0 引 言
在供電網絡發展極為(wei) 迅速和網架結構日趨合理化的今天，國家對電力係統供電可靠性的要求越來越高。紅外熱像測溫技術在電力工業(ye) 設備狀態檢測領域得到了廣泛的應用。但紅外熱像圖數據的大容量與(yu) 傳(chuan) 輸方式有限性之間的矛盾也越來越突出，而發展到目前，中國移動強大的GPRS無線通信網絡為(wei) 這一問題提供了很好的解決(jue) 方案。因此，研究輸電線路紅外熱像在線測溫是一項迫切而艱巨的任務。
輸電線路紅外熱像在線測溫係統運用先進的紅外熱像技術，對輸電線路運行溫度進行狀態在線監測；利用已有的GPRS無線通信網絡實現熱像圖數據的傳(chuan) 輸，具有覆蓋麵廣，無需增加傳(chuan) 輸設備和線路的特點，特別適用於(yu) 無法架設線路的偏遠地域的輸電線路場合。係統圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端由紅外熱像圖采集模塊、圖像數據壓縮模塊、GPRS網絡通信模塊、圖像數據傳(chuan) 輸模塊和太陽能供電裝置等組成，其中圖像數據壓縮模塊采用JPEG硬件壓縮編碼技術，對靜態圖像進行壓縮編碼，最大限度地減少了網絡傳(chuan) 輸的數據量，節省了網絡資源，提高了圖片的傳(chuan) 輸速度。為(wei) 了解決(jue) 設計中的高速率圖像采集、壓縮控製與(yu) 數據傳(chuan) 輸速度相對較慢帶來的變速率采樣問題，係統硬件結構采用微控製器加可編程邏輯控製芯片(MCU+CPLD)的方案，各項子功能由標準通用模塊完成，降低了係統複雜度，提高了係統整體(ti) 性能，用戶可以利用PC機通過Internet上實現熱像圖的遠端采集與(yu) 現場監控。
 

1 紅外熱像技術在輸電線路溫度監測中的應用模型
1．1 紅外熱像技術簡介
紅外熱像技術是探測輸電線路中各種電氣設備表麵輻射的不為(wei) 人眼所見的紅外線的技術。它反映設備表麵的紅外輻射場，即溫度場。並根據設備表麵的溫度場，測量設備某一部分的平均溫度。是一種被動的、非接觸式的檢測手段。紅外熱像儀(yi) 就是利用該技術製作而成的檢測設備，目前已在電力設備故障診斷領域得到廣泛應用。其簡單工作示意圖如圖1所示。

1．2 紅外熱像技術在輸電線路溫度監測中的應用
輸電線路的溫度信息可以通過紅外圖像進行有效反映。紅外成像是惟一一種可以將熱信息瞬間可視化，並加以驗證的診斷技術。紅外熱像儀(yi) 可揭示熱故障，並通過非接觸溫度測量加以定性分析，在專(zhuan) 業(ye) 的紅外分析軟件的幫助下，數秒內(nei) 便可自動完成分析報告。
所有利用或者發射能量的設備在發生故障前都會(hui) 產(chan) 生發熱現象。保證電氣設備運行可靠性的關(guan) 鍵便是對能源的有效管理，而紅外熱像技術已成為(wei) 預防性維護領域最有效的檢測工具，它能夠在設備發生故障之前，快速、準確、安全地發現故障。在電氣接點發生故障之前及時發現並進行維修，可以避免輸電線路因高溫熱故障造成斷電掉電所帶來的高昂代價(jia) 。
紅外熱像儀(yi) 能夠正確引導預防性維護專(zhuan) 家對電氣設備的運行情況進行準確判斷。可以將測量溫度值與(yu) 曆史溫度進行比較，或者與(yu) 相同時間同類設備的溫度讀數進行比較，以準確判斷是否發生了顯著的溫升，是否會(hui) 導致部件失效，帶來生產(chan) 隱患。主要用於(yu) 電力預防性維護等用途。特別是用於(yu) 輸電線路預防性維護、檢測方麵，具有很大的優(you) 越性。
 

2 輸電線路紅外熱像在線測溫係統的實現方案
2．1 係統的工作原理
安裝在輸電線路現場的前端采集終端利用高精度數字式溫度傳(chuan) 感器對環境溫度參數值進行采集；利用高精度紅外熱像儀(yi) 對準需要進行溫度監測的電氣設備。前端係統定時地采集到各種電氣設備有關(guan) 溫度分布的熱像圖後，將數據傳(chuan) 送給電路係統，電路係統經過分析處理後將熱像圖進行壓縮和打包處理，然後通過GPRS無線網絡的方式發送到監控中心的計算機數據服務器上。數據服務器安裝相應的應用軟件程序進行數據的自動處理，主要完成熱像圖的接收與(yu) 解壓還原，之後以圖像和圖形的形式將各種電氣設備的溫度分布情況直觀的顯示在客戶端，不同溫度以不同顏色顯示。係統結合數據軟件係統和各種修正理論模型分析各種電氣設備存在的熱缺陷和故障狀態，及時給出診斷信息，有效預防輸電線路高溫熱故障的發生。係統集成了環境溫度在線監測和輸電線路溫度分布的在線紅外熱像監測等，並借助現有中國移動強大的GPRS無線通信網絡進行實時數據傳(chuan) 輸，實現了對輸電線路溫度狀態的監測。
2．2 係統的結構
整個(ge) 監控係統主要分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 部分：圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端(前端)；監控中心計算機數據服務器(中心端)。在係統構成上可分為(wei) 上位機(監控中心計算機數據服務器)和下位機(圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端)兩(liang) 大部分。計算機數據服務器負責對圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端進行管理和控製，處於(yu) 管理層次的上層，因此稱為(wei) 上位機。圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端處在數據中心的控製下，負責對數據進行采集和傳(chuan) 輸，處於(yu) 管理層次的下層，因此稱為(wei) 下位機。係統結構如圖2所示。

圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端包括以圖像采集芯片處理器為(wei) 核心的圖像采集與(yu) JPEG壓縮部分和GPRS網絡傳(chuan) 輸部分以及紅外報警部分。圖像采集部分由視頻A／D芯片實現模擬圖像的數字化轉換，使用專(zhuan) 用芯片實現JPEG圖像壓縮編碼。GPRS無線網絡傳(chuan) 輸部分由專(zhuan) 用GPRS模塊實現網絡傳(chuan) 輸功能，它與(yu) 圖像采集部分的接口是通用異步串行接口(UART)。紅外報警部分實現輸電線路溫度出現異常狀況的報警功能。下位機主要實現輸電線路現場原始圖像的采集和壓縮以及壓縮圖像數據的GPRS無線信道傳(chuan) 輸，這些功能都由相應的軟件支持係統實現。
服務器包括硬件和軟件，硬件為(wei) 具有公網IP地址的計算機，軟件即為(wei) 服務器程序，由服務器程序實現GPRS網絡傳(chuan) 輸模塊和中心間的命令傳(chuan) 遞和數據傳(chuan) 輸。監控中心計算機數據服務器也包括硬件和軟件部分。硬件為(wei) 一台能接入Internet的計算機，軟件為(wei) 監控程序，電腦的網絡狀態為(wei) 公網、動態IP。在這裏特別指出，因為(wei) 監控中心端滿足服務器的網絡要求，所以該係統將服務器和監控中心端放到一台計算機上，以節約硬件和網絡資源。上位機主要實現壓縮圖像數據的接收及解碼和接收圖像數據的數據庫保存和處理。
2．3 係統的功能描述
2．3．1 上位機(監控中心計算機數據服務器)
上位機係統在用戶計算機上實現和運行並將相關(guan) 數據存入數據庫。主要完成對各個(ge) 監測點數據的收集，並將下位機的相關(guan) 配置信息、設置狀態信息和環境數據存儲(chu) 到數據庫中，方便用戶進行數據處理和分析。上位機係統主要功能如下：
(1)顯示：數據的顯示包含多項內(nei) 容，包括：溫度傳(chuan) 感器采集數據和紅外熱像監控器熱像圖的顯示、曆史值的顯示、按照時間顯示數據等。
(2)存儲(chu) 內(nei) 容：實時數據、曆史數據、運行記錄、當前狀態
(3)曆史數據整理：該係統可以對曆史數據文件進行整理，刪除選定的曆史數據文件，刪除某段時間以前的曆史數據。
(4)打印報表：可以打印兩(liang) 種報表，選擇日期，再選擇報表類型，即可打印。
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2．3．2 下位機(前端圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端)
下位機係統通過專(zhuan) 用的傳(chuan) 感和變送裝置，對輸電線路環境溫度、輸電線路溫度分布的紅外熱圖像等信息進行監測，並轉化為(wei) 可以被計算機處理的電信號(電壓、電流、頻率等)，再由CPU對電信號進行二次化處理轉化為(wei) 符合一定標準的數據，並存儲(chu) 在存儲(chu) 芯片中，以供保存和分析使用。下位機中的數據無線通信模塊起橋梁作用，連接監控中心端(上位機係統)與(yu) 前端采集終端，並實現它們(men) 之間的通信。它負責將數據根據上位機係統請求或主動上報方式通過GPRS通信方式上傳(chuan) 給上位機，並將上位機發送的控製命令傳(chuan) 輸給前端采集終端。
2．4 係統的工作流程
該係統是為(wei) 滿足現場監控而設計，下麵對係統的工作過程加以敘述。該係統具有定時觀察、即時觀察以及現場報警觸發等功能，具體(ti) 工作過程如下：
(1)啟動階段：前端安裝並啟動以後，GPRS模塊自動通過預先設定的服務器地址與(yu) 中心端進行連接。連接到中心端以後，中心端會(hui) 向前端發送請求讀取終端的命令，前端接收到命令以後發送本終端的應答命令到中心端，中心端記錄並監視該前端與(yu) 中心端的連接。此時，如果客戶端也發送網絡連接請求到中心端，並發送被監控前端的請求命令，中心器就會(hui) 將前端和客戶端的網絡連接對應上，此後前端和客戶端就可以采用透明方式進行數據傳(chuan) 輸，中心器不參與(yu) 控製，隻是提供數據通道。
(2)定時工作階段：該係統具有定時工作功能，由前端定時抓拍現場熱像圖，在中心端實現。即監控中心端定時向前端發送采集熱像圖的命令，前端收到命令以後會(hui) 采集當前現場的熱像圖，通過中心端傳(chuan) 輸給客戶端。定時時間設置由監控中心端軟件的設置功能實現。
(3)實現即時觀察：如果當用戶無定時監控的要求，或者用戶設置的定時時間較長，但在定時間隔中間有觀察現場的要求的時候，用戶可以啟動即時功能。在監控中心端軟件上有按鈕，點擊此按鈕時，中心端會(hui) 向前端發送采集圖像的命令，前端收到命令後會(hui) 采集當前現場的熱像圖，傳(chuan) 送給中心端。
(4)實現報警觸發觀察：在前端，微控製器的輸入接口與(yu) 熱像儀(yi) 相連，熱像儀(yi) 滿足報警設置要求時，前端會(hui) 采集當前現場熱像圖，傳(chuan) 送到中心端。在傳(chuan) 送的信息中會(hui) 帶有當前報警情況，當監控中心端收到此報警信息後，會(hui) 發出警提示，直到用戶關(guan) 閉此次報警。
2．5 係統總體(ti) 硬件結構
整個(ge) 係統硬件結構主要分為(wei) 前端和中心端。前端圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸係統是基礎前提，其結構和性能直接決(jue) 定了整個(ge) 係統性能的好壞。前端硬件主要由五部分組成：主控製模塊、圖像采集模塊、圖像壓縮模塊、GPRS無線傳(chuan) 輸模塊以及紅外報警模塊。中心端即監控中心計算機數據服務器與(yu) 前端硬件係統起著承上啟下的作用。其結構框圖如3所示。

2．6 係統總體(ti) 軟件結構
軟件係統包括前端圖像采集與(yu) 傳(chuan) 輸終端軟件及監控中心端軟件。兩(liang) 者在設計時采用如圖4所示的軟件層次結構。

如圖4所示，總體(ti) 軟件分成了三個(ge) 層次：上層應用軟件、中間支持部分、底層係統軟件。各個(ge) 不同部分實現不同的功能。
特別指出：監控中心軟件係統是該係統的重要組成模塊，它可以分析輸電線路中各種電氣設備的發熱規律及其表麵的溫度分布和升溫狀況，結合各種修正理論模型進一步分析各種電氣設備存在的熱缺陷和故障狀態，及時給出診斷信息。所有客戶端可以隨時對數據進行各種查詢、瀏覽、打印、存檔，還可直觀地通過觀測紅外熱圖像對輸電線路的溫度狀態及發展趨勢進行監測，實時地進行預警信息顯示與(yu) 提示。最關(guan) 鍵的是：它可以根據相關(guan) 算法公式來分析所測的溫度參數數據，利用趨勢分析技術可以模擬地分析出輸電線路環境溫度及溫度分布發展趨勢，綜合反映輸電線路的安全狀況。通過監測特定地區輸電線路環境溫度、輸電線路溫度分布的紅外熱圖像等信息來估算該地區線路高溫事故發生的臨(lin) 界條件，監測輸電線路紅外熱圖像數據來掌握線路事故的實時信息，並且係統可以同時與(yu) 曆史數據對比，指導檢修或發出預警信號。
 

3 結 語
開展對輸電線路溫度分布狀況進行實時紅外熱像在線監測，深入研究輸電線路運行現狀與(yu) 故障特性，建立數據監測模型，利用集輸電線路環境溫度參數和輸電線路溫度紅外熱像圖等多參數監測與(yu) 管理的輸電線路紅外熱像在線測溫係統來確定輸電線路的安全情況，及時給出高溫熱故障預報信息，對於(yu) 有效輸電線路溫度超標的發生，保障現有輸電線路的安全運行起到了重要的作用。同時最大程度地解決(jue) 輸電線路安全運行和維護管理的難度問題，也為(wei) 輸電線路參數監測提供了新的方法與(yu) 途徑，開辟新的研究思路。因此，具有重大的理論意義(yi) 和實踐意義(yi) ，實現了巨大的社會(hui) 效益，具有廣泛的應用和推廣前景。