CN110487414A - 基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统，该方法包括：标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。本申请通过标定含有球形透镜的红外成像设备获取断路器内部的广视角图像，并通过畸变校正和插值将变形的广视角图像复原，最终根据复原后的目标红外图像计算出断路器内整体的温度分布图，进而监测到断路器内部整体的温度。

Description

基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统

技术领域

本申请涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统。

背景技术

断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。在断路器的异常故障中，局部放电和动静触头等关键点的异常温升是断路器的主要异常，因此，对断路器内部的发热温度监测是电力设备维护的研究重点。

目前，对于断路器内部的温度检测通常采用红外传感器在线检测断路器温度的方法，该方法主要是通过在断路器中的某一待检测位置安装有点状红外传感器，从而获取断路器的局部温度。

由于断路器内部复杂的电磁环境和高温高压，并且点状红外传感器的视角较小，仅能够对安装红外传感器的局部温度异常情况做判断，因此无法计算出断路器内整体的温度分布，进而无法监测断路器内部整体的温度。

发明内容

本申请提供了一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统，以解决现有技术中无法计算出断路器内部整体温度分布情况，进而无法监测断路器内部整体的温度的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法，，所述方法包括：

标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，包括：

每隔一个时间周期存储当前断路器的温度分布数据；

分别计算每相邻时间周期内的各像素的温度数据差值；

若任一所述温度数据差值大于等于10K，则发送异常温升警告，并发送对应时间周期内异常温升的像素位置和温升记录。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，还包括：

对所述温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；

若任一所述温度值大于等于105℃，则发送温度超标警告，并发送温度超标的像素位置和温升记录。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述断路器内三相电分别设置对应的三组红外成像设备，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，还包括：

获取所述断路器内三相电分别对应的温度分布图；

对三组温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；

若三组图像分布图中同一像素位置之间，任两个像素温度差值大于等于2K，则发送相间温差过高警告，并发送异常像素位置、异常两相间的相位信息和温升记录。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述标定红外成像设备，包括：

在黑白棋盘格上的白色区域贴有可加热金属片的标定物；

用所述红外成像设备拍摄所述标定物，得到若干张不同角度的照片；

根据若干张所述照片，利用张正友标定法通过标定工具且获得径向畸变参数k₁，k₂，k₃。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，包括：

利用同心圆模板对所述初始红外图像进行径向畸变校正，矫正计算公式为：

x₀＝x(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

y₀＝y(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

r²＝x²+y²

式中，(x₀,y₀)为畸变点在所述红外成像设备上的原始坐标，(x,y)为校正后初始红外图像上像素坐标，k₁，k₂，k₃为径向畸变参数，r为校正后初始红外图像像素到坐标原点的距离。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述利用双线性插值算法进行像素插值，插值计算公式为：

f(x₀,y₀)＝(1-x₀)×(1-y₀)×f(x₁,y₁)+(1-x₀)×y₀×f(x₂,y₂)+x₀×(1-y₀)×f(x₃,y₃)+x₀×y₀×f(x₄,y₄)

式中，f(x₀,y₀)是(x₀,y₀)的像素值，f(x₁,y₁)、f(x₂,y₂)、f(x₃,y₃)、(x₄,y₄)是(x₀,y₀)周围四个整数坐标点的像素值。

可选地，在上述基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，所述目标红外图像中各个像素与对应温度之间的关系式为：

D＝γ(P)

式中，D为温度，P为所述目标红外图像中的像素值，γ为通过黑体实验设置的映射函数。

第二方面，本申请实施例公开了一种基于红外图像技术的断路器温度监测系统，所述系统包括：

标定模块，用于标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

拍摄模块，用于通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

图像处理模块，用于对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

温度分布模块，用于计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

监测判断模块，用于根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法及系统，该方法包括：首先，标定红外成像设备，其中，红外成像设备中设有球形透镜；然后，通过红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像。通过含球形透镜的红外成像设备，能够获得断路器内部广视角的红外图像，但拍摄的红外图像也会发生桶形畸变，因此，本申请中继续对发生桶形畸变的初始红外图像进行径向畸变矫正，将变形的广视角红外图像复原，并利用双线性插值算法进行像素插值，使畸变校正得到的图像中的像素位置由整数表示，进而得到目标红外图像；然后，计算该目标红外图像中各个像素位置所对应的温度，得到温度分布图；最后，根据温度分布图，判断断路器内的温度是否正常。本申请通过标定含有球形透镜的红外成像设备获取断路器内部的广视角图像，并通过畸变校正和插值将变形的广视角图像复原，最终根据复原后的目标红外图像计算出断路器内整体的温度分布图，进而监测到断路器内部整体的温度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的红外成像设备标定物的侧视图；

图3为本发明实施例提供的初始红外图像校正效果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法的流程示意图。结合图1，本申请中的断路器温度监测方法包括以下步骤：

步骤S110：标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

标定红外成像设备的过程为：首先，在黑白棋盘格上的白色区域贴有可加热金属片的标定物，参见图2，为本发明实施例提供的红外成像设备标定物的侧视图，在图2中，在白色区域贴上可加热金属片，用红外成像设备拍摄该标定物的图片，白色区域为亮色，黑色区域为暗色，通过该效果可进行标定。然后，用红外成像设备拍摄所述标定物，得到若干张不同角度的照片，可拍摄15-20张不同角度的照片。最后，根据若干张所述照片，利用张正友标定法通过标定工具且获得径向畸变参数k₁，k₂，k₃。举例来说，可以启动Matlab工具箱中的标定工具，将拍摄到的15-20张不同角度的照片导入，设置标定物棋盘格中每个小格在现实世界的宽高，最后实施标定，获得径向畸变参数k₁，k₂，k₃。

步骤S120：通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

步骤S130：对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

通过含球形透镜的红外成像设备，能够获得断路器内部广视角的红外图像，但拍摄的红外图像也会发生桶形畸变，因此，本申请中继续对发生桶形畸变的初始红外图像进行径向畸变矫正，将变形的广视角红外图像复原。参见图3，为本发明实施例提供的初始红外图像校正效果示意图，校正的意义是校正桶形畸变，桶形畸变是从图中来看位置是往外凸的，校正后位置内收。本申请中利用同心圆模板对所述初始红外图像进行径向畸变校正，矫正计算公式为：

x₀＝x(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

y₀＝y(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

r²＝x²+y²

式中，(x₀,y₀)为畸变点在所述红外成像设备上的原始坐标，(x,y)为校正后初始红外图像上像素坐标，k₁，k₂，k₃为径向畸变参数，r为校正后初始红外图像像素到坐标原点的距离。

另外，利用双线性插值算法进行像素插值，使畸变校正得到的图像中的像素位置(x,y)由整数表示，进而得到目标红外图像，其中，插值计算公式为：

f(x₀,y₀)＝(1-x₀)×(1-y₀)×f(x₁,y₁)+(1-x₀)×y₀×f(x₂,y₂)+x₀×(1-y₀)×f(x₃,y₃)+x₀×y₀×f(x₄,y₄)

式中，f(x₀,y₀)是(x₀,y₀)的像素值，f(x₁,y₁)、f(x₂,y₂)、f(x₃,y₃)、f(x₄,y₄)是(x₀,y₀)周围四个整数坐标点的像素值。选择4个整数坐标点，这相当于“4邻域”插值，其插值结果比较准确且计算量很小。需要说明的是，公式中对畸变点在所述红外成像设备上的原始坐标(x₀,y₀)进行插值计算，因为畸变校正得到的图像中的像素位置(x,y)是用校正前的图像像素位置(x₀,y₀)计算得来的，所以只要(x₀,y₀)能用整数像素表示，(x,y)就一定可以。

步骤S140：计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

目标红外图像中各个像素与对应温度之间的关系式为：

D＝γ(P)

式中，D为温度，P为所述目标红外图像中的像素值，γ为通过黑体实验设置的映射函数。具体由实验结果获得：D＝(-P²+795P)×7.25×10^-4，这里D的单位是℃。通过步骤S140，一一获得目标红外图像中每一像素所对应的温度值。

步骤S150：根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。

本发明实施例所提供的基于红外图像技术的断路器温度监测方法中，具体的判断标准有三种，若其中任意一种结果异常，则均需要向电力用户发出告警信息。

第一种，每隔一个时间周期存储当前断路器的温度分布数据，按经验该时间周期可以设置为30分钟；分别计算每相邻时间周期内的各像素的温度数据差值，也就是说逐像素地计算当前温度分布图与30之前的温度分布图的像素差值；若任一温度数据差值大于等于10K，则向电力用户发送异常温升警告，并发送对应时间周期内异常温升的像素位置和温升记录，其中，温升记录为在30分钟内该异常像素的温升变化情况。

第二种，根据国家标准GB/T 11022-2011，在周围空气温度不超过40℃的情况下，六氟化硫(断路器内部的气体)气体内设备的温升不应超过65K。故本申请中，对温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；若任一温度值大于等于105℃，则向电力用户发送温度超标警告，并发送温度超标的像素位置和温升记录，其中，温升记录为该温度超标像素的温升变化情况。

第三种，由于实际使用中，断路器是三相同时工作的，常用的断路器是压型温升设备，根据GB/T 1032-2012，同一位置三相之间的工作温差不超过2K。故本申请中，断路器内三相电分别设置对应的三组红外成像设备，获取断路器内三相电分别对应的温度分布图；对三组温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；若三组图像分布图中同一像素位置之间，任两个像素温度差值大于等于2K，则向电力用户发送相间温差过高警告，并发送异常像素位置、异常两相间的相位信息和温升记录，其中，所述温升记录为相间的温升变化情况。例如，若对于断路器三相间温度分布图中的同位置像素温度t₁，t₂，t₃，有|t₁-t₂|＞2K或|t₁-t₃|＞2K或|t₂-t₃|＞2K，则向电力用户发送相间温差过高警告。

需要说明的是，在电力行业中，电力设备温度差值的单位通常用K表示，其与℃是对等的，也就是说，1K＝1℃，此处K并不等同于开尔文温度。

本申请中的断路器温度监测方法，通过标定含有球形透镜的红外成像设备获取断路器内部的广视角图像，并通过畸变校正和插值将变形的广视角图像复原，最终根据复原后的目标红外图像计算出断路器内整体的温度分布图，进而监测到断路器内部整体的温度。另外，本申请中还能够根据断路器内部整体的温度分布图，实现断路器内部的异常温度位置的定位和不同情况下的故障报告。

基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种基于红外图像技术的断路器温度监测系统，该系统包括：

标定模块，用于标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

拍摄模块，用于通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

图像处理模块，用于对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

温度分布模块，用于计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

监测判断模块，用于根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述方法包括：

标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。

2.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，包括：

每隔一个时间周期存储当前断路器的温度分布数据；

分别计算每相邻时间周期内的各像素的温度数据差值；

若任一所述温度数据差值大于等于10K，则发送异常温升警告，并发送对应时间周期内异常温升的像素位置和温升记录。

3.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，还包括：

对所述温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；

若任一所述温度值大于等于105℃，则发送温度超标警告，并发送温度超标的像素位置和温升记录。

4.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述断路器内三相电分别设置对应的三组红外成像设备，所述根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常，还包括：

获取所述断路器内三相电分别对应的温度分布图；

对三组温度分布图中的全部像素，逐一像素实时计算相对应的温度值；

若三组图像分布图中同一像素位置之间，任两个像素温度差值大于等于2K，则发送相间温差过高警告，并发送异常像素位置、异常两相间的相位信息和温升记录。

5.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述标定红外成像设备，包括：

在黑白棋盘格上的白色区域贴有可加热金属片的标定物；

用所述红外成像设备拍摄所述标定物，得到若干张不同角度的照片；

根据若干张所述照片，利用张正友标定法通过标定工具且获得径向畸变参数k₁，k₂，k₃。

6.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，包括：

利用同心圆模板对所述初始红外图像进行径向畸变校正，矫正计算公式为：

x₀＝x(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

y₀＝y(1+k₁r²+k₂r⁴+k₃r⁶)

r²＝x²+y²

式中，(x₀，y₀)为畸变点在所述红外成像设备上的原始坐标，(x，y)为校正后初始红外图像上像素坐标，k₁，k₂，k₃为径向畸变参数，r为校正后初始红外图像像素到坐标原点的距离。

7.根据权利要求6所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述利用双线性插值算法进行像素插值，插值计算公式为：

f(x₀，y₀)＝(1-x₀)×(1-y₀)×f(x₁，y₁)+(1-x₀)×y₀×f(x₂，y₂)

+x₀×(1-y₀)×f(x₃，y₃)+x₀×y₀×f(x₄，y₄)

式中，f(x₀，y₀)是(x₀，y₀)的像素值，f(x₁，y₁)、f(x₂，y₂)、f(x₃，y₃)、f(x₄，y₄)是(x₀，y₀)周围四个整数坐标点的像素值。

8.根据权利要求1所述的基于红外图像技术的断路器温度监测方法，其特征在于，所述目标红外图像中各个像素与对应温度之间的关系式为：

D＝γ(P)

式中，D为温度，P为所述目标红外图像中的像素值，γ为通过黑体实验设置的映射函数。

9.一种基于红外图像技术的断路器温度监测系统，其特征在于，所述系统包括：

标定模块，用于标定红外成像设备，其中，所述红外成像设备中设有球形透镜；

拍摄模块，用于通过所述红外成像设备实时获取断路器内部整体的初始红外图像；

图像处理模块，用于对所述初始红外图像进行径向畸变矫正，并利用双线性插值算法进行像素插值，得到目标红外图像；

温度分布模块，用于计算所述目标红外图像中各个像素所对应的温度，得到温度分布图；

监测判断模块，用于根据所述温度分布图，判断所述断路器内的温度是否正常。