遠程紅外溫度圖像監(jiān)控系統(tǒng)

1、 遠程紅外溫度圖像監(jiān)控系統(tǒng)技術白皮書深圳鍵橋通訊技術股份有限公司SHENZHEN KEYBRIDGE COMMUNICATIONS CO.，LTD.深圳市深南大道高新技術工業(yè)村R3A棟6層6/F，R3A Building，HiTech Industrial Park，Shennan Road，Shenzhen，ChinaTel：+8675526520661 Fax：+8675526635033目錄1系統(tǒng)概述31.1應用背景31.2 紅外測溫原理32. 測溫方案比較32.1 接觸式測溫方案32.2 瞄準型紅外測溫方案42.3非接觸式紅外成像測溫方案63. 紅外測溫系統(tǒng)同圖像監(jiān)控系統(tǒng)的融合方案10

2、3.1 系統(tǒng)組成103.2 軟件架構113.3 前端系統(tǒng)123.4 主要功能131系統(tǒng)概述1.1應用背景高壓輸電線、變配電設備等在電力系統(tǒng)中有著極其重要的地位，一旦出現(xiàn)故障，會造成巨大財產損失及不良社會影響等嚴重后果。但過流、過載、老化、接觸不良、漏電、設備內部缺陷或其他內部異常導致的發(fā)熱等故障現(xiàn)象并不能通過簡單的人工觀察就能發(fā)現(xiàn)。實踐表明，通過對被測目標的紅外溫度測量，能夠對目標的工作狀態(tài)、有無故障隱患等進行監(jiān)控。紅外測溫具有快捷、方便、靈敏度高、非接觸性遠距離測量、無需使被測設備停運或解體等優(yōu)點，因此，紅外測溫技術在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應用，能為故障診斷、設備檢修等提供理論依據(jù)，使缺陷處理

3、更具針對性，為開展設備狀態(tài)維修創(chuàng)造條件，有效地預防一些事故的發(fā)生，從而提高設備運行的可靠性。1.2 紅外測溫原理自然界一切溫度高于絕對零度(-273.15)的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合輻射定律。紅外測溫的波長一般指在0.76100m 之間測量，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。通過測量出紅外輻射強度可以計算出被測物體溫度。紅外測溫設備由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號大器及

4、信號處理器、輸出驅動等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枺撔盘栐俳洆Q算轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。 通過對比目標溫度值與報警溫度值可以決定是否進行報警輸出。2. 測溫方案比較目前常采用以下三種方式來完成供電設施的溫度檢測。2.1 接觸式測溫方案采用傳統(tǒng)的溫度傳感器（溫纜線圈），與被測設備進行直接接觸來測溫，每個測溫點均需要安裝一個測溫裝置，測溫點數(shù)多，經濟成本較高，可操作性差，維護不方便，傳統(tǒng)接觸測溫方式的主要缺點如下：n 必須在電力變壓器安裝時預先進行規(guī)劃，如在安裝完成后增加測溫點將極為困難；n 在運行過程中溫度傳感系統(tǒng)如出現(xiàn)問題，

5、如斷線（溫感故障）等維護困難，只能等停電后進行，而電力變壓器一般均為長時間不斷電工作；n 由于高壓開關觸點、母線處于高電壓，各相之間都存在很高的電壓，傳統(tǒng)測溫維護困難，故障率相對高；n 另一些場合如超高壓環(huán)境下的測溫用常規(guī)的數(shù)據(jù)采集不易實現(xiàn)；n 傳統(tǒng)感溫電纜的使用的年限在2到3年必須更換；n 在高壓下安全性存在問題，如感溫電纜短路的情況下會引起主變的停電設備事故，引起社會大面積停電，造成嚴重的經濟損失。2.2 瞄準型紅外測溫方案瞄準型紅外測溫方案是在解決溫纜線圈測溫問題基礎之上開發(fā)的，主要特點如下：n 非接觸測溫：較遠距離測試（可達10至15m）被測目標溫度（如電力變壓器）。n 安裝方便：可以

6、安裝在以下區(qū)域：室外變壓器主變和其他容易發(fā)生起火的設備如電容器、CT帶油的開關；戶內變電站的開關室或帶電設備區(qū)；大跨度或較高的廠房；大型的油庫。由于是非接觸測量，不存在斷線及接觸不良可能引起的電火花問題。n 維護方便：溫纜測溫需停電進行，而紅外測溫可以在正常發(fā)電及送電的情況下進行檢測及更換維護。n 擴展性強：紅外測溫設備可以方便的進行探頭的增加。n 測量時間短：測量所需時間按傳統(tǒng)溫纜方式從開始測量到穩(wěn)定一般需數(shù)分鐘以上，紅外測溫方式僅需數(shù)秒鐘便可。n 安全可靠：溫纜由于是接觸測量，與變壓器之間容易耦合，高電壓干擾信號可能串入，紅外測溫由于遠距離進行測量，從而避免了高電壓干擾信號串入的可能。n

7、使用壽命：傳統(tǒng)溫纜在1-3年必須進行更換，紅外測溫設備使用壽命一般可達10年以上。n 性價比高：傳統(tǒng)溫纜由于需停電進行檢修及更換，安裝調試需提前進行，綜合成本高；紅外測溫設備在不停電狀況下安裝調試，總體性價比高。2.3非接觸式紅外成像測溫方案紅外成像檢測技術是一種非接觸、直觀、準確、靈敏度高、快速、安全、應用范圍廣的測定物體表面溫度場分布的方法，這是近幾年才發(fā)展起來的一種新型測溫技術，通過使用紅外焦平面熱成像儀，不僅能夠對被測溫點紅外成像，而且能夠得到紅外熱像圖中的被測溫點的準確溫度，目前此類進口紅外熱成像儀的價格昂貴，經濟性差。尤其需要說明的是：不管是進口的還是國產的，大多數(shù)熱紅外成像儀只能

8、對成像視角內的個點進行測溫，無法滿足大數(shù)量的測溫點測溫。目前此類方案的測溫通常實施方法是：工作人員手持紅外成像儀對被測溫點對行拍攝，然后將存儲在熱成像儀中的圖片導入到計算機中，然后分析出所有測溫點的溫度，并做成報表。我們的紅外成像方案采用自動測溫、自動成像檢測后，通過視頻服務器編碼壓縮后，通過通信網絡將檢測到的紅外圖像送到監(jiān)控中心進行分析處理。2.3.1 系統(tǒng)特點n 本方案結合先進的圖像處理算法，能對紅外成像視角里的上百個測溫點進行一次成像測溫，并能將各預置測溫點的溫度和圖片通過通信網絡傳送到監(jiān)控中心，自動生成溫度報表，并能根據(jù)設置的閾值進行報警并錄像。n 先進的補償算法目標測溫點在熱像儀成像

9、視角里具有不同的位置和距離，一般的紅外熱像儀需要通過人工調焦來測量，本方案采用獨有的補償算法，不需要對每個測溫點進行聚焦，就能獲取精確的溫度。n 測溫范圍廣。監(jiān)測區(qū)域里，待測目標點大約為100200個，測溫點的數(shù)量巨大是本項目產品相比于其它公司產品的一個顯著特點。當前已有的紅外測溫系統(tǒng)檢測的故障點通常僅為幾個。n 成像測溫深度大。需監(jiān)測的故障點位于與紅外鏡頭垂直的徑向方向上，最大徑向距離大約為300米。若干的故障點沿徑向分布，為檢測帶來兩大困難：一是待測點之間距離較近，如何有效進行區(qū)分；二是由于若干點距離紅外鏡頭的距離差別較大，因此必須對所有點在成像圖中的特征和相對紅外鏡頭的距離之間的關系進行

10、分析才能實現(xiàn)對目標溫度的精確測量。2.3.2 實施方案針對電力系統(tǒng)變電站測溫需要，本方案采用的是目前最先進的非制冷紅外焦平面成像技術，結合前沿的圖像處理算法，實現(xiàn)非接觸、非瞄準式、大面積溫度測量，達到所見即所得的效果，測量結果以圖片和數(shù)據(jù)方式保存，實現(xiàn)目標的可視化測量。1、遠端站點監(jiān)控站點由特制的紅外熱像儀和本地服務器構成。特制的紅外熱像儀采用法國ULIS公司生產的多晶硅非制冷焦平面探測器(UPFA)和本公司自主研發(fā)的實時處理算法，實現(xiàn)現(xiàn)場圖像的采集與處理。圖像處理算法可以實現(xiàn)多目標溫度提取，紅外熱像儀的設計原理如下： 圖像處理部分采用ARM+DSP的實現(xiàn)方式。算法中的計算部分主要由DSP實現(xiàn)

11、，ARM7完成硬件控制及提供各種時序。2、傳輸網絡圖片及數(shù)據(jù)利用通信網絡傳送到監(jiān)控中心服務器，通信網絡由現(xiàn)有電力專用網絡提供（有線或無線），無需另外建設。3、監(jiān)控中心監(jiān)控中心通過良好的人機界面和數(shù)據(jù)庫為工作人員提供前端現(xiàn)場被測設備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心可以對各檢測點的紅外熱像儀進行參數(shù)設置，系統(tǒng)自動根據(jù)預定時間或預定規(guī)則完成對預置點的溫度巡測。對于預置點的溫度可設置高溫和低溫超限報警。系統(tǒng)將自動保存每次溫度巡檢的記錄。紅外熱成像系統(tǒng)可實現(xiàn)被測設備的24小時不間斷測溫檢測和監(jiān)控，一旦系統(tǒng)檢測到溫度異常（即超出高低溫度區(qū)間設置），就會通過各種方式報警，如聲光、短信提醒等。顯示、報警、預置位、記錄查

12、詢等都在監(jiān)控中心實現(xiàn)，既保證了測量的實時性，又減輕了人力、物力的消耗。對于高壓輸電線的檢測，還可通過無線傳輸技術將測量結果傳回監(jiān)控中心。4、關鍵技術基于紅外熱成像的變電站溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩大部分，一部分為現(xiàn)場監(jiān)控部分，另一部分為監(jiān)控中心服務器應用軟件。其中現(xiàn)場監(jiān)控部分主要完成現(xiàn)場溫度采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。而監(jiān)控中心則主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和人機界面接口功能。由于現(xiàn)場監(jiān)控部分實現(xiàn)的功能多樣，且操作復雜，在圖像處理過程中的計算操作較多，因此，項目采用嵌入式系統(tǒng)結合DSP的架構，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從采集到處理及傳輸?shù)恼麄€過程。項目的關鍵技術總結如下：(1) 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)控制設計：協(xié)調控制整

13、個硬件電路，為系統(tǒng)提供時序控制等功能。(2) 基于DSP的偽彩色編碼：熱成像測溫系統(tǒng)所產生的紅外圖像為黑白灰度圖像，灰度值動態(tài)范圍不大，憑人眼很難從這些相差不大的灰度級中獲得豐富的信息。因此為了更直觀地增強顯示圖像的層次，提高人眼分辨能力，需對所攝取的圖像進行偽彩色處理，達到圖像增強效果，使圖像信息更加豐富。(3) 基于DSP的圖像處理技術：利用DSP的良好的計算特性，對圖像進行處理，為精確的溫度提取提供基礎。并完成紅外圖像的非均勻性校正以及UFPA(非制冷焦平面陣列)的電源設計等工作。(4) 不同距離下被測對象的溫度校正：進行紅外成像儀安裝前，應對其安裝位置進行考察研究，其目的在于其能覆蓋一

14、定范圍的觀測區(qū)域，且被測對象此時在熱像儀的視線中具有合適的間隔，即成像圖像中的觀測點之間的距離足以進行區(qū)分，以便進行準確的溫度測量工作，且避免漏測。然而對于變電站的實際情況，由于其視野廣闊，涉及到的觀測點與熱像儀的距離相差非常大，而當距離不同時，被測對象在成像圖像中的顯示也有區(qū)別，因此，如何對距離區(qū)別較大的大量被測點進行準確測溫是本項目的關鍵點，補償方法也是本方案創(chuàng)新點之一。5、系統(tǒng)技術指標n 測溫對象：導電母排接頭、刀閘開關、變壓器、高壓輸電線線纜接頭、金具，及其他系統(tǒng)需測試對象；n 測溫方式：非瞄準、非接觸式測溫；n 基于模糊機制的圖像處理算法；n 非制冷焦平面成像；n 傳輸方式：以太網傳

15、輸；n 分辨率：384*288；n 視頻標準：PAL制；n 功耗：<=10W；n 工作環(huán)境溫度：-40-60；n 溫度分辨率：1；n 工作波長：8-14um；n 量化精度：14bit；n 告警管理：告警自動聯(lián)動、自動聲光提示、拍照及錄像動作；n 數(shù)據(jù)查詢、顯示、報表打??；n 遠程查詢、瀏覽和遠程維護。3. 紅外測溫系統(tǒng)同圖像監(jiān)控系統(tǒng)的融合方案目前各行各業(yè)通用的紅外診斷裝置一般屬于便攜式簡易裝置，通過工作人員到現(xiàn)場巡查來檢測設備的溫度和進行故障診斷。現(xiàn)今我國電力系統(tǒng)普遍采用的是SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)“四遙”功能，但SCADA系統(tǒng)并不能滿足生產現(xiàn)場完全無人化和充分保證變電設備安全運行的目標，因為

16、變電站內還存在較多的設備絕緣裝置和環(huán)境監(jiān)控設備，這些問題使得建立全面的變電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)成為當務之急。另外對變電站現(xiàn)場狀況的監(jiān)測，基本只針對某個獨立單元，如電氣指標監(jiān)測、絕緣在線監(jiān)測、防火防盜等。這些僅僅依靠單一的監(jiān)測結果去了解變電站的狀況往往是片面的，不足以讓生產管理人員實時、全面地掌握變電站現(xiàn)場狀況，更不能依靠某一項監(jiān)測結果對現(xiàn)場進行及時處理，使已經投入的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)不能充分發(fā)揮應有的作用。即便安裝了較多項目的監(jiān)測系統(tǒng)，但各個系統(tǒng)互不兼容，操作繁瑣，往往集成度不高，達不到理想的監(jiān)測效果。因此研發(fā)一種以紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)、可見光攝像機等組成的綜合圖像監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。 3.1 系統(tǒng)組成由于

17、變電站內被監(jiān)測的對象較多且分布廣，而攝像頭的視場角較窄，不能覆蓋整個變電站，因此有必要為每個攝像頭都配置了高精度旋轉云臺，從而實現(xiàn)單個攝像頭的最大覆蓋范圍，以減少攝像頭數(shù)量，由于采用高精度旋轉云臺且被測目標又相對固定，因此被監(jiān)測的目標對象非常明確，同時每個云臺上可裝備兩個攝像頭（一個紅外探頭、一個可見光攝像頭），攝像頭采用定時巡航和手動控制兩種方式將現(xiàn)場的紅外圖像通過網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的管理計算機。管理計算機通過傳輸設備發(fā)送控制指令到云臺解碼器，控制云臺動作，同時管理計算機可把接收到的視頻數(shù)據(jù)經處理后送給視頻服務器，壓縮后的視頻數(shù)據(jù)以及被測目標的溫度通過網絡發(fā)送到遠端變電站，使得在現(xiàn)場和遠程監(jiān)

18、控中心都能對變電站進行紅外視頻監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)故障，消除隱患。3.2 軟件架構紅外溫度圖像監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件主要功能是把采集到的溫度數(shù)據(jù)定時發(fā)給后臺接收程序，通過傳輸網絡把現(xiàn)場數(shù)據(jù)定時發(fā)給與接收端監(jiān)控系統(tǒng)同在同一網絡上的服務器端，服務器端用來接數(shù)據(jù)，然后把接收到的數(shù)據(jù)寫到指定內存區(qū)域，通過設置標志位，后臺接收端便可以及時得到現(xiàn)場設備的紅外溫度數(shù)據(jù)，從而進行后臺系統(tǒng)的融合。3.3 前端系統(tǒng)前端系統(tǒng)主要設備有：電動紅外鏡頭、紅外探測器、CCD攝像機、云臺解碼器、傳輸網絡設備等。通過紅外探測器和CCD攝像機分別采集被監(jiān)控設備的紅外圖像和可見光圖像，通過傳輸網絡將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心管理軟件

19、將接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理。紅外鏡頭：是一個根據(jù)被測設備距離及被測設備大小而選取的一個重要器件。根據(jù)變電站的實際情況可選配 21.5 mm、25mm、35 mm、49 mm、50 mm、60 mm或 100 mm 鏡頭，這些鏡頭不能互換，必須在訂購時指定。此外還有不帶鏡頭的版本可供選擇，用戶可選購鏡頭標定軟件來執(zhí)行額外的增益標定。紅外探測器：像素320*240，利用紅外鏡頭將場景中的物體發(fā)出的紅外能量聚焦在紅外探測器上，然后根據(jù)來自于每個探測器元件的紅外數(shù)據(jù)轉換成標準的視頻格式，可以在標準的視頻監(jiān)視器上顯示出來，或記錄在硬盤錄像機中。由于熱成像系統(tǒng)探測的是熱而不是光，所以可全天候使用，它完全是

20、被動式的裝置，沒有光輻射或射頻能量，通過探測物體發(fā)出的紅外輻射，熱成像儀產生一個實時的圖像，從而提供一種景物的熱圖像。并將不可見的輻射圖像轉變?yōu)槿搜劭梢姷?、清晰的圖像。能探測到小于0.1的溫差。攝像機：選用電荷耦合型CCD攝像機（Charge Coupled Device），多種品牌可以選擇（如索尼、松下、三星等著名廠家生產的攝像機）。云臺及解碼器：采用內置解碼器的高精度云臺，它可以確保每一次的巡航定位準確，即在每一個預置位、每一次捕捉的是同一個對象，該功能極大的提高了發(fā)熱故障設備跟蹤的準確性和及時性，工作電壓AC24V，協(xié)議為PALCO-D協(xié)議，可設置預置點、自動巡航，RS485控制。3.4

21、 主要功能 實現(xiàn)紅外和可見光圖像綜合監(jiān)控紅外攝像頭和可見光攝像頭連接到視頻服務器連接，在通過傳輸網絡，可實現(xiàn)兩種圖像的遠程監(jiān)控。 紅外熱圖像實時采集、實時測溫、動態(tài)溫度分析實時數(shù)據(jù)采集由視頻服務器完成，實時測溫是對每一幀圖像中的指定區(qū)域計算最高溫度，并和預先設定好的上下限溫度進行對比，得出是否超溫的報警提示。 通過圖像分割實現(xiàn)電氣設備劃分和分對象數(shù)據(jù)采集設備的識別是通過建立圖像與設備的映射關系實現(xiàn)的。當云臺轉到某個預置位后必須對窗口中的設備進行識別，因為每個設備的報警溫度可能是不一樣的，因此當窗口中的某個設備超溫時必須能夠及時把它找出來并提示用戶是哪個設備出現(xiàn)故障。目的是通過紅外實時監(jiān)控把變電站的設備溫度實時顯示出來，讓值班人員能夠及時準確的看出所有被監(jiān)測設備的運行情況，是否過熱，是否有故障，另外一個作用是實時的發(fā)送設備溫度數(shù)據(jù)，以供監(jiān)控中心處理。 采用云臺自動巡檢方式，實現(xiàn)全變電站設備紅外遙視整個系統(tǒng)中云臺的精度控制是最為關鍵的部分，因為要實現(xiàn)對每個預置位的定點對象監(jiān)測，那么每個預置位的定位就一定要精確，可是現(xiàn)有的云臺是以電機的轉動來控制云臺的轉動，精確度不夠高。本方案給云臺加上一個人為的預值零點，這個零點就是云臺工作的起始點，每次預置位轉完一個循環(huán)，