CN111553918A - 一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置及方法，红外热成像摄像仪通过无线通讯方式与工控机相连，工控机上连接有报警机构和监测终端，工控机上还连接有用于存储变压器热成像图的服务器。报警机构包括声光报警装置或移动短信接收终端中的任意一种或多种；工控机上还连接有用于检测变压器负荷的负荷检测装置、用于检测环境温度的温度检测装置、用于检测环境湿度的湿度检测装置。通过在变电站巡检机器人平台上集成红外成像装置，通过非接触式监控的方式对采集的变电站红外图像信息进行辨识，实现对变压器早期潜在故障的部位、程度和类型的快速识别与诊断，具有安全性、可靠性、高效的特点。

Description

一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置及方法
技术领域
本发明涉及变压器热故障监测技术领域，具体为一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置及方法。
背景技术
变电站设备长期处于运行状态，为确保电气设备安全稳定运行，及时发现设备缺陷或隐患，需运行人员对现场设备进行巡检，其工作量大、效率低，且检测结果往往达不到预期效果。目前比较常用的是采用手持式热像仪定期对电力设备进行人工巡检，这种方式使得监测人员工作量大，再加上节前保电、迎峰度假等非计划测温工作，造成监测人员容易疲劳，增加了工作的不安全性，同时也降低了设备故障的检出率。另外，由于近年来电力系统发展较快，电力设备较多，而且有些变电站路途遥远，从而导致测温往往不在负荷高峰期进行，以致部分热缺陷不能及时地被发现，同样也降低了设备故障的检出率。
现有变电站巡检机器人能在一定程度上实现变电站自动巡检，解放劳动力，但存在集成程度较低、巡检功能不完备、人机协作能力差等缺陷，不能满足对电气设备进行集成智能化巡检的需求。变电站智能巡检机器人已成为近年来的发展热点。利用变电站智能巡视机器人携带红外传感器对变电站内部设备进行测温监控，协助工作人员更好更快地发现热缺陷位置。随着智能电网建设的不断推进和发展，智能化变电站建设越来越多地受到研究者的关注。智能化变电站中对设备状态监测的智能化尤其重要，因此充分利用变电站巡检机器人平台来构建智能化变电站设备状态监测装置及系统有着非常重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易于实施、不影响变压器正常工作状态，而且热故障检出率高的变压器过热故障的系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置包括设置在变压器1上易发生故障区域的能够采集变压器1的热成像图的红外热成像摄像仪2，所述的红外热成像摄像仪2通过无线通讯方式与工控机3相连，工控机3上连接有报警机构4和监测终端5，所述的工控机3上还连接有用于存储变压器热成像图的服务器6。
作为优选，所述的报警机构4包括声光报警装置41或移动短信接收终端42中的任意一种或多种；
作为优选，所述的工控机3上还连接有用于检测变压器负荷的负荷检测装置3-1、用于检测环境温度的温度检测装置3-2、用于检测环境湿度的湿度检测装置3-3。
一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法包括下述步骤：
A、热成像图采集：对变压器1易发生故障区域进行非接触式监控，红外热成像摄像仪2采集监控区域的变压器热成像图，然后传输至工控机3；
B、图像辨识处理：工控机3将采集到的变压器1的热成像图进行辨识处理，判断变压器是否存在过热故障；
C、故障判断及处理：若被监测的变压器1不存在过热故障，则继续进行监测；若被监测的变压器1存在过热故障，则通过报警机构4发出报警信号。
进一步的，在上述的步骤A中，利用基于变电站巡检机器人平台上集成的红外热成像摄像仪2采集变压器1易发生故障区域的变压器热成像图，且所述的变压器热成像图的原始图片为0-255的256色灰度图，通过所述红外热成像摄像仪2伪彩色映射将YUV色彩转化为RGB色彩，然后通过RGB色彩与温度映射得到对应相应温度的变压器热成像图。
进一步的，所述的YUV色彩转化为RGB色彩的转换公式为：
R＝Y+1.402*(U-128)；
G＝Y-0.344414*(V-128)-0.71414*(U-128)；
B＝Y+1.772*(V-128)；
式中，Y为亮度信号、U为第一色度信号、V为第二色度信号、R为红色强度值、G为绿色强度值、B为蓝色强度值。
进一步的，所述的步骤A中变压器热成像图为m*n阶矩阵像素图，m和n均为正整数，且m代表变压器热成像图水平线上的像素数，n代表变压器热成像图水平线数量。
进一步的，在上述的步骤B中，对变压器热成像图的每个像素点的灰度值进行加权平均计算，获得监控区域的变压器热成像图的加权平均灰度值，然后将加权平均灰度值与设定的过热故障阀值进行比较，若加权平均灰度值小于或等于过热故障阀值则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值大于过热故障阀值则判断出现过热故障。
所述的加权平均灰度值和过热故障阀值分别以百分比表示，所述的过热故障阀值的灰度值为10％；若加权平均灰度值≤10％则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值＞10％则判断出现过热故障，即灰度值为10％所对应的温度值为变压器过热故障的温度阀值，超过该温度加权平均灰度值＞10％判断出现过热故障，小于或等于该温度加权平均灰度值≤10％判断未出现过热故障。
所述的过热故障阀值根据采集到的包括负荷、环境温度、环境湿度在内的影响因素调整。
若判断变压器监控区域发生过热故障，则进行声光报警和/或通过短信报警的方式将故障信息发送给移动短信接收终端；根据变压器热成像图建立信息库，以判断变压器故障等级和类型；在采集监控区域的变压器热成像图时，实时进行心跳监控，若无法采集到变压器热成像图则重启设备或重启系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在变电站巡检机器人平台上集成红外成像装置，通过非接触式监控的方式对采集的变电站红外图像信息进行辨识，实现对变压器早期潜在故障的部位、程度和类型的快速识别与诊断，具有安全性、可靠性、高效的特点。同时，利用非接触式监控方式，在不影响变压器运行的前提下为变压器实现全天候状态监测提供了条件，保证了设备的安全、稳定、可靠的运行，全面提升变压器的检修水平，降低运维成本。系统设计合理，结构简单，工作稳定性好，故障检出率高。
附图说明
图1是本发明提供的网络拓扑结构示意图；
图2是本发明提供的红外热成像图映射关系示意图；
图3是本发明工控机的连接结构示意图；
图4是本发明提供的变压器过热故障监测的流程图。
图中，变压器1、红外热成像摄像仪2、工控机3、报警机构4、声光报警装置41、移动短信接收终端42、监测终端5、服务器6、负荷检测装置3-1、温度检测装置3-2、湿度检测装置3-3。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本具体实施方式提供一种技术方案：本基于变电站巡检机器人平台的变压器过热故障的监测装置包括至少一个设置在变压器1易发生故障区域的能够采集变压器热成像图的红外热成像摄像仪2，所述的红外热成像摄像仪2通过无线通讯方式与现场工控机3相连，所述的工控机3上连接有报警机构4和监测终端5，工控机3上还连接有用于存储变压器热成像图的服务器6；所述的报警机构4包括声光报警装置41、移动短信接收终端42中的任意一种或多种；所述的工控机3上还连接有用于检测变压器负荷的负荷检测装置3-1、用于检测环境温度的温度检测装置3-2、用于检测环境湿度的湿度检测装置3-3中的任意一种或多种。
如图4所示，本基于变电站巡检机器人平台的变压器过热故障的监测方法包括下述步骤：
A、热成像图采集：对变压器1易发生故障区域进行非接触式监控，红外热成像摄像仪2采集监控区域的变压器热成像图，然后传输至工控机3；
B、图像辨识处理：工控机3将采集到的变压器1的热成像图进行辨识处理，判断变压器是否存在过热故障；
C、故障判断及处理：若被监测的变压器1不存在过热故障，则继续进行监测；若被监测的变压器1存在过热故障，则通过报警机构4发出报警信号。
变压器属于高压产品，本具体实施方式采用基于变电站巡检机器人平台的红外成像装置，利用非接触式监测的方法，从而充分保证了人员的安全。本具体实施方式中的变压器易发生故障区域是指高压套管等区域。本具体实施方式采用非接触式监测的方式，基于图像辨识，能够实现对变压器早期潜在过热故障的部位、程度和类型的快速识别和诊断。
在上述的步骤A中，利用基于变电站巡检机器人平台上集成的红外热成像摄像仪2采集变压器1易发生故障区域的变压器热成像图，且所述的变压器热成像图的原始图片为0-255的256色灰度图，通过所述红外热成像摄像仪2伪彩色映射将YUV色彩转化为RGB色彩，然后通过RGB色彩与温度映射得到对应相应温度的变压器热成像图，如图2所示，在上述的步骤A中，所述的YUV色彩转化为RGB色彩的转换公式：
R＝Y+1.402*(U-128)；
G＝Y-0.344414*(V-128)-0.71414*(U-128)；
B＝Y+1.772*(V-128)；
式中，Y为亮度信号、U为第一色度信号、V为第二色度信号、R为红色强度值、G为绿色强度值、B为蓝色强度值。即灰度到色彩的映射表。根据色彩映射表，转化为相应温度表示，即完成色彩到温度的映射表。这样，通过对灰度、色彩、温度的映射，可以较好的通过热成像图片对监控区域的故障进行辨识，为变压器安全运行提供质量保证。
其中，变压器热成像图为m*n阶矩阵像素图，m和n均为正整数，且m代表变压器热成像图水平线上的像素数，n代表变压器热成像图水平线数量。
在上述的步骤B中，对变压器热成像图的每个像素点的灰度值进行加权平均计算，获得监控区域的变压器热成像图的加权平均灰度值，然后将加权平均灰度值与设定的过热故障阀值进行比较，若加权平均灰度值小于或等于过热故障阀值则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值大于过热故障阀值则判断出现过热故障。加权平均灰度值和过热故障阀值分别以百分比表示，过热故障阀值的灰度值为10％；若加权平均灰度值≤10％则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值＞10％则判断出现过热故障。
若判断变压器监控区域发生过热故障，则进行声光报警和/或通过短信报警的方式将故障信息发送给移动短信接收终端；根据变压器热成像图建立信息库，以判断变压器故障等级和类型；在采集监控区域的变压器热成像图时，实时进行心跳监控，若无法采集到变压器热成像图则重启设备或重启系统。
作为另一种方案，过热故障阀值根据采集到的包括负荷、环境温度、环境湿度在内的影响因素调整。变压器监控区域的温度会随着室温、天气、负荷等条件发生变化，产生故障的温度也随之发生变化，为此本具体实施方式采用变化的过热故障阀值。此外，在进行热成像图故障判断时，设定判断的过滤器条件为：室温比≤10％；时间24小时。将监控区域变压器热成像图与24小时之前满足条件的图片进行对比，若不满足则跳过。满足过滤器设定条件，故障判断设为灰度值≤10％，满足该范围则无故障，继续进行监测；如超过10％，则表示监控区域发生故障。
具体而言：
①根据监控区域的选择，安装合适位置的红外热成像摄像仪，设定监控区域，如选定变压器高压套管为监控区域，m*n阶矩阵区域；
②采集变压器高压套管监控区域的变压器热成像图(监控图)，通过无线传输方式传输到工控机；
③根据采集的变压器热成像图(监控图)，基于图像的灰度值对图像进行处理，提取m*n阶矩阵监控区域每个点的灰度值；
④将m*n阶矩阵监控区域灰度值加权平均，得到监控区域的加权平均灰度值；
⑤设定比较过滤器，条件设定：室温比≤10％；时间24小时，将④步骤所得的监控区域灰度值图片与24小时之前满足条件的图片进行对比，若不满足则跳过；
⑥故障判断，如⑤对比时，满足过滤器设定条件，故障判断设为灰度值≤10％，满足该范围则无故障，继续进行监测；如超过10％，则表示监控区域发生故障；
⑦在⑥中，若判断变压器监控区域发生过热故障，则系统进行声光报警，并通过短信报警的方式将故障信息发送给相关值班人员。
⑧将相关图像信息处理结果传输到数据服务器进行保存，并通过使得相关人员可以随时观察变压器过热故障监控结果，保证变压器的安全稳定运行。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置，其特征在于：所述的监测装置包括设置在变压器(1)上易发生故障区域的能够采集变压器(1)的热成像图的红外热成像摄像仪(2)，所述的红外热成像摄像仪(2)通过无线通讯方式与工控机(3)相连，工控机(3)上连接有报警机构(4)和监测终端(5)，所述的工控机(3)上还连接有用于存储变压器热成像图的服务器(6)；
所述的报警机构(4)包括声光报警装置(41)或移动短信接收终端(42)中的任意一种或多种；
所述的工控机(3)上还连接有用于检测变压器负荷的负荷检测装置(3-1)、用于检测环境温度的温度检测装置(3-2)、用于检测环境湿度的湿度检测装置(3-3)。
2.一种根据权利要求1所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于包括下述步骤：
A、热成像图采集：对变压器1易发生故障区域进行非接触式监控，红外热成像摄像仪(2)采集监控区域的变压器热成像图，然后传输至工控机(3)；
B、图像辨识处理：工控机(3)将采集到的变压器(1)的热成像图进行辨识处理，判断变压器是否存在过热故障；
C、故障判断及处理：若被监测的变压器()1不存在过热故障，则继续进行监测；若被监测的变压器(1)存在过热故障，则通过报警机构(4)发出报警信号。
3.根据权利要求2所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于：所述的步骤A中，利用基于变电站巡检机器人平台上集成的红外热成像摄像仪(2)采集变压器(1)易发生故障区域的变压器热成像图，且所述的变压器热成像图的原始图片为0-255的256色灰度图，通过所述红外热成像摄像仪(2)伪彩色映射将YUV色彩转化为RGB色彩，然后通过RGB色彩与温度映射得到对应相应温度的变压器热成像图。
4.根据权利要求3所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于：所述的YUV色彩转化为RGB色彩的转换公式为：
R＝Y+1.402*(U-128)；
G＝Y-0.344414*(V-128)-0.71414*(U-128)；
B＝Y+1.772*(V-128)；
式中，Y为亮度信号、U为第一色度信号、V为第二色度信号、R为红色强度值、G为绿色强度值、B为蓝色强度值。
5.根据权利要求2所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于：所述的步骤A中变压器热成像图为m*n阶矩阵像素图，m和n均为正整数，且m代表变压器热成像图水平线上的像素数，n代表变压器热成像图水平线数量。
6.根据权利要求2所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于：所述的步骤B中，对变压器热成像图的每个像素点的灰度值进行加权平均计算，获得监控区域的变压器热成像图的加权平均灰度值，然后将加权平均灰度值与设定的过热故障阀值进行比较，若加权平均灰度值小于或等于过热故障阀值则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值大于过热故障阀值则判断出现过热故障；
所述的加权平均灰度值和过热故障阀值分别以百分比表示，所述的过热故障阀值的灰度值为10％；若加权平均灰度值≤10％则判断未出现过热故障，若加权平均灰度值＞10％则判断出现过热故障，即灰度值为10％所对应的温度值为变压器过热故障的温度阀值，超过该温度加权平均灰度值＞10％判断出现过热故障，小于或等于该温度加权平均灰度值≤10％判断未出现过热故障。
7.根据权利要求6所述的基于变电站巡检机器人变压器热故障监测装置的监测方法，其特征在于：所述的过热故障阀值根据采集到的包括负荷、环境温度、环境湿度在内的影响因素调整；
若判断变压器监控区域发生过热故障，则进行声光报警和/或通过短信报警的方式将故障信息发送给移动短信接收终端；根据变压器热成像图建立信息库，以判断变压器故障等级和类型；在采集监控区域的变压器热成像图时，实时进行心跳监控，若无法采集到变压器热成像图则重启设备或重启系统。
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