周翔 肖金球 莫洪斌 陈艳旭

摘 要： 针对分布式高压电塔维护困难、数据监测不全面等问题，研制一种自旋转式红外扫描的高压电塔状态巡检系统。系统包含温度测量节点、数据服务器以及PC端物联网平台。以STM32为微处理器控制双舵机云台进行角度旋转，实现红外测温仪对电气接点的测温，SIM900模块将温度数据传输至数据服务器；利用数值反馈角度定位算法对存在的异常电气接点进行二次测量， 通过PC端物联网平台查看某个区域内的所有高压电塔的工作状态，极大地解决了高压电塔监测问题。

关键词： STM32； 高压电塔； 红外测温； 数值反馈角度定位； 物联网平台； 二次测量

中图分类号： TN215?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0101?05

Development of rotary infrared scanning status inspection system for high voltage towers

ZHOU Xiang1，2， XIAO Jinqiu1，2， MO Hongbin3， CHEN Yanxu4

（1. School of Electronic and Information Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009， China；

2. Suzhou Intelligent Measurement and Control Engineering Technology Research Center， Suzhou 215009， China；

3. Suzhou Nuclear Power Research Institute， Suzhou 215009， China；

4. School of Energy Science and Engineering， Nanjing University of Technology， Nanjing 211800， China）

Abstract： In allusion to problems such as maintenance difficulty and data monitoring incompleteness of distributed high voltage towers， a rotary infrared scanning status inspection system for high voltage towers is developed. The system consists of the temperature measurement node， data server， and Internet of Things （IoT） platform on the PC terminal. The STM32 is taken as the microprocessor to control the cloud platform of the double steering engine for angle rotation， so as to realize temperature measurement of electrical contacts by the infrared thermometer. The SIM900 module is used to transmit temperature data to the data server. The numerical feedback angle positioning algorithm is used to perform secondary measurement of abnormal electrical contacts. The working conditions of all high voltage towers in a certain area can be viewed from of IoT platform on the PC terminal， which largely solves the monitoring problem of high voltage towers.

Keywords： STM32； high voltage tower； infrared temperature measurement； numerical feedback angle positioning； IoT platform； secondary measurement

隨着全国范围内用电的需求日益增大，电力设备越来越多，这给电力设备的维护监测造成很大的困难。高压电塔是国家电网的重要组成部分，且分布极为广泛，这就产生了高压电塔维护的问题。现有的人工巡检是电网巡检的主要方式，采用原始的测量、记录的模式对高压电塔进行逐一排查，耗费巨大的人力物力，并且也存在遗漏、检错、排查周期长、偏远地区巡检难等问题。

针对上述问题，本文利用物联网技术中的感知技术、网络技术、应用技术与红外测温技术结合，设计出一套自旋转式红外扫描的高压电塔状态巡检系统。这套系统与传统人工巡检相比，突破了传统的测量局限性，测温耗时更少、巡检周期更短、管理效率更高、数据更新更及时，为大范围内高压电塔的长期维护提供了一种很好的解决方案。

1 技术原理

1.1 物联网技术

物联网技术利用互联网与通信技术，通过从传感器、网路传输以及信息处理三个层次，将各类物体进行联网。相关产品广泛应用在智能家居、智能消防、工业监测、个人健康等各领域。如今的物联网技术与产品，不仅质量好、技术先进、专业性强，实现了人对物的实时控制与精确管理，并且在成本费用上低于传统模式，满足各行各业的需求。

1.2 红外测温原理

本系统采用的高压电塔测温方法是根据探测物体向外辐射的红外能量，但凡物体温度高于绝对零度，就会不停地向外发射红外辐射能量，并且满足：

[E=εσT4]

式中：ε为发射率；σ为斯蒂芬?玻尔兹曼常数。

根据理论，通过红外探测器接收辐射后产生微弱电压信号，经过放大、A/D采样得出精确的温度值，能够实现非接触即可准确地测算出高压电塔的表面温度[1]。红外测温技术大大节约了人力物力，也提高了工作人员测量的安全性。

2 系统总体设计

自旋转式红外扫描测温的高压电塔测温巡检系统主要由温度测量节点、数据服务器、物联网平台组成。系统通过温度测量节点测量其所在位置的高压电塔电气节点的工作温度数据来判断高压电塔与电线的工作状态，当终端测温单元测得的温度出现异常时，温度测量节点的报警模块会进行闪光报警并将包含异常设备编号及出现异常时间的短信发送给相关维修人员，便于及时找到出现异常的设备并进行维修。每个温度测量节点通过GPRS网络将实时的温度值发送到后台数据库服务器，监控中心的物联网平台通过访问数据库获得实时数据[2]。系统组成框图如图1所示。

3 系统硬件设计

本系统的硬件系统主要包括温度采集系统、控制系统、无线传输系统、报警系统以及PC机。温度采集系统为自旋转式红外扫描测温仪，由双舵机云台与红外测温仪组成；控制系统由STM32F103微处理器、电源模块组成；无线传输系统选用SIM900无线传输模块；报警系统采用LTE?1101J声光报警器。最终的系统硬件设计方案如图2所示。

3.1 自旋转式红外扫描测温仪设计

自旋转式红外扫描测温仪由双舵机云台与红外测温仪组成。仪器通过扫描的方式对高压电塔的电气节点与电缆逐一进行温度测量。红外测温仪设计参数如表1所示。

1） 红外测温仪设计。其探测器部分采用热敏电阻，以及直流的工作方式。当电塔的红外线通过红外镜头汇聚到扫描镜上，把被测目标红外线聚焦到探测器，探测器探测到热辐射时就会产生微弱的电压信号。微弱的电压信号经过低噪声、高输入阻抗的前置放大器和增益可调的主放大器后，输出峰值为2.5 V的电压信号。再将电压信号通过A/D模块AD7705进行模/数转换，最后发送至STM32F103微处理器进行处理得出精准的温度值[3]。

2） 双舵机云台设计。每一台高压电塔上端电气接点通常不止一处，若红外测温仪想要测量全部电气接点，需要对电气接点所在的平面进行扫描。将红外扫描仪固定在双舵机云台上，并通过对水平与垂直方向上的舵机进行控制旋转，来实现对电气接点逐一测量。双舵机云台由两个扭矩为1.8 kg·cm的180°舵机与U型支架组成，具体参数与设计如图3所示。

3） 抗干扰策略。自旋转式红外扫描测温仪通常固定在离电气接点与输电线路0.5 m左右，这种距离下仪器通常会受强电磁干扰。为了提高红外测温仪的稳定性，系统采用以下措施：在硬件设计上利用光耦在信号输入和输出端进行光电耦合抑制各种噪声干扰；通过不锈钢制作的金属外壳来对光学元件和信号处理电路进行封装并接地，从而有效地屏蔽电磁干扰；使用“看门狗”监测信号处理电路的工作状态，出现“死机”状况时，通过“复位”恢复系统的正常运行。

3.2 数据通信模块设计

考虑到系統监测的对象为高压电塔，通常分布室外且位置偏僻，且需要进行数据远距离的无线传输[4]。所以数据通信模块部分采用应用比较广泛的GPRS模块SIM900。GPRS在全国范围内覆盖良好，下行速率最快可达85.6 kbit/s，上行速率最快达42.8 kbit/s，满足了室外大范围内温度测量节点与服务器进行数据传输的要求。SIM900的正常工作温度范围在-30～80 ℃之间，满足了在室外工作的条件。SIM900支持TCP/IP协议、HTTP协议，STM32F103微处理器可以通过AT指令控制SIM900与服务器通过三次握手，握手成功之后建立TCP连接，实现数据通信。STM32F103与SIM900的电路连接如图4所示。为了避免电磁干扰对GPRS数据传输的影响，一方面采用红外扫描测温仪与控制传输电路分离的方法，确保控制传输电路尽可能地远离强磁场环境；另一方面在通信模块电路设计上，把模拟信号电路与高速数字信号电路进行分开，使得两者信号耦合最小化。

4 软件设计

4.1 硬件程序设计

系统硬件程序设计如图5所示，测温流程是微处理器根据程序设定的时间间隔，控制舵机云台按照预设定的轨迹进行旋转，从而实现红外扫描测温仪对高压电塔塔顶的电气接点进行逐一测温。一方面微处理器将一个周期内的温度采样值与阈值温度范围相比较，若温度数值正常，则直接将温度数据通过GPRS网络传输至物联网平台；若其中一个周期内某个温度数据不在阈值范围之内，微处理器根据该数据在样本内的编号来判断异常电气接点在测量平面的位置，得出水平与垂直方向的舵机旋转角。

微处理器控制云台进行旋转至异常节点的位置，红外测温仪对该节点进行二次测量。根据程序设定的间隔对该节点进行持续采样，得到该节点的样本数据。对该样本进行单总体T检验，通过计算该节点的温度数据与阈值是否存在显著差异来进一步判断该节点的工作状态是否正常。若判断出该节点正常工作，则该测量周期结束，舵机云台回到初始位置；若判断出该节点工作状态异常，则微处理器控制开启声光报警系统，并且通过SIM900A模块向检修人员发送包含故障设备编号的短信[5]。考虑到温度测量节点地处室外，而且大范围内温度测量节点分布广泛，为了充分提高系统的工作效率和使用寿命。温度测量节点采用平时休眠、定时唤醒的工作模式来降低装置整体功耗。主程序使得硬件装置完成上电初始化、自检、设定系统参数之后，马上进入休眠状态[6]。当定时器中断产生之后，装置开始进行上述测温流程。硬件装置在完成中断服务程序之后，再次进入休眠，从而降低系统整体功率，延长了硬件装置寿命。

4.2 数值反馈角度定位算法

本文以110 kV干字型高压电塔为例来说明系统的云台角度定位算法。红外测温仪设定角分辨率为100∶1，干字型高压电塔塔头部分包含6个由直径为4.5 cm的金属连接器件购成的待测电气接点，6个电气接点处于同一平面且可以理想化成平面上的点。有角分辨率和直径可得红外测温仪测量电气接点的最远距离为4.5 m。实验示例如图6所示。

算法步骤为：

1） 设6个节点形成的矩形长和宽分别为a，b。坐标原点与平面的距离为c。 对节点进行编号排序，得出它们的坐标分别为（a/2，c，b/2），（-a/2，c，b/2），（-a/2，c，0），（a/2，c，0），（a/2，c，-b/2），（-a/2，c，-b/2）。图中[tan α=b2c]，[tan β=a2c]，则[α=arctanb2c]，[β=arctana2c]。

水平方向舵机沿x正半轴向负半轴方向转动，在（90°-β，90°+β）范围内进行转动，垂直方向的舵机沿着z正半轴向负半轴进行转动，在（90°-α，90°+α）范围内转动。舵机旋转至1点位置时，开始测量，沿着1→2→3→4→5→6的以Z型路径进行逐一测量。每次温度出现突变值时，判断为电气接点的温度数值。测量结束后，舵机返回初始位置，处理器得到包含6个数值的样本。

2） 通过单总体T检验法计算得出存在异常的电气接点的编号。每一个节点的温度数据为一个样本，样本数据容量小于30，所有节点温度数据组成总体。先提出假设H0，温度阈值最大值Tmax=52，计算样本平均数与总体平均数的离差统计量为：

[t=x-μσxn-1]

式中：t为样本平均数与总体平均数的离差统计量；[x]为样本平均数；μ为样本平均数；[σx]为样本标准差；n为样本容量。计算自由度[υ]=n-1，经过查表得出临界值，比较差异值与临界值的关系来判断该节点是否正常，差异值大于临界值时，该节点工作异常。通过单总体T检验对测量节点逐一检验得出异常节点的编号。

3） 系统需要对异常节点进行二次测量，舵机云台需要旋转适合角度来实现对该节点的温度测量。若该异常节点编号为k（1≤k≤6），首先对k进行奇偶判断，若k为奇数，则水平舵机旋转角度为90°-β；若k为偶数时，则水平舵機旋转角度为90°+β。再进一步对垂直方向旋转角度进行计算，若存在n为自然数，则n满足：

[n≥k-22]

取n的最小值，则垂直方向的舵机旋转角度为90°+（nmin-1）α。

根据以上算法，可以实现对高压电塔的电气接点的完全测量与重复测量，与传统手动测量方法比较起来，保证了温度数据的完整性和准确性。

4.3 TCP/IP协议

TCP/IP协议通常是被分成四层协议系统，分别为应用层、传输层、网络层和链路层[7]。SIM900模块与数据库服务器建立TCP连接有三个阶段：建立连接阶段、数据收发阶段、连接释放阶段。SIM900模块与服务器三次握手成功之后建立连接，建立连接成功之后，就可以进行数据的传输，在发送数据时一定要指定双方的IP地址以及端口。当完成数据传输的过程之后，微处理器向SIM900模块发送AT指令实现关闭连接状态和移动场景[8]。

4.4 HTTP协议

物联网平台需要从服务器获取数据时，会发送一次HTTP请求，通过TCP建立起与服务器之间的通道，当获取数据结束时，HTTP会立即将TCP连接断开。在系统中，通过向数据库服务器发送HTTP POST请求对物联网平台的数据进行更新[9]。

POST/v1.0/device/x/sensor/xx/datapoints HTTP/1.1

Host： 121.xxx.xxx.xxx

Accept： */*

U?ApiKey： d2164b0b1edfae22bca1350d5bac8e0f

Content?Length：14

Content?Type：application/x?www?form?urlencoded

Connection： close

{"value"：xx.x}

在HTTP POST请求中，第一行必须是一个请求行，用来说明请求类型、要访问的资源以及使用的HTTP版本。HTTP POST请求包含了每一台温度测量节点对应的编号与传感器对应编号，用来一一对应更新高压电塔的数据值。紧接着是一个首部小节，用来说明服务器要使用的附加信息。在首部之后是一个空行，之后便是数据主体。

4.5 物联网平台功能设计

系统物联网平台包含以下4种主要功能：

1） 温度实时显示与报警。如图7a）所示，点击主界面地图上高压电塔的编号，右下角状态栏上可以显示出该电塔的最新温度数据与数据更新时间，当某个高压电塔监测出现异常时，物联网平台会向管理人员发出故障提示[10]。

2） 系统参数设置。如图7b）所示，通过物联网平台可以对系统硬件终端的参数进行设置，包括标准工作温度范围、测温间隔时间、云台旋转角度等。

3） 历史数据查询。如图7c）所示，可以查看某一台电力设施在长时间内的工作温度，生成数据报表，从而对设备的工作状态进行分析。

4） 巡检信息备注。如图7d）所示。维修人员在对出现故障的高压电塔进行巡检以后，相应地要对这台设备进行故障分析与备注，方便后期的维护。

5 系统效果

为了测试系统能否正常地实时监测高压电塔的温度，在此选取苏州地区的某些高压电塔进行测试。测试时间是2017年2月17日，环境温度12 ℃，高压电塔上的传输电缆的工作电压50 kV，将温度测量节点装在高压电塔的中上部分，然后在物联网平台进行查看电塔的温度，表2是物联网平台显示的测试电塔金属连接器与高压电缆表面的温度。

为了对系统测温的精度进一步掌握，借助苏州热工研究院福禄克红外温度检测仪对测试电塔的温度进行对比测量，表3是对比数据。

分析以上数据可得，系统测得的温度数据普遍低于热工所测得的温度数值，存在误差，且误差范围在±1 ℃。可以进一步得出高压电塔温度越接近所在地的环境温度时，测温系统存在误差越小。

6 结 论

本文研制了一套自旋转式扫描的高压电塔状态巡检系统，利用红外扫描测温技术实现了对高压电塔的远距离全方位测温，利用物联网技术实现了对大范围内电塔的智能化全覆盖管理，相比于人工巡检的方式，准确性、安全性、全面性得到了很大程度上的提高，更加省时方便。经测试，本套系统能够满足设计要求，持续稳定地监测管理范围高压电塔的工作状态。

注：本文通讯作者为肖金球。

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