远程红外温度图像监控系统

1、 远程红外温度图像监控系统技术白皮书深圳键桥通讯技术股份有限公司SHENZHEN KEYBRIDGE COMMUNICATIONS CO.，LTD.深圳市深南大道高新技术工业村R3A栋6层6/F，R3A Building，HiTech Industrial Park，Shennan Road，Shenzhen，ChinaTel：+8675526520661 Fax：+8675526635033目录1系统概述31.1应用背景31.2 红外测温原理32. 测温方案比较32.1 接触式测温方案32.2 瞄准型红外测温方案42.3非接触式红外成像测温方案63. 红外测温系统同图像监控系统的融合方案10

2、3.1 系统组成103.2 软件架构113.3 前端系统123.4 主要功能131系统概述1.1应用背景高压输电线、变配电设备等在电力系统中有着极其重要的地位，一旦出现故障，会造成巨大财产损失及不良社会影响等严重后果。但过流、过载、老化、接触不良、漏电、设备内部缺陷或其他内部异常导致的发热等故障现象并不能通过简单的人工观察就能发现。实践表明，通过对被测目标的红外温度测量，能够对目标的工作状态、有无故障隐患等进行监控。红外测温具有快捷、方便、灵敏度高、非接触性远距离测量、无需使被测设备停运或解体等优点，因此，红外测温技术在电力系统中有着广泛的应用，能为故障诊断、设备检修等提供理论依据，使缺陷处理

3、更具针对性，为开展设备状态维修创造条件，有效地预防一些事故的发生，从而提高设备运行的可靠性。1.2 红外测温原理自然界一切温度高于绝对零度(-273.15)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。红外测温的波长一般指在0.76100m 之间测量，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。通过测量出红外辐射强度可以计算出被测物体温度。红外测温设备由光学系统、光电探测器、信号大器及

4、信号处理器、输出驱动等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。 通过对比目标温度值与报警温度值可以决定是否进行报警输出。2. 测温方案比较目前常采用以下三种方式来完成供电设施的温度检测。2.1 接触式测温方案采用传统的温度传感器（温缆线圈），与被测设备进行直接接触来测温，每个测温点均需要安装一个测温装置，测温点数多，经济成本较高，可操作性差，维护不方便，传统接触测温方式的主要缺点如下：n 必须在电力变压器安装时预先进行规划，如在安装完成后增加测温点将极为困难；n 在运行过程中温度传感系统如出现问题，

5、如断线（温感故障）等维护困难，只能等停电后进行，而电力变压器一般均为长时间不断电工作；n 由于高压开关触点、母线处于高电压，各相之间都存在很高的电压，传统测温维护困难，故障率相对高；n 另一些场合如超高压环境下的测温用常规的数据采集不易实现；n 传统感温电缆的使用的年限在2到3年必须更换；n 在高压下安全性存在问题，如感温电缆短路的情况下会引起主变的停电设备事故，引起社会大面积停电，造成严重的经济损失。2.2 瞄准型红外测温方案瞄准型红外测温方案是在解决温缆线圈测温问题基础之上开发的，主要特点如下：n 非接触测温：较远距离测试（可达10至15m）被测目标温度（如电力变压器）。n 安装方便：可以

6、安装在以下区域：室外变压器主变和其他容易发生起火的设备如电容器、CT带油的开关；户内变电站的开关室或带电设备区；大跨度或较高的厂房；大型的油库。由于是非接触测量，不存在断线及接触不良可能引起的电火花问题。n 维护方便：温缆测温需停电进行，而红外测温可以在正常发电及送电的情况下进行检测及更换维护。n 扩展性强：红外测温设备可以方便的进行探头的增加。n 测量时间短：测量所需时间按传统温缆方式从开始测量到稳定一般需数分钟以上，红外测温方式仅需数秒钟便可。n 安全可靠：温缆由于是接触测量，与变压器之间容易耦合，高电压干扰信号可能串入，红外测温由于远距离进行测量，从而避免了高电压干扰信号串入的可能。n

7、使用寿命：传统温缆在1-3年必须进行更换，红外测温设备使用寿命一般可达10年以上。n 性价比高：传统温缆由于需停电进行检修及更换，安装调试需提前进行，综合成本高；红外测温设备在不停电状况下安装调试，总体性价比高。2.3非接触式红外成像测温方案红外成像检测技术是一种非接触、直观、准确、灵敏度高、快速、安全、应用范围广的测定物体表面温度场分布的方法，这是近几年才发展起来的一种新型测温技术，通过使用红外焦平面热成像仪，不仅能够对被测温点红外成像，而且能够得到红外热像图中的被测温点的准确温度，目前此类进口红外热成像仪的价格昂贵，经济性差。尤其需要说明的是：不管是进口的还是国产的，大多数热红外成像仪只能

8、对成像视角内的个点进行测温，无法满足大数量的测温点测温。目前此类方案的测温通常实施方法是：工作人员手持红外成像仪对被测温点对行拍摄，然后将存储在热成像仪中的图片导入到计算机中，然后分析出所有测温点的温度，并做成报表。我们的红外成像方案采用自动测温、自动成像检测后，通过视频服务器编码压缩后，通过通信网络将检测到的红外图像送到监控中心进行分析处理。2.3.1 系统特点n 本方案结合先进的图像处理算法，能对红外成像视角里的上百个测温点进行一次成像测温，并能将各预置测温点的温度和图片通过通信网络传送到监控中心，自动生成温度报表，并能根据设置的阈值进行报警并录像。n 先进的补偿算法目标测温点在热像仪成像

9、视角里具有不同的位置和距离，一般的红外热像仪需要通过人工调焦来测量，本方案采用独有的补偿算法，不需要对每个测温点进行聚焦，就能获取精确的温度。n 测温范围广。监测区域里，待测目标点大约为100200个，测温点的数量巨大是本项目产品相比于其它公司产品的一个显著特点。当前已有的红外测温系统检测的故障点通常仅为几个。n 成像测温深度大。需监测的故障点位于与红外镜头垂直的径向方向上，最大径向距离大约为300米。若干的故障点沿径向分布，为检测带来两大困难：一是待测点之间距离较近，如何有效进行区分；二是由于若干点距离红外镜头的距离差别较大，因此必须对所有点在成像图中的特征和相对红外镜头的距离之间的关系进行

10、分析才能实现对目标温度的精确测量。2.3.2 实施方案针对电力系统变电站测温需要，本方案采用的是目前最先进的非制冷红外焦平面成像技术，结合前沿的图像处理算法，实现非接触、非瞄准式、大面积温度测量，达到所见即所得的效果，测量结果以图片和数据方式保存，实现目标的可视化测量。1、远端站点监控站点由特制的红外热像仪和本地服务器构成。特制的红外热像仪采用法国ULIS公司生产的多晶硅非制冷焦平面探测器(UPFA)和本公司自主研发的实时处理算法，实现现场图像的采集与处理。图像处理算法可以实现多目标温度提取，红外热像仪的设计原理如下： 图像处理部分采用ARM+DSP的实现方式。算法中的计算部分主要由DSP实现

11、，ARM7完成硬件控制及提供各种时序。2、传输网络图片及数据利用通信网络传送到监控中心服务器，通信网络由现有电力专用网络提供（有线或无线），无需另外建设。3、监控中心监控中心通过良好的人机界面和数据库为工作人员提供前端现场被测设备的状态和数据。监控中心可以对各检测点的红外热像仪进行参数设置，系统自动根据预定时间或预定规则完成对预置点的温度巡测。对于预置点的温度可设置高温和低温超限报警。系统将自动保存每次温度巡检的记录。红外热成像系统可实现被测设备的24小时不间断测温检测和监控，一旦系统检测到温度异常（即超出高低温度区间设置），就会通过各种方式报警，如声光、短信提醒等。显示、报警、预置位、记录查

12、询等都在监控中心实现，既保证了测量的实时性，又减轻了人力、物力的消耗。对于高压输电线的检测，还可通过无线传输技术将测量结果传回监控中心。4、关键技术基于红外热成像的变电站温度监测系统主要分为两大部分，一部分为现场监控部分，另一部分为监控中心服务器应用软件。其中现场监控部分主要完成现场温度采集、数据处理、数据传输等功能。而监控中心则主要实现数据的存储和人机界面接口功能。由于现场监控部分实现的功能多样，且操作复杂，在图像处理过程中的计算操作较多，因此，项目采用嵌入式系统结合DSP的架构，实现数据从采集到处理及传输的整个过程。项目的关键技术总结如下：(1) 基于ARM的嵌入式系统控制设计：协调控制整

13、个硬件电路，为系统提供时序控制等功能。(2) 基于DSP的伪彩色编码：热成像测温系统所产生的红外图像为黑白灰度图像，灰度值动态范围不大，凭人眼很难从这些相差不大的灰度级中获得丰富的信息。因此为了更直观地增强显示图像的层次，提高人眼分辨能力，需对所摄取的图像进行伪彩色处理，达到图像增强效果，使图像信息更加丰富。(3) 基于DSP的图像处理技术：利用DSP的良好的计算特性，对图像进行处理，为精确的温度提取提供基础。并完成红外图像的非均匀性校正以及UFPA(非制冷焦平面阵列)的电源设计等工作。(4) 不同距离下被测对象的温度校正：进行红外成像仪安装前，应对其安装位置进行考察研究，其目的在于其能覆盖一

14、定范围的观测区域，且被测对象此时在热像仪的视线中具有合适的间隔，即成像图像中的观测点之间的距离足以进行区分，以便进行准确的温度测量工作，且避免漏测。然而对于变电站的实际情况，由于其视野广阔，涉及到的观测点与热像仪的距离相差非常大，而当距离不同时，被测对象在成像图像中的显示也有区别，因此，如何对距离区别较大的大量被测点进行准确测温是本项目的关键点，补偿方法也是本方案创新点之一。5、系统技术指标n 测温对象：导电母排接头、刀闸开关、变压器、高压输电线线缆接头、金具，及其他系统需测试对象；n 测温方式：非瞄准、非接触式测温；n 基于模糊机制的图像处理算法；n 非制冷焦平面成像；n 传输方式：以太网传

15、输；n 分辨率：384*288；n 视频标准：PAL制；n 功耗：<=10W；n 工作环境温度：-40-60；n 温度分辨率：1；n 工作波长：8-14um；n 量化精度：14bit；n 告警管理：告警自动联动、自动声光提示、拍照及录像动作；n 数据查询、显示、报表打印；n 远程查询、浏览和远程维护。3. 红外测温系统同图像监控系统的融合方案目前各行各业通用的红外诊断装置一般属于便携式简易装置，通过工作人员到现场巡查来检测设备的温度和进行故障诊断。现今我国电力系统普遍采用的是SCADA系统实现“四遥”功能，但SCADA系统并不能满足生产现场完全无人化和充分保证变电设备安全运行的目标，因为

16、变电站内还存在较多的设备绝缘装置和环境监控设备，这些问题使得建立全面的变电站远程监控系统成为当务之急。另外对变电站现场状况的监测，基本只针对某个独立单元，如电气指标监测、绝缘在线监测、防火防盗等。这些仅仅依靠单一的监测结果去了解变电站的状况往往是片面的，不足以让生产管理人员实时、全面地掌握变电站现场状况，更不能依靠某一项监测结果对现场进行及时处理，使已经投入的监测监控系统不能充分发挥应有的作用。即便安装了较多项目的监测系统，但各个系统互不兼容，操作繁琐，往往集成度不高，达不到理想的监测效果。因此研发一种以红外温度监测系统、可见光摄像机等组成的综合图像监控系统是十分必要的。 3.1 系统组成由于

17、变电站内被监测的对象较多且分布广，而摄像头的视场角较窄，不能覆盖整个变电站，因此有必要为每个摄像头都配置了高精度旋转云台，从而实现单个摄像头的最大覆盖范围，以减少摄像头数量，由于采用高精度旋转云台且被测目标又相对固定，因此被监测的目标对象非常明确，同时每个云台上可装备两个摄像头（一个红外探头、一个可见光摄像头），摄像头采用定时巡航和手动控制两种方式将现场的红外图像通过网络传输到监控中心的管理计算机。管理计算机通过传输设备发送控制指令到云台解码器，控制云台动作，同时管理计算机可把接收到的视频数据经处理后送给视频服务器，压缩后的视频数据以及被测目标的温度通过网络发送到远端变电站，使得在现场和远程监

18、控中心都能对变电站进行红外视频监控，及时发现故障，消除隐患。3.2 软件架构红外温度图像监控系统管理软件主要功能是把采集到的温度数据定时发给后台接收程序，通过传输网络把现场数据定时发给与接收端监控系统同在同一网络上的服务器端，服务器端用来接数据，然后把接收到的数据写到指定内存区域，通过设置标志位，后台接收端便可以及时得到现场设备的红外温度数据，从而进行后台系统的融合。3.3 前端系统前端系统主要设备有：电动红外镜头、红外探测器、CCD摄像机、云台解码器、传输网络设备等。通过红外探测器和CCD摄像机分别采集被监控设备的红外图像和可见光图像，通过传输网络将现场数据传送到监控中心，由监控中心管理软件

19、将接收到的数据进行分析处理。红外镜头：是一个根据被测设备距离及被测设备大小而选取的一个重要器件。根据变电站的实际情况可选配 21.5 mm、25mm、35 mm、49 mm、50 mm、60 mm或 100 mm 镜头，这些镜头不能互换，必须在订购时指定。此外还有不带镜头的版本可供选择，用户可选购镜头标定软件来执行额外的增益标定。红外探测器：像素320*240，利用红外镜头将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后根据来自于每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，可以在标准的视频监视器上显示出来，或记录在硬盘录像机中。由于热成像系统探测的是热而不是光，所以可全天候使用，它完全是

20、被动式的装置，没有光辐射或射频能量，通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。能探测到小于0.1的温差。摄像机：选用电荷耦合型CCD摄像机（Charge Coupled Device），多种品牌可以选择（如索尼、松下、三星等著名厂家生产的摄像机）。云台及解码器：采用内置解码器的高精度云台，它可以确保每一次的巡航定位准确，即在每一个预置位、每一次捕捉的是同一个对象，该功能极大的提高了发热故障设备跟踪的准确性和及时性，工作电压AC24V，协议为PALCO-D协议，可设置预置点、自动巡航，RS485控制。3.4

21、 主要功能3.4.1 实现红外和可见光图像综合监控红外摄像头和可见光摄像头连接到视频服务器连接，在通过传输网络，可实现两种图像的远程监控。3.4.2 红外热图像实时采集、实时测温、动态温度分析实时数据采集由视频服务器完成，实时测温是对每一帧图像中的指定区域计算最高温度，并和预先设定好的上下限温度进行对比，得出是否超温的报警提示。3.4.3 通过图像分割实现电气设备划分和分对象数据采集设备的识别是通过建立图像与设备的映射关系实现的。当云台转到某个预置位后必须对窗口中的设备进行识别，因为每个设备的报警温度可能是不一样的，因此当窗口中的某个设备超温时必须能够及时把它找出来并提示用户是哪个设备出现故障。目的是通过红外实时监控把变电站的设备温度实时显示出来，让值班人员能够及时准确的看出所有被监测设备的运行情况，是否过热，是否有故障，另外一个作用是实时的发送设备温度数据，以供监控中心处理。3.4.4 采用云台自动巡检方式，实现全变电站设备红外遥视整个系统中云台的精度控制是最为关键的部分，因为要实现对每个预置位的定点对象监测，那么每个预置位的定位就一定要精确，可是现有的云台是以电机的转动来控制云台的转动，精确度不够高。本方案给云台加上一个人为的预值零点，这个零点就是云台工作的起始点，每次预置位转完一个循环，都将回到这个起始点，设置一个起始零点后，误