CN108844640A - 一种配网变压器设备运行温度在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网变压器设备运行温度在线监测装置，包括前端温度信息探测处理单元和后端温度报警信息无线传输单元、系统供电单元；所述前端温度信息探测处理单元包括光学镜头、多晶硅探测器和基于FPGA芯片的底层驱动模块、信号采集处理模块、报警信息交互处理模块，所述底层驱动模块用于提供时序控制信号、驱动及配置信号，所述信号采集处理模块用于采集温度信号、根据用户提供的感兴趣区域信息设置参数对温度信号进行处理并输出给报警信息交互处理模块，所述报警信息交互处理模块，本发明可以通过手机随时查看测量设备的视频温度数据以及高温报警情况，既避免了事故的发生，又提高了设备状态检修管理水平，使变压器的运行更加安全可靠。

Description

一种配网变压器设备运行温度在线监测装置

技术领域

本发明涉及温度检测装置技术领域,特别涉及一种适用配网变压器设备运行温度在线监测装置。

背景技术

在城市和乡村，配网变压器是随处可见的重要电力设施，其用量大、分布广，但长期以来缺乏对其进行有效监管的措施。变压器安全运行的关键是其工作温度不宜过高，否则会酿成火灾甚至爆炸的严重事故。对配网变压器运行温度实行监测的一个难点是，变压器种类繁多，有油浸变压器、非晶体变压器、干式变压器、箱式变压器等，安装方式可以是地面的、或地下的。

目前市场上的配网变压器测温报警系统，大多是根据监控镜头的视场范围来全屏测温，即使是带有区域报警检测功能，也是在检测范围内针对矩形区域选择。感兴趣区域设置不够灵活，许多不关心区域信息掺杂在有效信息中，造成资源的浪费。

发明内容

针对上述现有技术中配网变压器设备运行温度监测存在的问题，本发明提供了一种准确度高，实时性好，报警区域操作灵活的配网变压器设备运行温度在线监测装置。

本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：一种配网变压器设备运行温度在线监测装置，包括前端温度信息探测处理单元和后端温度报警信息无线传输单元、系统供电单元；所述前端温度信息探测处理单元包括光学镜头、多晶硅探测器和基于FPGA芯片的底层驱动模块、信号采集处理模块、报警信息交互处理模块，所述底层驱动模块用于提供时序控制信号、驱动及配置信号，所述信号采集处理模块用于采集温度信号、根据用户提供的感兴趣区域信息设置参数对温度信号进行处理并输出给报警信息交互处理模块，所述报警信息交互处理模块用于将用户提供的感兴趣区域信息设置参数进行解析分发给温度信息采集处理模块，并且将温度信息采集处理模块得到处理后的信号传输给后端温度报警信息无线传输单元。

进一步地，所述感兴趣区域的范围为3-8个边的多边形。

进一步地，所述后端温度报警信息无线传输单元包括32位CPU系统、时钟模块、看门狗模块、RS232接口，10/100M以太网接口模块、交换机模块、WIFI模块、无线模块、SIM-UIM卡接口模块、天线及其接口模块、用户接口模块及电源模块。

本发明与现有技术相比， 1、本发明能够画出任意形状的感兴趣区域，而且可以多个感兴趣区域进行叠加，多边形测温区域设置，屏蔽掉了不需要的信息，提高了效率，具有良好的适用范围；2、相关人员可以通过手机随时查看测量设备的视频温度数据以及高温报警情况，既避免了事故的发生，又提高了设备状态检修管理水平，使变压器的运行更加安全可靠。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理框图，

图2是本发明的FPGA核心处理电路图，

图3是本发明中的用户感兴趣区域设置示意图，

图4是本发明的后端温度报警信息无线传输单元的模块连接关系示意图，

图5是本发明的系统供电单元电路图，

图6是本发明的温度信号数据处理流程图，

图7是本发明的WIFI模块电路图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面根据附图结合具体实施例来进一步详细描述本发明。

1、前端温度信息探测处理单元，由光学镜头、多晶硅探测器、底层驱动模块、信号采集处理模块、报警信息交互处理模块组成。

其中，底层驱动模块、温度信息采集处理模块、报警信息交互处理模块由一块ALTERA公司生产的FPGA配合外围电路实现，是整个温度信息探测处理模块的核心，FPGA核心处理电路如图2所示。

底层驱动模块提供多晶硅探测器进行温度采集需要的时序控制信号，同时提供各网络通信芯片所需要的驱动、DDR存储控制器、视频编解码芯片所需要的配置信号等。

温度信息采集处理模块采集传感器输出的温度信号，通过报警信息交互处理模块解析到的用户提供的各种信息设置参数，包括感兴趣区域设置、设备所处的环境温湿度、被探测物体的发射率等信息对得到的温度信号进行进一步处理，最终将温度信息编码，输出给下一单元。

报警信息交互处理模块通过预先定义的通信协议将用户设置的信息进行解析，分发给温度信息采集处理模块，并且将温度信息采集处理模块得到的温度、报警信息传输给下一单元。

温度采集处理模块中的感兴趣区域设置功能，用户可以划出监控范围内任意多边形（包括凹多边形）报警区域，其多边形可以有3-8个边，即最多可以设置为八边形。如图3所示，图片中灰色区域即可认为是用户设置的感兴趣区域，在此区域内进行温度监测和报警，区域外不进行处理。

温度采集处理模块中的感兴趣区域设置功能，用户可以划分的多边形区域，可以有多个多边形区域叠加，但报警效率会随着多边形区域个数的增加而降低。其中4个多边形的报警时间最慢为1s，8个为2s，依次增加。

2、后端温度报警信息无线传输单元由无线传输模块如图4所示。

输配电线路连接点是线路运行中的一大薄弱点，在运行中经常发热烧坏。电线连接点发热烧坏的直接原因是连接点温升超过设备线材承受范围。这时，前端的温度信息探测处理模块实时采集输配电线上的温度信息，发现某个电线连接点的温度出现过热异常的变化，及时将采集到的过热异常故障及报警信息发送到后端温度报警信息无线传输单元。

温度报警信息无线传输单元，通过RS232接口模块，10/100M以太网接口接收到前端的温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息，然后交给32位CPU系统对数据进行分析运算，进行下一步的处理。

32位CPU系统：内设工业级32位通信处理器，拥有64MB的FLASH，128MB的DDR2运行无线路由器中的网络操作系统，是无线通信模块的核心软件平台；对硬件驱动和底层操作系统进行屏蔽与封装；集成了丰富的链路层协议、以太网交换、IP路由及转发、安全等功能模块。32位CPU系统对前端的温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息进行分析运算后，将处理后的数据发送给WIFI模块、无线模块向外传输。

实时时钟和看门狗模块：时钟模块提供无线模块处理的时钟信息，看门狗保证了系统工作的连续性。

RS232接口模块，10/100M以太网接口模块：提供了两种接口，RS232和10/100M以太网。可以通过直接通过RS232接口与外接通信，也可以通过10/100M以太网接入，进行数据交互。

交换机模块：作在数据链路层。拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部MAC地址表中。

WIFI模块：支持IEEE802.11b/g/n标准，理论带宽IEEE802.11b/g：最高速率达54Mbps，IEEE802.11n：最高速率达150Mbps；安全加密支持WEP、WPA、WPA2等多种加密方式。WIFI模块将前端的过热异常故障及报警信息通过一个外置的WIFI发射天线发送出去，这时在WIFI覆盖的局域网内，电网的巡视工作人员利用手机的专用APP连接上WIFI。同过监控APP可以实时的观看电线中的高温异常点和相关报警信息，方便进行下一步的处理。

无线模块（需要提前安装好SIM卡）：将前端的过热异常故障及报警信息通过一个外置的无线发射天线发送出去：该模块可以支持5模12频，移动、联通、电信4G高速接入，同时支持移动、联通3G和2G接入。处于互联网端的电网管理人员可以通过短信的方式接收到电网任何一个节点的报警信息，也可用手机的4G网络进行视频图像查看。还可以通过电脑进行操作，将远端温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息接入电网的智慧控制系统，使得对整个电网的监控更加快捷、全面。

SIM-UIM卡接口：内置了两种卡托，标准的抽屉式用户卡接口，支持 1.8V/3V SIM/UIM 卡，内置 15KV ESD可以支持移动、联通、电信等三大网络运营商提供的通信服务。一种无线网络的温度监测装置使用前，将支持4G网络的SIM卡插入卡槽内；将WIFI天线，全频段天线依次接到一种无线网络的温度监测装置对应的天线接口中。

天线及其接口模块：设置了两种天线的接口。蜂窝：1个或2个标准SMA阴头天线接口，特性阻抗 50 欧；WIFI：1个标准SMA阳头天线接口，特性阻抗50欧。

用户接口模块：设置了3种接入端口。①WAN/LAN接口：WAN/LAN可配置，1个10/100M以太网口（RJ45插座），自适应MDI/MDIX，内置1.5KV 电磁隔离保护；②LAN 接口：1个10/100M以太网口（RJ45插座），自适应MDI/MDIX，内置1.5KV电磁隔离保护；③串口：1个RS232串口（或RS422/RS485），内置15KV ESD保护。

电源模块：内部设置有DC30V转DC30V的电源模块，带有隔离功能，可以给整个无线模块的硬件电路提供电源，有效的减少了不同级别间电源的干扰。

3、系统供电单元，供电主要分两级，第一级电源采用了AC220交流转DC30直流的电源适配器，第二级将直流电通过开关电源芯片转换为系统硬件电路部分所需的不同电压。

本发明其内部硬件电路部分所需要的主要电压有四种:5V、3.3V、2.5V、1.2V。为了减少DCDC电源芯片的使用数量，系统设计时采用了凌特公司的LT3507，它可以在一片集成电路的基础上同时输出四路不同伏值的电压，实际电路如图5所示。

LT3507 是一款四路、电流模式、DC/DC 转换器，具有内部电源开关和一个低压差稳压器。开关转换器是能够产生两个2.4A输出和两个1.5A输出的降压型转换器，所有四个转换器均可被同步至单个振荡器。2.4A输出与另外两个转换器反相运行，从而减小了输入纹波电流。每个稳压器都具有独立的停机和软起动电路，并将在其输出处于调节状态时产生一个电源良好信号，因而简化了电源排序以及与微控制器和数字图像处理器的连接。

本发明采用50mm定焦镜头，基于320×256分辨率多晶硅探测器开发。

前端电路中，每个读出部分由CTIA积分器、采样保持电路、输出级、数字逻辑控制、偏置电压生成等部分组成，单路输出模拟信号。

模拟信号调理电路对探测器输出信号进行跟随、滤波、增益以及幅度调整，以满足A/D转换的输入动态范围；A/D转换模块对调理后的模拟信号严格按照测温曲线进行16bit数模转换，并设置有温度补偿校正功能。

逻辑时序控制模块是整个系统的时序控制核心，本嵌入式系统在满足图像处理功能以及其他控制功能的前提下，尽量减少元器件以降低硬件的复杂程度，保证信号读取精度，提高硬件的可靠性和稳定性。采用SOPC技术，将NIOS II处理器软核和其他红外图像处理模块集成在单片嵌入式系统上，产生探测器的驱动时序以及其他电路模块所需要的控制时序，并完成图像数据的实时预处理，包括非均匀性校正、图像增强、伽玛校正、后续测温功能的实现等。具体的数据处理流程如图6所示。

测温功能的实现有以下几点：首先，拟制三条温度曲线对探测器输出进行修正，能够满足-20至160度准确测温，测温精度控制在±3度；因为测温功能的实现会受环境温湿度、大气传输、光学系统成像的影响，因此在实验室中测得的温度曲线需要用户根据具体的使用环境进行再次修正。系统需要根据用户设置的信息对温度曲线进行选择，此类信息是出厂前设置好，存在大容量存储器FLASH中的。其次，高温检测报警功能，对检测范围内温度超过一定阈值的物体进行报警，报警点可以设置为8个，并记录其报警坐标及报警状态；对于超温报警，系统检测区域内探测器响应平均值，根据用户设置的高温阈值进行判断，若目标中出现超出阈值的数据，系统会对此进行关注，并且检测此超温区域是否为一个连通域，若为同一连通域内，则判断为一个报警目标，若判断为多个连通域，则按照相应个数进行报警。如果用户认为报警面积过小时不进行关注，则可以设置最小报警目标面积。

在此基础上，系统加入了任意多边形测温功能；多边形测温功能也在FPGA中，采用改进的垂直射线法进行实现，将系统时钟进行16倍频，数据在每个时隙相邻两点参与运算，并行处理，对顶点、凹点、多边形边线进行记录，在统计过程中添加关注。当有两个点的横坐标重叠时，系统自动加一以避免垂直于坐标系的射线出现，这样就可以规避此类射线对系统的影响。用户可以划出监控范围内任意多边形（包括凹多边形）报警区域，其多边形可以有3-8个边，即最多可以设置为八边形。在NIOS核中，对用户设置的各报警区域进行解析，并在相邻时刻给定每个区域设置轮询，设置20ms为轮询间隔，即为标准PAL制式视频输出一帧视频需要的时间。报警算法在硬件中实现，实际上每帧数据采集均会对区域内的报警信息进行反应，因此上述算法报警实时性好，报警效率高。

本发明使用前，需要将支持4G网络的SIM卡插入卡槽内；将WIFI天线，全频段天线依次接到一种无线网络的温度监测装置对应的天线接口中。安装相应节点设备到指定位置，固定后相继通电，接入网络后设置各自的IP地址，准备测试。

使用公司自主研发的“电网报警观测软件”，安装在计算机或者手机终端进行设置。首先测试各设备成像是否正常，在各终端软件上能看到清晰视频。

根据实际监控场景在软件中设置输入环境温度、湿度，设备距离监控目标的距离等信息，测试温度信息反馈正常。分别设置报警阈值和报警点最小目标数，根据每个监控场景依次输入各监控设备的感兴趣区域。

用户可以在计算机或者手机终端中使用“电网报警观测软件”对感兴趣区域进行绘制。点击“绘制报警区域”按钮，然后在实时观测的图像视频中观察感兴趣多边形的顶点，并以顺时针的顺序在视频中选取各顶点位置，单击鼠标确定，手机软件可以点击屏幕设定，在绘制结束后，点击“保存检测区域”按钮，即可将感兴趣区域发送到前端设备中。

设置结束后，点击“开启报警回传”，即打开高温报警功能，后续会通过设备鸣笛、软件响铃以及短信的方式接收到电网任何一个节点的报警信息，对消息进行及时处理。

无线接收发送单元中的RS232接口，10/100M以太网接口模块，用来接收前端的温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息，本机中已默认设置为RS232通信模式，双工通信，数据完整性高，不易丢失数据。然后交给32位CPU系统对数据进行分析运算，进行下一步的处理。

无线接收发送单元中的32位CPU系统，用来处理RS232通信串口接收到的前端温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息，进行分析运算后，将处理后的数据发送给WIFI模块、无线模块向外传输。

其中，WIFI发射部分的电路处理芯片采用了德州仪器公司生产的CC3220芯片，CC3200是TI无线连接SimpleLink Wi-Fi和物联网（IoT）解决方案最新推出的一款单片无线MCU，是业界第一个具有内置Wi-Fi的MCU，是针对物联网应用、集成高性能ARM Cortex-M4的无线MCU。

外围电路部分如图7所示，设置有一灵活的JTAG调试接口，方便在开发过程中的调试，外部挂载了一个32M的FLASH。CC3220集成了1MB闪存，用于实现代码的原位执行，而SRAM 仅用于写入数据。

无线接收发送单元中的WIFI模块，连接有WIFI天线。将前端的过热异常故障及报警信息通过一个外置的WIFI发射天线发送出去，这时在WIFI覆盖的局域网内，电网的巡视工作人员利用手机的专用APP连接上WIFI。通过自主研发的监控APP可以实时的观看电线中的高温异常点和相关报警信息，方便进行下一步的处理。

无线接收发送单元中的4G无线单元，连接有全频段天线。将前端的过热异常故障及报警信息通过一个外置的无线发射天线发送出去。处于互联网端的电网管理人员可以通过短信的方式接收到电网任何一个节点的报警信息，也可用手机的4G网络进行视频图像查看。还可以通过电脑进行操作，将远端温度信息探测处理模块发送过来的过热异常故障及报警信息接入电网的智慧控制系统，使得对整个电网的监控更加快捷、全面。

Claims (3)

1.一种配网变压器设备运行温度在线监测装置，其特征在于：包括前端温度信息探测处理单元和后端温度报警信息无线传输单元、系统供电单元；所述前端温度信息探测处理单元包括光学镜头、多晶硅探测器和基于FPGA芯片的底层驱动模块、信号采集处理模块、报警信息交互处理模块，所述底层驱动模块用于提供时序控制信号、驱动及配置信号，所述信号采集处理模块用于采集温度信号、根据用户提供的感兴趣区域信息设置参数对温度信号进行处理并输出给报警信息交互处理模块，所述报警信息交互处理模块用于将用户提供的感兴趣区域信息设置参数进行解析分发给温度信息采集处理模块，并且将温度信息采集处理模块得到处理后的信号传输给后端温度报警信息无线传输单元。

2.根据权利要求1所述的一种配网变压器设备运行温度在线监测装置，其特征在于：所述感兴趣区域的范围为3-8个边的多边形。

3.根据权利要求1所述的一种配网变压器设备运行温度在线监测装置，其特征在于：所述后端温度报警信息无线传输单元包括32位CPU系统、时钟模块、看门狗模块、RS232接口，10/100M以太网接口模块、交换机模块、WIFI模块、无线模块、SIM-UIM卡接口模块、天线及其接口模块、用户接口模块及电源模块。