(shù)字標(biāo)記的，第一個(gè)數(shù)字表示接觸保護(hù)和外來(lái)保護(hù)等級(jí)，6級(jí)表示箱體內(nèi)在20毫帕的低壓下不應(yīng)該有灰塵進(jìn)入，這是一個(gè)極高的防塵標(biāo)準(zhǔn)；第二個(gè)數(shù)字表示防水保護(hù)等級(jí)，6級(jí)表示從每個(gè)方向?qū)?zhǔn)箱體的強(qiáng)射水都不應(yīng)該引起損害[30]。當(dāng)護(hù)罩內(nèi)的溫度高于50℃時(shí)，護(hù)罩內(nèi)的小型風(fēng)扇開(kāi)始工作，使得熱像儀所處工作環(huán)境的溫度降低；當(dāng)護(hù)罩內(nèi)的溫度低于15℃，護(hù)罩尾部自帶的加熱片開(kāi)始工作，使得護(hù)罩內(nèi)的溫度上升。2℃，而測(cè)量波長(zhǎng)范圍為8181。8176。m熱靈敏度℃（在30℃）視場(chǎng)角/最小焦距11176。2%(測(cè)量范圍)圖像控制色標(biāo)多種色標(biāo)(鐵紅、彩虹、黑白等)圖像調(diào)整自動(dòng)調(diào)整/手動(dòng)對(duì)比度、亮度調(diào)整設(shè)置功能溫度單位℃/℉/K，語(yǔ)言，IP地址輻射率校正環(huán)境溫度校正自動(dòng)，根據(jù)輸入的環(huán)境溫度大氣透射率校正自動(dòng)，根據(jù)輸入的距離、濕度、環(huán)境濕度原始圖像采集后端軟件或SDK開(kāi)發(fā)包手動(dòng)采集單幀圖像，采集的數(shù)據(jù)可分析、可測(cè)溫輸入電壓AC24V網(wǎng)口RJ45DM60具有前端測(cè)溫功能，如果用戶不打算利用與其配套的軟件開(kāi)發(fā)包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可打開(kāi)其配套的演示軟件，、線或區(qū)域，從而通過(guò)返回的溫度對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，做出報(bào)警判斷。 鍵盤(pán)布置示意圖2) 操作鍵由“p”、“q”、“t”、“u”四個(gè)方向鍵和“8 ”鍵（確認(rèn)鍵）組成，不同的模式有不同的功能。3) 取消鍵（標(biāo)記C）用于取消當(dāng)前的操作，同時(shí)具備自動(dòng)聚焦功能，在無(wú)菜單顯示時(shí)，長(zhǎng)按此鍵3秒，熱像儀實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦功能。另外持續(xù)按壓該鍵3秒以上，熱像儀將進(jìn)行自動(dòng)校正，以獲得最佳熱像效果。除此之外還采用特殊的抗震措施，保證機(jī)器在惡劣的工業(yè)環(huán)境中能夠正常運(yùn)行。 TLC485串口轉(zhuǎn)接模塊研祥特種計(jì)算機(jī)帶有兩個(gè)基于RS232通信協(xié)議的串口，RS232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。云臺(tái)的控制采用的是RS485通信協(xié)議，云臺(tái)接收到從工控機(jī)發(fā)出的指令后，通過(guò)解碼板進(jìn)行解碼，做出相應(yīng)的動(dòng)作。本系統(tǒng)與上述情況類(lèi)似，要通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制云臺(tái)。 云臺(tái)簡(jiǎn)介[35]本系統(tǒng)采用雅安D3060室外云臺(tái)，該云臺(tái)具有如下特點(diǎn)：1)采用鋁合金材料，具有耐高溫、耐老化、抗腐蝕、防水以及酸雨等特點(diǎn)；2)獨(dú)特的走線方式節(jié)省了出線長(zhǎng)度，保證了出線安全，使出線不會(huì)被破壞、磨損；3)裝有高性能長(zhǎng)壽命進(jìn)口變速箱，電機(jī)采用永久型重載磁同步電機(jī)，具有云臺(tái)停機(jī)保護(hù)功能，抗風(fēng)強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)；4)最多可以設(shè)置50個(gè)預(yù)置位，可配合熱像儀從多角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；5)支持多種控制協(xié)議，如YAAN(雅安公司自己開(kāi)發(fā)的協(xié)議)、PelcoD、PelcoP、AD、AB、行協(xié)、三星等，這些協(xié)議可以通過(guò)云臺(tái)內(nèi)部的功能選擇撥碼開(kāi)關(guān)4位進(jìn)行選擇。雖然各個(gè)生產(chǎn)紅外熱像儀的公司都會(huì)給用戶提供該公司專用的配套軟件，但這套軟件更多是作為商家的促銷(xiāo)手段，并未從用戶的角度考慮，所具有的功能也比較單一，未能做到對(duì)具體對(duì)象的智能化分析。軟件分為七個(gè)功能模塊。顯示模塊需要設(shè)置運(yùn)行指示燈來(lái)指示軟件系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀況，方便用戶了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。由于本系統(tǒng)是24小時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本模塊主要是對(duì)儀器進(jìn)行操作，而儀器可能由于初始化失敗、指令傳輸受到干擾等原因?qū)е萝浖B接失敗或者數(shù)據(jù)采集失敗。故障報(bào)警模塊利用設(shè)置的監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合帶電設(shè)備紅外診斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)還需設(shè)置相應(yīng)查詢模塊來(lái)對(duì)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行查詢。 本章小結(jié)本章對(duì)變壓器過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)使用到的硬件設(shè)施，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力企業(yè)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體要求，設(shè)計(jì)了本電力變壓器紅外在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，簡(jiǎn)要介紹了軟件各個(gè)模塊的主要功能。Visual C++ 是一個(gè)全面的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括代碼的編寫(xiě)、編譯、調(diào)試和運(yùn)行。Visual C++就帶有這個(gè)模板庫(kù)，利用它可以迅速地生成一個(gè)應(yīng)用程序框架，開(kāi)發(fā)者只需關(guān)心具體功能實(shí)現(xiàn)代碼的編寫(xiě)，大大提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期[36]。 電力變壓器過(guò)熱故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面2）監(jiān)測(cè)功能按鈕區(qū)：主要由參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測(cè)角度設(shè)置、在線監(jiān)測(cè)方式設(shè)置、定時(shí)監(jiān)測(cè)、停止監(jiān)測(cè)、手動(dòng)監(jiān)測(cè)六個(gè)按鈕組成。 變灰的手動(dòng)監(jiān)測(cè)按鈕3）查詢功能按鈕區(qū)：該區(qū)域包含歷史溫度數(shù)據(jù)查詢、溫升曲線、報(bào)警記錄、故障分析報(bào)表四個(gè)按鈕。6) 狀態(tài)顯示區(qū)：通過(guò)多個(gè)指示燈的變化，實(shí)時(shí)顯示軟件系統(tǒng)、熱像儀以及變壓器的運(yùn)行狀況。 軟件實(shí)時(shí)操作提示 系統(tǒng)工作流程介紹，當(dāng)用戶成功登錄之后，先設(shè)置熱像儀和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接的IP地址和端口號(hào)，選擇熱像顯示色標(biāo)；然后在已經(jīng)采集的參考熱像選擇監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置，并設(shè)置監(jiān)測(cè)區(qū)域的報(bào)警閾值，選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)方式；在確認(rèn)所有參數(shù)均設(shè)置成功后啟動(dòng)軟件開(kāi)始自動(dòng)監(jiān)測(cè)。 參數(shù)設(shè)置模塊該模塊用來(lái)設(shè)置與熱像儀連接的IP地址和端口號(hào)、與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接的IP地址和端口號(hào)以及熱像顯示的色標(biāo)。對(duì)于不同溫度的熱像，采用不同的色標(biāo)有助于使其獲得較好的視覺(jué)效果。Windows為用戶操作注冊(cè)表提供了三個(gè)函數(shù)，分別是RegCreate