基于GPRS传输的输电线路红外测温系统

摘要：针对当前输电线路温度检测的薄弱环节，设计了一种新型基于GPRS传输的输电线路红外热像检测的设计方案。重点阐述了该系统的工作原理、系统结构、功能以及各部分组成，主要包括硬件和软件方面设计的框架结构。系统选用红外摄像检测技术获得红外摄像图，并结合GPRS无线网络进行实时数据传输，实现了对输电线路温度实时在线的监测。现场运行试验表明，该系统较好地实现了对输电线路的重要部位实时或定时的红外热图像故障检测，各项技术指标已达到设计要求。
关键词：GPRS；输电线路；红外热像；监测

0 引言
    近年来，供电网络发展迅速和网架结构日趋科学化，国家对电力系统供电可靠性、安全性的问题日益突出。红外热像测温技术在电力工业设备状态检测领域得到了越来越宽泛的应用。但红外热像图数据的大容量与传输方式有限性之间的矛盾也越来越突出，而发展到目前中国移动强大的GPRS无线通信网络为这一问题提供了很好的解决方案。因此，研究输电线路红外热像在线测温是一项迫切的任务。
    目前，输电线路监测已经有所发展，并且日趋完善。在输电线路状态监测系统中用到红外测温诊断技术是一种先进的故障检测手段，具有远距离、不停电、不接触、不解体等特点。系统中重要的前端红外设备为红外热像仪。红外热像仪通过检测被诊断物体的红外辐射信号获得热状态特征，并根据这种热状态特征及适当的判据，做出有无故障及故障属性、出现位置和严重程度等判别。单有红外热像仪都无法实现长距离无线检测，如果利用已有的GPRS无线通信网络实现热像图数据的传输，具有覆盖面广，无需增加传输设备和线路的特点，特别适用于无法架设线路的偏远地域的输电线路场合。

1 系统整体的设计结构
1．1 系统的工作原理
    输电线路现场的采集终端设计安装了高精度红外热像仪，对准需要进行温度监测的电气设备。前端系统定时的采集到各种重要电气设备有关温度分布的热像图后将数据传送给电路系统，电路系统经过分析处理后将热像图进行压缩和打包处理，然后通过GPRS无线网络的方式发送到监控中心的计算机数据服务器上。数据服务器安装相应的应用软件程序进行数据的自动处理，主要完成热像图的接收与解压还原，之后以图像和图形的形式将各种电气设备的温度分布情况直观地显示在客户端，不同温度以不同颜色显示。系统结合数据软件系统和各种修正理论模型分析各种电气设备存在的热缺陷和故障状态，及时给出诊断信息，有效预防输电线路高温热故障的发生。系统集成了输电线路温度分布的在线红外热像监测的各种功能模块，并借助GPRS无线通信网络进行实时数据传输，实现了对输电线路温度状态的监测。
1．2 系统总体硬件结构
    整个系统硬件结构主要分为监测前端、无线通信网络和监控中心三部分。监测前端硬件主要由主控制模块、图像采集模块、图像压缩模块以及红外报警模块五部分组成。
    监测前端的图像采集与压缩模块是系统的基础与前提，其结构和性能直接决定了整个系统性能的好坏。图像采集与压缩终端包括以图像采集芯片处理器为核心的图像采集与JPEG压缩部分以及红外报警部分。主要实现输电线路现场原始图像的采集和压缩，这些功能都由相应的软件支持系统来实现。图像采集部分由视频A／D芯片实现模拟图像的数字化转换，使用专用芯片实现JPEG图像压缩编码。红外报警部分实现输电线路温度出现异常状况的报警功能。
    无线通信网络部分由专用GPRS模块实现网络传输功能，它与图像采集部分的接口是通用异步串行接口(UART)。
    监控中心即监控中心计算机数据服务器与前端硬件系统起着承上启下的作用。其结构框图如1所示。

1．3 监测前端硬件整体设计
    监测前端主要完成对数据的采集、打包和传输等。监测前端采集温度数据，并通过对现场图像的采集，更进一步确认导线的状况。监测终端设备安装在野外，取电困难，所以选用太阳能加蓄电池的供电。
    监测前端的硬件结构图如图2所示。根据实际的需要，监测前端的微控器选用了基于ARM7内核RISC结构的LPC2368微处理器。它是一个支持实时仿真的32位ARM7TDMI-S CPU，并带有512 KB嵌入的高速FLASH存储器，且具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)的功能。控制器管理太阳能电池板对蓄电池的充电，并保证蓄电池对系统供电电路的放电。供电电路将蓄电池的电压转换为系统各部件电源所需的电压。图像采集模块将摄像机拍摄的图片压缩为压缩比适中的JPG格式，以适应无线网络窄带传输的需要。无线通信模块采用内嵌TCP／I协议的MC55，连接监控中心与监控终端，以实现它们之间的通信。JTAG接口可用于对LPC2368内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等。此外，还有存储单元，看门狗单元以及时钟电路等外围电路。

    为了满足系统低功耗的要求，采用了一系列降低系统功耗的措施，如选择低功耗元件、合理利用外围设备的睡眠模式、分时供电等一系列低功耗措施，给功耗较大传感器加上开关电路，在不用的时候关闭电源，以达到节电的目的。而且，图像采集模块，摄像机等部件的功耗较大，均加上了开关电路，确保系统在无光照情况下可以长时间工作。
1．4 监测中心即监控中心计算机数据服务器
    监控中心计算机数据服务器也包括硬件和软件部分，硬件为一台能接入Internet的计算机，软件为监控程序，电脑的网络状态为公网、动态IP。本系统将服务器和监控中心端放到一台计算机上，以节约硬件和网络资源。
    监测中心主要功能：系统在用户计算机上实现和运行并将相关数据存入数据库。主要完成对各个监测点数据的收集，并将系统中心端的相关配置信息、设置状态信息和环境数据存储到数据库中，方便用户进行数据分析和处理。具体来说有如下功能：
    (1)显示功能：包括温度传感器采集数据、红外热像监控器热像图的显示、历史值的显示和按照时间显示数据等；
    (2)存储功能：实时数据、历史数据、运行记录、当前状态的储存；
    (3)整理功能：对历史数据进行整理，删除选定的历史数据文件，删除某段时间以前的历史数据。
    (4)打印报表：选定日期和报表类型，即可打印。

2 系统总体软件结构
    软件系统包括前端图像采集与传输终端软件及监控中心端软件。
2．1 前端软件的设计
    前端硬件内嵌μC／OS-Ⅱ实时多任务操作系统。μC／OS-Ⅱ是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统，适合小型控制系统。在实际的应用中，先将实时多任务操作系统μC／OS-Ⅱ移植到LPC2368中，并根据所需完成的功能和需求，将系统划分为7个任务：看门狗任务、系统初始化任务、气象数据采集任务、图像采集任务、短消息处理任务、网络消息处理任务及数据发送任务。为了保证系统的实时性，设定了合理的任务优先级，并通过在各中断中发送信号量运行相应的任务。软件流程图如图3所示。

2．2 监控中心软件
    监控中心软件负责指挥控制系统的运转，完成监控和管理功能，还要与前端硬件进行通信，完成对采集到数据的分类存储、处理及预警，根据制定的通信协议对前端进行控制，对前端系统软件在线升级。监控中心软件主要设计为三个部分：图形监控、数据存储及处理和网络通信。图形监控部分负责对采集的图片进行显示；数据处理部分对采集的数据按照覆冰模型算法进行计算，显示计算结果，提供报警信息，并存储数据；网络通信部分主要负责与终端的通信，接收终端分机数据，并控制终端。此外，监控中心软件还提供数据查询、分析、打印，曲线显示，客户机有权限的链接查询等功能。
    监控中心软件系统是本系统的重要组成模块，它可以分析输电线路中各种电气设备表面的温度分布、升温状况和发热规律，进一步分析各种电气设备存在的热缺陷和故障状态，及时给出诊断信息；可以根据相关算法公式来分析所测的数据，利用趋势分析技术可以模拟地分析出输电线路环境温度及温度分布发展趋势，综合反映输电线路的安全状况，通过监测特定地区输电线路环境温度、输电线路温度分布的红外热图像等信息来估算该地区线路高温事故发生的临界条件，监测输电线路红外热图像数据来掌握线路事故的实时信息，且系统可以同时与历史数据对比，指导检修或发出预警信号。

3 结语
    基于红外热像技术的输电线路在线测温系统是为了满足电力系统在当前的监控手段不能满足偏远地区输电线路监控现场复杂多变的状况，而需要安装监控设备的一些特殊要求作为当前监控手段的一种必须的补充而研究和设计的。对输电线路温度分布状况进行实时红外热像在线监测，深入研究输电线路运行现状与故障特性，建立数据监测模型，利用输电线路红外热像在线测温系统来确定输电线路的安全情况，及时给出高温热故障预报信息，对于有效输电线路温度超标的发生，保障现有输电线路的安全运行起到了重要的作用。同时为输电线路参数监测提供了新的方法与途径，开辟新的研究思路。系统经过多次反复调试、测试和监控现场的实际应用，各项技术指标均已达到设计要求，满足了输电线路红外热像在线测温的要求，达到了电力部门工程技术人员提出的各种性能指标。同时，在满足造价和成本要求的情况下采用动态图像采集与传输技术，实现动态图像的无线传输将具有更加广泛的应用前景。