基于FPGA的高压直流换流阀全景巡检系统的制作方法

本发明涉及一种巡检系统，具体涉及一种基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统。

背景技术：

特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低、占地面积小、成本低的特点，是未来输电领域的发展趋势。直流换流阀是高压直流输电工程中的关键设备，阀塔的实体是一个高温、高压、强磁的封闭空间，及时有效地发现换流阀关键零部件温度异常、零部件移位及阀塔漏水等安全隐患，是换流阀巡检系统的设计目标。

然而目前市面上并没有类似功能的现成产品，比较接近的为可见光-热成像双波段云台摄像机，但是该摄像机的占地面积较大，功耗也相对较高，另外，该云台摄像机也无法在高强磁条件下进行使用。

另外，云台摄像机也无法对阀塔内的目标进行精准的温度测量，计算得到的结果的误差较大。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统。

本发明提供了一种基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统，具有这样的特征，包括：存储部，存储有直流换流阀内的多种零件的标准数据以及与该标准数据对应的发射率；数据采集部，对直流换流阀内当前零件进行数据采集，得到当前零件的当前数据；对比分析部，将当前数据与标准数据进行对比分析，得到当前数据对应的发射率；检索判断部，基于当前数据对存储部进行检索，并判断当前数据与标准数据的一致性是否达到95％以上；警示部，在检索判断部判断的结果为否时，进行警示；热成像数据采集部，对直流换流阀内当前零件进行原始热成像采集，得到当前零件的热成像数据以及环境温度；数据换算部，根据热成像数据与红外强度之间的线性关系得到由热成像数据换算到的红外强度；数据计算部，根据环境温度、红外强度以及发射率计算得到当前零件的当前温度；判断部，判断当前温度是否大于60℃；报警部，在判断部判断的结果为是时，进行报警。

在本发明提供的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统中，还可以具有这样的特征：其中，环境温度、红外强度以及发射率与当前温度为三元函数，该三元函数的表达式为：

式中，t0为当前温度，单位为开尔文(k)，a＝0.00335，b＝-21.14，a、b均为电信号与像素值之间的线性转换系数，y为原始热成像图像中某一点的像素值，k1＝5.98×10^-9，为红外热成像摄像头的固有系数，k2＝1.9675×10^-8，ε为发射率，tμ为环境温度。

在本发明提供的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统中，还可以具有这样的特征，还包括：供能部，其中，供能部采用激光能量对的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统进行供能。

在本发明提供的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统中，还可以具有这样的特征：其中，标准数据为多种零件的尺寸、形状或照片中的一至多种。

在本发明提供的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统中，还可以具有这样的特征：其中，数据采集部为可见光摄像头。

在本发明提供的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统中，还可以具有这样的特征：其中，热成像数据采集部为热成像摄像头。发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统，因为该巡检系统采用了数据采集部，采集阀塔内的当前零件的当前数据，对比分析部基于当前数据与存储部内的标准数据进行对比分析并获得对应的发射率，检索判断部基于当前数据对存储部进行检索，并判断当前数据与标准数据是否一致，当检索判断部的检索判断不一致时，警示部会进行警示，热成像数据采集部对当前零件的原始热成像采集，得到热成像数据以及环境温度，数据换算部根据热成像数据与红外强度的线性关系进行换算，得到红外强度，数据计算部，根据得到的环境温度、红外强度以及发射率计算当前零件的当前温度，判断部对当前温度进行判断，判断当前温度是否大于60℃，报警部在判断部的判断的结果为是时，进行报警。

工作人员可以根据警示部的警示对零件是否移位进行查看，根据报警部的报警对阀塔内的零件的温度异常进行监控与查看，实现了对阀塔内的零件进行监管。

附图说明

图1是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的结构框图；

图2是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的结构简图；

图3是本发明实施例中的上位机的监控界面图；

图4是本发明实施例中的数据采集部的结构示意图；

图5是本发明实施例中的热成像数据采集部的结构示意图；

图6是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的布线示意图；以及

图7是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统作具体阐述。

图1是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的结构框图。

如图1所示，基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统100用于对高压直流换流阀进行巡检，包括存储部101、数据采集部102、对比分析部103、检索判断部104、警示部105、热成像数据采集部106、数据换算部107、数据计算部108、判断部109、报警部110、供能部111以及控制部112。

存储部101存储有直流换流阀内多种零件的标准数据以及与该标准数据对应各种零件的发射率。标准数据为多种零件的尺寸、形状或照片中的一至多种。在本实施例中，存储部101内存储的标准数据为多种零件分别对应的标准照片以及与该标准照片对应的标准尺寸与标准形状。

数据采集部102对直流换流阀塔内的当前零件进行数据采集，得到当前零件的当前数据。数据采集部102为可见光摄像头。在本实施例中，数据采集部102为型号为ov5640的摄像头，该ov5640的摄像头对当前零件的数据的读取以及处理。数据采集部102采集到的当前数据为当前零件的当前照片以及从该当前照片中处理得到的该当前零件的当前尺寸以及当前形状。

对比分析部103将数据采集部102采集到的当前零件的当前照片、当前尺寸以及当前形状与存储在存储部104里的标准照片、标准尺寸以及标准形状进行对比分析，得到当前照片、当前尺寸以及当前形状对应的标准数据，从而得到该标准数据对应的当前零件的发射率。

检索判断部104基于当前照片、当前尺寸以及当前形状对存储部101进行检索，并判断当前照片、当前尺寸以及当前形状与标准照片、标准尺寸以及标准形状的一致性是否大于95％以上。

警示部105在当检索判断部104判断出当前照片、当前尺寸以及当前形状与标准照片、标准尺寸以及标准形状的一致性小于95％时，进行警示。

热成像数据采集部106对当前零件进行原始热成像采集，得到当前零件的热成像数据以及环境温度。热成型数据采集部106为热成像摄像头。在本实施例中，热成像数据采集部106为lepton热成像摄像头，该lepton热成像摄像头是非制冷式红外焦平面探测器，对当前零件进行热成像数据的读取以及处理。

数据换算部107基于热成像数据与红外强度之间的线性关系，将热成像数据采集部106采集到的热成像数据进行换算得到该热成像数据对应的红外强度。

数据计算部108根据环境温度、红外强度以及发射率与当前零件的当前温度的函数进行计算得到当前零件的当前温度。

环境温度、红外强度以及发射率与当前温度为三元函数，该三元函数的表达式为：

式中，t0为当前温度，单位为开尔文(k)，a＝0.00335，b＝-21.14，a、b均为电信号与像素值之间的线性转换系数，y为原始热成像图像中某一点的像素值，k1＝5.98×10^-9，为红外热成像摄像头的固有系数，k2＝1.9675×10^-8，ε为发射率，tμ为环境温度。

判断部109判断数据计算部108得到的当前温度是否大于60℃。

报警部110在判断部109判断的结果为是时，进行报警。

供能部111对上述各部进行供能。在本实施例中，供能部111采用的激光对上述各部进行供能。

控制部112包含用于控制存储部101、数据采集部102、对比分析部103、检索判断部104、警示部105、热成像数据采集部106、数据换算部107、数据计算部108、判断部109以及报警部110的计算机程序。

图2是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的结构简图。

如图2所示，基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统100包括数据采集部102、热成像数据采集部106以及上位机200，其中存储部101、对比分析部103、检索判断部104、警示部105、数据换算部107、数据计算部108、判断部109、报警部110以及控制部112均为设置在上位机200中的计算机程序。

上位机200内的芯片采用的altera公司第四代fpga芯片ep4ce6f17c8。

在本实施例中，数据采集部102以及热成像数据采集部106与上位机200之间的数据传输均采用的光纤传输的方式。

图3是本发明实施例中的上位机的监控界面图。

如图3所示，上位机200的检测画面包含三个显示窗口和一个设置区域，分别为热成像显示窗口a、可见光成像显示窗口b和双波段融合显示窗口c，设置区域主要为ip地址和ip端口的设置。

图4是本发明实施例中的数据采集部的结构示意图。

如图4所示，数据采集部102为型号为ov5640的摄像头，ov5640是一款1/4英寸500万像素的高性能图像传感器，支持dvp和mipi接口。ov5640性能参数有：①有效感应阵列大小：2592×1944；②稳定工作温度：0～50℃；③输出格式：8位rgb；④最大图像传输速度：vga/90fps。ov5640摄像头的管脚电路如图2，各管脚名称及说明：①gnd，地线；②vcc，+5v；③～⑩图像数据传输接口，8位；sda，ov5640作为从机时sccb数据线；scl,ov5640作为从机时sccb时钟线；href，行有效信号，高有效；vsvnc，列同步信号，低有效；pclk，ov5640作为从机时数据输出同步时钟；reset，ov5640作为从机时复位信号。

图5是本发明实施例中的热成像数据采集部的结构示意图。

如图5所示，热成像数据采集部106为lepton热成像摄像头，它集成了大小为60×80的红外焦平面阵列，集成了cci通讯接口和spi通讯接口。红外焦平面阵列是一种感光元件，能够感知视角范围内所发射出来红外线，并将红外信号转换为电信号，通过外围电路的积分放大和采样保持，以16位的spi数据形式输出。输出的热像数据已经经过非均匀性矫正(non-uniformitycorrection,nuc)、坏点修正(defect-replacement)、空域/时域滤波以及自动增益矫正(automaticgaincontrol,agc),免去了用户手动矫正的需要。lepton性能参数有：①感应材质：钒氧化物；②工作波段：8～14；③焦平面阵列大小：60×80；④热敏度：小于50mk；⑤视角范围：水平51°，对角63.5°；⑥测量范围：10cm到正无穷；⑦工作温度：-10～65℃。lepton红外热像摄像头的管脚电路如图1，各管脚名称及说明：①cs，lepton作为从机时spi片选；②mosi，lepton作为从机时spi数据输入；③miso，lepton作为从机时spi数据输出；④clk，lepton作为从机时spi时钟线；⑤gnd，地线；⑥vin，3.3v输入电压；⑦sda，lepton作为从机时cci数据线；⑧scl，lepton作为从机时cci时钟线。

图6是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的布线示意图。

如图6所示，ov5640摄像头以及lepton热成像摄像头按照图4以及图5中的管脚电路分别连接在上位机上，其中，ov5640摄像头使用5v供电，lepton热成像摄像头使用3.3v供电。

图7是本发明的实施例中基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统的流程图。

如图7所示，基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统100的巡检步骤包括以下步骤：

步骤s1-1：打开上位机200进行网口参数的设置，然后进入步骤s1-2。

步骤s1-2：数据采集部102对阀体内的当前零件的当前数据进行采集，其中，当前数据包括当前零件的当前照片以及对应的当前尺寸与当前形状，然后进入步骤s1-3.

步骤s1-3：对比分析部103将当前照片、当前尺寸以及当前形状与存储在存储部104里的标准照片、标准尺寸以及标准形状进行对比分析，得到当前照片、当前尺寸以及当前形状对应的标准数据，从而得到该标准数据对应的当前零件的发射率，然后进入步骤s1-4。

步骤s1-4：检索判断部104基于当前照片、当前尺寸以及当前形状对存储部101进行检索，并判断当前照片、当前尺寸以及当前形状与标准照片、标准尺寸以及标准形状的一致性是否大于95％以上，当判断为否，进入步骤s1-5，当判断为是时，进入步骤s1-6。

步骤s1-5：警示部105进行警示，进入结束状态。

步骤s1-6：热成像数据采集部106对当前零件进行原始热成像采集，得到当前零件的热成像数据以及环境温度，然后进入步骤s1-7。

步骤s1-7：数据换算部107基于热成像数据与红外强度之间的线性关系，将热成像数据采集部106采集到的热成像数据进行换算得到该热成像数据对应的红外强度，然后进入步骤s1-8。

步骤s1-8：数据计算部108根据环境温度、红外强度以及发射率与当前零件的当前温度的函数公式进行计算得到当前零件的当前温度，然后进入步骤s1-9。

步骤s1-9：判断部109判断数据计算部108得到的当前温度是否大于60℃，当判断为否时，进入步骤s1-1，当判断为是时，进入步骤s1-10。

步骤s1-10，报警部110进行报警，然后进入结束状态。

在本实施例中，当警示部105进行警示时，工作人员可以根据上位机200可见光摄像显示窗口b进行查看当前零件的状态，由工作人员进行自主判断是否需要更换或者其他的下一步操作；当报警部110进行报警时，工作人员需要对直流换流阀进行相应的措施来防止阀体的过高温。

另外，上位机200还可以根据实时监测到的当前温度进行统计，整理成数据报表的形式，以便于工作人员进行后台检测。

实施例的作用与效果

根据上述实施例中的基于fpga的高压直流换流阀全景巡检系统，因为该巡检系统采用了数据采集部，采集阀塔内的当前零件的当前数据，对比分析部基于当前数据与存储部内的标准数据进行对比分析并获得对应的发射率，检索判断部基于当前数据对存储部进行检索，并判断当前数据与标准数据是否一致，当检索判断部的检索判断不一致时，警示部会进行警示，热成像数据采集部对当前零件的原始热成像采集，得到热成像数据以及环境温度，数据换算部根据热成像数据与红外强度的线性关系进行换算，得到红外强度，数据计算部，根据得到的环境温度、红外强度以及发射率计算当前零件的当前温度，判断部对当前温度进行判断，判断当前温度是否大于60℃，报警部在判断部的判断的结果为是时，进行报警。

工作人员可以根据警示部的警示对零件是否移位进行查看，根据报警部的报警对阀塔内的零件的温度异常进行监控与查看，实现了对阀塔内的零件进行监管。

另外，上述实施例中的巡检系统采用altera公司第四代fpga芯片ep4ce6f17c8，具有性能高、成本低、低功耗等优点，能够稳定lepton热像仪的刷新频率，在线计算视场内任一点的温度。而采用的lepton热成像仪工作波段为8～14，热敏度小于50mk；采用的ov5640可见光成像仪可以对视场内的物体进行边缘检测和特征提取，在线校准该物体的发射率，可以将检测误差降低到0.59℃。使用百兆以太网传输，保证了检测的实时性和刷新频率。总体而言，该发明满足高压直流换流阀塔内的巡检检测要求，对于完善换流阀设备的监视功能，提高换流阀运行的可靠性有极大的作用。本方法解决了高压直流换流阀内部无法实时监控的问题；同时，本方法所使用的温度算法相比传统的单点非接触式测温方法和利用灰度图测温方法在精度上有明显的提高。

此外，传统的单点非接触式测温方法难以做到同时对多点测温预警；而传统热成像的测温方法，通常使用其图像的灰度值来计算目标点的温度，但是灰度值的大小是会随着热成像检测区域的温度变化而变化的，这种测温计算方法误差比较大，通常只能做到误差在正负2℃。同时，不同物体，它们的表面发射率差别较大，而发射率是影响温度测量的重要因素，对于不同温度、不同发射率的两个物体而言，他们发射出来的红外辐射强度可能是一样的。而本发明的巡检系统是基于发射率来计算当前温度，大大降低了计算误差。

另外，通过使用热成像摄像头输出的电信号大小作为测温依据，排除了因为红外视场中温差的影响而造成的测温误差；增加了可见光摄像头对物体的探测和识别，可以在线矫正视场内不同物体的不同发射率，从而在计算温度时减少误差。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。