◇大连科技学院交通运输学院 毛俊 郑欣宇 李怡萱

随着我国基础产业的迅速发展，变电、用电负荷逐年增加，配电柜的安全稳定运行以及可靠性十分重要。通过基于目前先进的红外热成像技术的非接触式测温系统，集红外、可见光及智能算法于一体的配电柜接线端子热成像检测系统，有效辨别配电柜排线接头的过热及短路造成的火灾事故隐患，同时检测其温度走向进行前期预判，为电力设备运行提供有力保证。红外热成像技术是一种能够实现对目标物体进行实时观测，同时是根据目标设备的红外辐射探测来捕获目标的图像技术[1]。我们提出了一种电气化设备红外图像自动分析及处理方法，对配电柜中的特定电气化设备过热现象进行温度监测及故障判别，实现了故障诊断领域中追求的高效和精准。

1 应用背景介绍

配电柜是电动机控制中心的统称。它应用在回路较少、负荷比较分散的场合；把上一级配电设备某条电路的电能就近分配给负荷。这级设备应负责保护、监视和控制负荷，采用温度识别方法用比色程序对被检电气化设备进行温度分析，并算出各个温度区域的总面积。相对温度识别方法既能科学读出故障的严重程度，又方便准确可计算。相位拓扑矩阵可对故障进行自动定位，改进了设备缺陷。根据国家标准，应用不同的算法识别，形成了互感系统、避雷系统、套管的故障诊断完整流程，以此实现对配电柜中的故障设备进行监测和诊断[2-4]。

2 端子热成像检测系统的设计及检测原理

2.1 硬件设计

板卡的组成。板卡主要由：CPU、OV2680-26P-200万像素可见光摄像头、Xmodule-S0系列212-90W超广角红外摄像头模组、HTU20D(F)数字温湿度传感器（板载温湿度采集）、XR819的WIFI模块、外界电池模块、DC-DC电源、USB等组成。

2.2 软件设计

（1）通信协议。

考虑到设备的实际应用场景，通信协议采用无应答式传输方式，即设备工作后，自动通 过wifi模块向外界输出信息。为了简化设计，wifi输出时采用固定帧长度方式，可配置，这样方便接收和解析。另外周期性发送配置信息（主要为输出图像的分辨率），暂定为1FPS，可配置，间接性的起到心跳报文的作用。结果信息和图像输出的帧率可配置，暂定为1FPS。

a、根据设备传输的数据类型，可以制订如下通信协议：

b、通信协议数据帧格式。

表1 通信协议数据帧格式

c、载荷数据格式。

如果为非图像数据，那么载荷数据都是有效载荷；如果为图像数据（包括红外、可见光及融合图像），那么载荷数据格式如表2所示。

表2 载荷数据格式

（2）设备端应用程序设计。

设备端应用程序由多个线程组成，具体包括红外图像采集、可见光图像采集、双光融合算法、WIFI无线发送[5]、看门狗监控线程。

a、图像采集线程。负责按照系统指定的显示帧率要求，周期性采集红外和可见光图像（两个并行的线程），并采用帧循环缓冲（其大小默认为3帧）的机制，送双光融合线程进行融合算法处理。

b、双光融合线程。利用IHS变换将已经经过校准的可见光图像分解成I、H、S三个相关性很低的分量，将其饱和的亮度分量I进行与红外图像单独处理，选用2层的小波变换分解，得到图像在不同分辨率下的代表不同信息的高低频分量，再对得到的低频分量采用平均值法，高频利用绝对值取大进行融合，对新的高低频分量实现小波重构后通过IHS逆变换得到新的I分量与原始图像H、S融合后得到新的图像处理结果，另外根据显示的需要，对融合后的图像进行裁剪，然后将裁剪后的图像放在输出帧循环缓冲区（其大小默认为3帧）里面，供WIFI无线发送模块使用。

c、WIFI无线发送线程。从双光融合线程获取到融合后的图像数据，然后按照约定的通信协议，经由WIFI模块将图像数据发送出去。

d、看门狗监控线程。对应用程序进行监护，并实现一些低优先级的辅助功能。

（3）PC端平台软件设计。

该设计利用QT、C#、VS等软件，主要实现网络数据接收、解析、图像数据拼接及显示等功能。

a、数据接收及解析。结合使用场景，将接收做得稳定可靠，尽量减少数据丢失。将设备端传输过来的数据接收下来后，按照协议解析一下，获得检测结果数据、配置信息数据及各种图像数据。

b、图像数据拼接。考虑到传输模式，检测设备在输出图像帧时，采用切片传输方式，即将一帧完整图像切片成多个子帧发送，每次接收到的图像数据只是一帧完整图像的一部分。当所有子帧图像数据接收完以后，就可以组合为一帧完整图像帧数据。

c、图像拼接。由于检测设备的视角问题，一个检测设备并不能监控到整个高低压配电柜，而是需要多个检测设备配合完成一个高低压配电柜的监控功能。因此，需要将多个检测设备的多路输出一同显示到监控平台上，此时就牵涉到一个图像拼接。

检测设备图像输出采用插花的YUV422格式，即数据排列为YUYVYUYVo每个检测设备输出的图像为条状矩形区域，有点类似于下面左侧的3副小图。而图像拼接的作用就是将左侧的3幅小图拼接为右侧的完整图像，以便于显示（图1）。

图1 拼接效果图

2.3 检测原理

（1）特征图谱判别法。

在运行的过程中，无论是哪一种电力设备，其表面都有固定的发热温度。特征图谱判别法就是热像图特征判断法，很适用于电压致热型电力设备。特征图谱判别法主要是比对正常与故障两种现象下的热像图，若是差别较大则判断此部分可能存在故障，没有较大差别则表示设备运行正常，在排除如环境色彩或是阳光光线等干扰因素后，精准判断出此种电力设备的运行状态[6]。

（2）无线网络传输原理。

完全集成的WLAN解决方案：大功率PA；收发转换开关；内阻抗匹配网络；0FDM/CCK PHY处理器；SDIO2.0主机接口支持6Mbps至65Mbps；OFDM具有并发操作的WiFi直接支持，支持MAC增强。XR819芯片特点：兼容ieee.802.11 b/g/n标准时钟：从13～52MHz输入xtal.或外部参考时钟；内部或外部32.768千赫低功率时钟；片上自动校准。智能自适应功率控制：节约用电；容忍VSWR变化以保持 EVM性能。

（3）设备工作流程。

设备通过各个红外传感器采集对应检测点的温度数据，通过WIFI上传的数据，如若发现有采集的环境参数超过设定的阈值并达到报警条件，设备会点亮报警指示灯和驱动蜂鸣器报警电路从而产生声光报警提醒相关人员。

对于传输距离较远或周围干扰比较强烈的环境，可以通过“热成像检测终端”+“中继模块”+“无线网关”；增加“中继模块”的方式达到增加传输距离和传输质量的目的；上位机显示终端可以通过无线网或者有线网络接收前一级传输的数据流，并在对应显示界面显示。显示终端收到的数据流中包含视频流，报警信息等。

2.4 现状分析

我国输配电设备及开关设备的市场容量按照我国年新增装机容量1500万kW。

2000年，新增装机容量达2000万kW。加上老电网设备更新改造，高压开关设备市场容量可达180亿元。

配电柜产业涉及保安报警服务、CCTV监控、防盗报警、楼宇对讲、智能家居、生物识别、智能交通等诸多领域对其的保护也是不可忽视的[7-8]。

3 应用前景及优点

3.1 应用前景

本项目主要针对于配电柜安防市场，目前我国输配电设备及开关设备的市场容量逐年剧增，变相推动了配电柜安防市场应用需求的与日俱增，对于安防产品技术要求日益提升，端子热成像系统这个项目应运而生。

3.2 项目优点

项目采用热成像检测技术，利用温度既可以科学地读取出故障的严重程度，又可以精准方便的计算。结合计算机程序算法，使用相位拓扑矩阵对故障进行自动定位，更加智能便捷化。所需器件较小，方便携带，应用广泛实用价值高。

4 结束语

基于红外检测技术，采用特征图谱判别法对检测形成的图像进行分析，自动完成设备的检测与高温预警，实现了半自动化操作且提高了工作效率，节省了人力物力资源，同时减少了人为误差，但此系统还存在一些令人不满意的地方，例如受外部环境或其他因素影响，后期在系统抗干扰和稳定性等方面还可以进一步改进提升。