一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统的制作方法

本发明涉及红外热成像技术、传感技术以及开关柜在线监测技术领域，特别是一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统。

背景技术：

开关柜是保障电力系统安全运行的一种重要设备，应用十分广泛，主要是用于开断或关合电力线路，输送、倒换电力负荷、将故障线路和设备退出运行等方面。如何提高其安全可靠性一直以来都是一个十分重要的研究内容。

开关柜内的重要部件有断路器、隔离开关、负荷开关、母排等，这些部位因为长期的磨损或者长期的氧化，抑或因为机械上的松动，将会导致导电连接处的接触电阻增大。开关柜额定工作电流一般都在几百安到上千安，若发生短路故障，其电流峰值可达额定工作电流的十几倍甚至几十倍，在如此大电流的冲击下，若导电连接处的接触电阻偏大，将导致温度急剧升高。温度过高将导致触头的熔焊、母排热缩绝缘护套管融化等后果，降低开关柜绝缘性能，产生放电现象甚至发生火灾事故，严重的将危害到人员安全。

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第11.7.2条明确提出：定期用红外线测温设备检查开关设备的接头部、隔离开关的导电部分（重点部位：触头、出线座等），特别是在重负荷或高温期间，加强对运行设备温升的监视，发现问题应及时采取措施。但是开关柜在运行时是全封闭式的，内部还存在大电流高电压，常规的人工巡检测温难以实行，因此，一套开关柜内重点部位温度监测系统对提高开关柜运行安全性是十分有必要的。

根据黑体辐射定律，物体表面的温度可由物体的红外辐射能量大小和波长分布来表现的，因此而产生的两种典型的测量温度方法是红外探头测温法和红外成像测温法。红外测温因其无需接触所测物体表面，广泛应用于电力系统测温领域。

红外探头测温法以红外探头作为温度传感器，并通过后续传输、处理电路实现温度测量，但是此方法不适用于内部结构复杂的开关柜，且只能测量一个点的温度，对区域温度不能明显表征。红外成像测温法可以测量区域温度，但由于其成本昂贵，开关柜数量极多，而每一台开关柜的有近十个重点监测部位，因此限制了该方法的广泛应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统，能够实现对开关柜内重点部位的实时在线监测与故障诊断。

本发明采用以下方案实现：一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统，包括监测终端和温度采集与显示系统；所述监测终端与所述温度采集与显示系统通信相连；用以将所述温度采集与显示系统采集的开关柜内重点部位区域的温度数据传输到所述监测终端，并通过所述监测终端进行数据保存和温度故障分析。

进一步地，所述温度采集与显示系统包括：一个以上开关柜、设置在每个开关柜内的一个以上温度采集模块、与每个温度采集模块一一对应的数据发送模块以及设置在每个开关柜外的数据接收模块和温度显示模块；所述每个开关柜内的每个温度采集模块和与其对应的所述数据发送模块通信相连；所述每个开关柜内的每个数据发送模块均与所述每个开关柜外的数据接收模块通信相连；所述每个开关柜外的数据接收模块还与所述每个开关柜外的温度显示模块通信相连；所述每个开关柜内的每个温度采集模块对与其对应的开关柜内重点部位区域测温并对测温数据进行滤波得到温度数据；所述每个开关柜内的每个温度采集模块通过与其对应的所述数据发送模块将所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息发送到所述每个开关柜外的数据接收模块；所述每个开关柜外的数据接收模块对所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息进行数据校验和转码；所述每个开关柜外的温度显示模块分别接收所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据，所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据包括温度数据、时间信息和开关柜内重点部位区域编号信息；所述每个开关柜外的温度显示模块根据所接收到的所述温度数据生成红外热力图；所述每个开关柜外的温度显示模块将所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据传输到所述监测终端进行温度故障分析，同时所述每个开关柜外的温度显示模块接收所述监测终端温度故障分析后发出的故障信息，显示报警信息并发出报警信号。

进一步地，所述每个开关柜外的温度采集模块均采用的是高精度红外线阵列传感器。

进一步地，所述监测终端包括上位机、通信控制器、打印机和数据库；所述通信控制器、所述打印机和所述数据库均与所述上位机通信相连；所述通讯控制器与所述每个开关柜外的温度显示模块通信相连，用以通过所述通讯控制器将所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号）传输到所述上位机；所述上位机提取接收到的数据的数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵，并通过卷积神经网络——支持向量机算法对所述温度数据矩阵进行温度故障分析得到故障信息和故障编号，同时所述上位机将所述数据接收模块校验和转码后的数据、开关柜编号数据和故障编号数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号+故障编号）进行结构化处理后保存到所述数据库，若存在故障，上位机发送指令到所述每个开关柜外的温度显示模块；所述上位机访问数据库，根据检索条件生成报表，并控制打印机进行报表打印。

进一步的，所述上位机通过卷积神经网络——支持向量机算法进行温度故障分析，具体包括如下内容：所述上位机提取所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据的数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵（如8*8矩阵，该维度取决于红外阵列传感器分辨率），通过一个卷积神经网络进行卷积与池化操作，在所述cnn网络的第一个全连接层得到一个一维特征向量（1*1*64）；将所述一维特征向量作为支持向量机的输入；支持向量机通过核方法对一维特征向量进行分类后输出故障的编号；所述上位机根据编号提示向对应开关柜内的所述温度显示模块发出相应报警信息。

进一步地，所述开关柜内重点部位区域包括母线（排）连接处、隔离开关闸刀与静触头连接处、负荷开关闸刀与静触头连接处。

进一步地，本发明还提供一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤s1：所述每个开关柜内的每个温度采集模块对其对应的开关柜内重点部位区域测温并对测温数据进行滤波得到温度数据；每个开关柜内的每个温度采集模块中处理芯片（mcu）对数据进行滤波，剔除干扰后所述温度采集模块通过与其对应的所述数据发送模块将所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息通过无线方式发送到所述每个开关柜外的数据接收模块；

步骤s2：所述每个开关柜外的数据接收模块对通过步骤s1接收到的数据进行校验和转码，并将校验和转码后的数据发送到所述每个开关柜外的温度显示模块；

步骤s3：所述每个开关柜外的温度显示模块接收步骤s2所述中经过检验和转码后的数据，提取其中温度数据生成红外热力图，并在液晶屏上显示；温度显示模块可切换显示不同部位的热力图，在步骤s2中经过检验和转码后的数据中添加开关柜编号，所述每个开关柜外的温度显示模块通过所述通信控制器将所述在步骤s2中经过检验和转码后的数据中添加开关柜编号后的数据上传到所述上位机；

步骤s4:所述上位机提取数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵，并通过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）网络进行故障判断，若检测到故障则发送故障编号到对应的开关柜的温度显示模块；将步骤s3中所述温度显示模块发送到所述上位机的数据中添加故障编号，并将该数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号+故障编号）进行结构化处理后保存到所述数据库；

步骤s5：所述上位机对步骤s4中所述数据库中的数据进行查询访问，根据检索条件生成报表，并控制打印机进行报表打印。

进一步地，步骤s4中所述上位机通过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）对所述温度数据矩阵进行故障判断具体包括以下内容：标签00表示正常工作状态；标签01表示过温，在负荷过大时会出现过温情况，开关柜能正常工作但需要预警，提示巡检人员进行相应操作；当标签为10表示超温，表明当前温度超过所测部位的极限温升，开关柜继续工作将直接导致事故，需人工或远程紧急停止该开关柜工作。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的区域测温方法可以有效提高开关柜重点部位温度实时在线故障判断的准确性。

2、本发明通过使用cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）对温度故障进行自动判断，免于人工判定故障。由于人工无法全天候不间断工作，所以存在漏检情况，且对于缓变型故障，需要人工多次长时间测定，因此本发明在提升开关柜运行安全可靠性的同时，还能有效降低巡检人员的劳动强度。

3、本发明采取的低分辨率红外热视传感器成本更低，相较于成本昂贵的红外热视仪器，更利于广泛使用在数量众多的开关柜当中，降低整套温度在线监测系统的建设成本。

附图说明

图1为本发明实施例的监测系统总体结构图。

图2为本发明实施例的系统流程图。

图3为本发明实施例的cnn-svm检测过程图。

图4为本发明例中过温情况下红外热力图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例采用了一种红外热视技术，测温时免于直接接触带有高压的开关柜部件，并将在线测温方式从点测温转为精确度更高的区域测温。由于温度的暂变或是数据的扰动，单点温度测量会存在较大的误差，若测量点温度在所设阈值附近扰动，报警装置将不断提示异常情况，因此基于单点温度值的阈值判断法将不再适用。而区域温度表征了更多的信息，单点温度值的有限扰动不会对全局温度分布情况造成太大影响，故采取本实施例的区域测温方法可以有效提高开关柜重点部位温度实时在线故障判断的准确性。

具体的，如图1所示，本实施例提供了一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统，包括监测终端和温度采集与显示系统；所述监测终端与所述温度采集与显示系统通信相连；用以将所述温度采集与显示系统采集的开关柜内重点部位区域的温度数据传输到所述监测终端，并通过所述监测终端进行数据保存和温度故障分析。

在本实施例中，所述温度采集与显示系统包括：一个以上开关柜、设置在每个开关柜内的一个以上温度采集模块、与每个温度采集模块一一对应的数据发送模块以及设置在每个开关柜外的数据接收模块和温度显示模块；所述每个开关柜内的每个温度采集模块和与其对应的所述数据发送模块通信相连；所述每个开关柜内的每个数据发送模块均与所述每个开关柜外的数据接收模块通信相连；所述每个开关柜外的数据接收模块分别与所述每个开关柜外的温度显示模块通信相连；所述每个开关柜内的每个温度采集模块对与其对应的开关柜内重点部位区域测温并对测温数据进行滤波得到温度数据；所述每个开关柜内的每个温度采集模块通过与其对应的所述数据发送模块将所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息通过无线方式发送到所述每个开关柜外的数据接收模块；所述每个开关柜外的数据接收模块对所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息进行数据校验和转码；所述每个开关柜外的温度显示模块接收所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据，所述数据接收模块校验和转码后的数据包括温度数据、时间信息和开关柜内重点部位区域编号信息；所述每个开关柜外的温度显示模块根据所接收到的所述温度数据生成红外热力图；可切换显示不同部位的编号及对应的红外热力图；所述每个开关柜外的温度显示模块将所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+当前开关柜编号）传输到所述监测终端进行温度故障分析，同时所述每个开关柜外的温度显示模块接收所述监测终端温度故障分析后通过通信控制器发出的故障信息，显示报警信息并发出报警信号。

在本实施例中，所述数据发送模块添加信息的具体内容为：预先给在开关柜内的多个装置设置好编号（1-m），数据发送模块根据规定好的通信协议将部位编号，时间，温度，依次排列在数组里，再发送出去。

在本实施例中，所述开关柜编号数据是事先设置好编号（1-n），根据规定通讯协议将开关柜编号，部位编号，时间，温度，依次排列在数组里，再发送出去。

在本实施例中，所述每个开关柜内的每个温度采集模块均采用的是高精度红外线阵列传感器。所述温度采集模块采用的高精度红外线阵列传感器（grid-eye系列），可采集二维区域内温度数据（如8*8、16*16、32*32等），原理是根据物体表面温度和环境温度之间的差值计算热损失，从而识别冷热体感，用于详细测量温度分布。

在本实施例中，所述监测终端包括上位机、通信控制器、打印机和数据库；所述通信控制器、所述打印机和所述数据库均与所述上位机通信相连；所述通讯控制器与所述每个开关柜外的温度显示模块通信相连，用以通过所述通讯控制器将所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号）传输到所述上位机；所述上位机提取接收到的数据的数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵，并通过卷积神经网络——支持向量机算法对所述温度数据矩阵进行温度故障分析得到故障信息和故障编号，同时所述上位机将所述数据接收模块校验和转码后的数据、开关柜编号数据和故障编号数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号+故障编号）进行结构化处理后保存到所述数据库，若存在故障，上位机发送指令到所述每个开关柜外的温度显示模块；所述上位机访问数据库，根据检索条件（如所选定时间区间内所有开关柜故障情况、所选定开关柜的故障情况等）生成报表，并控制打印机进行报表打印。

在本实施例中，所述上位机通过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）算法进行温度故障分析具体包括如下内容：所述上位机提取所述每个开关柜外的数据接收模块校验和转码后的数据以及开关柜编号数据的数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵（如8*8矩阵，该维度取决于红外阵列传感器分辨率），通过一个卷积神经网络进行卷积与池化操作，在所述cnn网络的第一个全连接层得到一个一维特征向量（1*1*64）；将所述一维特征向量作为支持向量机的输入；在此之前svm需要进行训练，训练后，有一维特征向量输入便可输出编号；支持向量机通过核方法对一维特征向量进行分类后输出故障的编号；所述上位机根据编号提示向对应开关柜内的所述温度显示模块发出相应报警信息。

在本实施例中，所述cnn（卷积神经网络）采用两个5*5的卷积层与两个2*2的池化层，在两个全连接层中，本实施例只使用第一个全连接层即可完成特征提取。激活函数采用relu函数，损失函数采用交叉熵，优化器使用了adamoptimizer。svm采用的是rbf核（高斯核）。

在本实施例中，所述cnn-svm训练过程中，采用1000张经过人为标定温度故障的红外热力图作为训练集和测试集进行离线训练。以准确率作为指标，达到理想效果后将cnn-svm网络移植到监测终端，无需重复训练。

在本实施例中，所述开关柜内重点部位区域包括母线（排）连接处、隔离开关闸刀与静触头连接处、负荷开关闸刀与静触头连接处。

在本实施例中，所述每个开关柜外的温度显示模块采用的是lcd液晶显示屏，型号为jlx177-015-pn，尺寸为34.0*44.0*2.4，分辨率为128*160，驱动ic为st7735s；温度显示模块可发出灯光、声音等提示性信息。

在本实施例中，本发明还提供一种基于低成本红外热视技术的开关柜内重点部位温度监测系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤s1：所述每个开关柜内的每个温度采集模块对其对应的开关柜内重点部位区域测温并对测温数据进行滤波得到温度数据；每个开关柜内的每个温度采集模块中处理芯片（mcu）对数据进行滤波，剔除干扰后所述温度采集模块通过与其对应的所述数据发送模块将所述温度数据添加时间信息和开关柜内重点部位区域编号后的信息通过无线方式发送到所述每个开关柜外的数据接收模块；；

步骤s2：所述数据接收模块对通过步骤s1接收到的数据进行校验和转码，并将校验和转码后的数据发送到所述温度显示模块；

步骤s3：所述每个开关柜外的温度显示模块接收步骤s2所述中经过检验和转码后的数据，提取其中温度数据生成红外热力图，并在液晶屏上显示；温度显示模块可切换显示不同部位的热力图，在步骤s2中经过检验和转码后的数据中添加开关柜编号，所述每个开关柜外的温度显示模块通过所述通信控制器将所述在步骤s2中经过检验和转码后的数据中添加开关柜编号后的数据上传到所述上位机；

步骤s4:所述上位机提取数据流中的温度数据并生成温度数据矩阵，并通过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）网络进行故障判断，若检测到故障则发送故障编号到对应的开关柜的温度显示模块；将步骤s3中所述温度显示模块发送到所述上位机的数据中添加故障编号，并将该数据（温度数据+当前时间+所表示部位编号+开关柜编号+故障编号）进行结构化处理后保存到所述数据库；

步骤s5：所述上位机对步骤s4中所述数据库中的数据进行查询访问，根据检索条件生成报表，并控制打印机进行报表打印。

在本实施例中，步骤s4中所述上位机通过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）对所述温度数据矩阵进行故障判断具体包括以下内容：标签00表示正常工作状态；标签01表示过温，在负荷过大时会出现过温情况，开关柜能正常工作但需要预警，提示巡检人员进行相应操作；当标签为10表示超温，表明当前温度超过所测部位的极限温升，开关柜继续工作将直接导致事故，需人工或远程紧急停止该开关柜工作。

较佳的，本实施例通过假设001号开关柜内003号重点部位c相母线连接处存在异常过温情况，详细描述监测系统工作流程。

第一步，如图2、3所示，由安装在开关柜内壁的温度采集模块中高精度红外线阵列传感器采集到故障部位温度，温度采集模块中处理芯片（mcu）对温度数据进行滤波，剔除干扰，发送到数据发送模块，数据发送模块将温度数据添加时间、部位编号后通过zigbee方式发送到位于开关柜外壁的数据接收模块，数据接收模块校验后将温度数据发给温度显示模块，温度显示模块的处理芯片（mcu）接收数据并控制液晶显示屏显示红外热力图，如图4所示，并将当温度数据、当前时间、重点部位编号（003）、开关柜编号（001）以数据流方式上传到监测终端。

第二步，由监测终端的通信控制器接收数据流（温度数据+时间+重点部位编号+开关柜编号），提取其中温度数据矩阵，经过cnn-svm（卷积神经网络——支持向量机）算法判断出故障01发生，并将故障信息01编入原先数据流，数据流经结构化处理后存入数据库，上位机界面所显示数据同步更新。上位机界面出现提示信号，显示开关柜编号（001）、重点部位编号（003）、故障情况（01）。同时上位机发送故障信号到开关柜001本地温度显示模块，本地温度显示模块发出黄色灯光警报，提示巡检人员注意。

第三步，终端工作人员点击查看提示信息，直接跳转到001号开关柜003部位的区域温度图，远程确定该部位是否需要人员干预，若需要则通知巡检人员排查故障，并根据需求打印设备工作情况表。

在本实施例中，红外热视装置安装在开关柜内壁，直对所测关键部位。装置外形采用金属材料制成，与开关柜内壁处于同一电压水平。装置外壳采取扁平形状并进行圆形处理，以避免电晕和尖端放电现象。装置内部电池采用体积小的纽扣电池，电量不足时将发送警告信号。其中红外热视装置采用低分辨率（如8*8、12*12、16*16等）红外线阵列传感器实现对开关柜内重点部位区域测温，并通过无线传输方式将数据发送到温度显示模块。

温度显示模块显示方式可以有数码管、lcd液晶显示屏、触摸屏等。报警方式有灯光警报与声音警报。

本实施例不仅能够实现对开关柜重点部位的区域温度测量、报警，并且能对开关柜内重点部位的温度异常位置准确定位，方便巡检人员快速排除故障，提高了开关柜安全运行的可靠性，确保电力系统正常运行，保障人员、设备安全。

本实施例的主要创新点在于将低成本的红外热视技术引入开关柜温度监测，对开关柜内重点部位进行区域温度实时在线监测，能够准确反映重点部位的区域温度变化情况，保障开关柜更安全、更可靠、更智能地运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。