一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法及系统与流程

1.本发明涉及输电线路监测领域，尤其是涉及一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法及系统。


背景技术：

2.输电线路作为发、输、变、配、用电力系统中的一个环节，是整个系统的主要支柱，线路设备的状况直接影响到电网的安全可靠运行。输电线路所处的运行环境是极其复杂的和不确定的，易受自然环境影响和外力破坏，使其经常出现本体设备发热的情况，存在安全隐患。
3.目前，针对上述情况，最常用的运维方式主要有两种：一是运检人员手持红外热像仪在地面或者登塔进行检测；二是由专业人员操纵载有红外测温装置的无人机进行检测。上述两种方法能够对发热部位进行很好的检测，但有时需要对隐患点进行临时性的实时监测一周左右甚至更长的时间周期，传统的检测方法不具备实时监测的能力。无人机 红外热像仪的方式，专业性要求较高，且所使用的红外摄像装置成本太高。因此，传统方法不能满足输电线路监测需要，亟需一种有效的方法，实现低成本的短期连续性监测。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种低成本、精度高、适用于短期连续性监测的基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法及系统。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.根据本发明的第一方面，提供了一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤s1、确定被测目标的发射率，并对红外矩阵测温设备进行标定；
8.步骤s2、采用红外矩阵测温设备对被测目标进行测量；
9.步骤s3、对测量数据进行处理并修正，包括采用温度漂移补偿模型对测量结果中的漂移误差进行修正。
10.优选地，所述步骤s1具体为：
11.选择短波长段进行采集，对已知的被测目标的发射率进行预测，并依据红外矩阵测温设备对被测目标进行相应的发射率修正。
12.优选地，所述步骤s2中红外矩阵测温设备的测温过程具体为：
13.首先，由红外矩阵测温设备中的红外探测器和光学系统对目标物体实施红外扫描，然后将红外辐射信息聚集到红外探测器上，将其转化成电信号，并一系列放大处理，最后将这些信息传输到显示记录系统上，显示目标物体的温度分布情况。
14.优选地，所述步骤s3中的漂移误差为红外矩阵测温设备中探测器响应的漂移误差，包括工作时间漂移误差和环境温度漂移误差；其中工作时间漂移误差与环境温度漂移误差相互独立；
15.所述步骤s3包括以下步骤：
16.步骤s31、将每个工作时间和环境温度点分别对照一个漂移补偿量，建立漂移补偿映射表；
17.步骤s32、根据输入的参数值在映射表中查出对应的漂移补偿量，再将当前的灰度值和漂移补偿量进行数学运算以实现补偿。
18.优选地，所述步骤s31具体为：
19.首先，确定稳定黑体温度去顶漂移基准值和红外探测器随工作时间的响应，并调整环境温度确定红外探测器在不同环境温度下的响应；
20.然后，确定漂移补偿的曲线模型；计算漂移补偿的系数；
21.最后，生成漂移补偿映射表并将漂移补偿映射表存储至系统中。
22.优选地，所述步骤s32具体为：
23.输入存储器读取的漂移补偿映射表、原始图像数据、工作时间参数t以及环境温度参数tsur至漂移补偿模型后，获取漂移补偿之后的图像数据，并将漂移补偿的图像数据进行温度测量。
24.根据本发明的第二方面，提供了一种基于上述的基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法的系统，该系统包括：
25.设置于输电线路铁塔上的红外矩阵测温模块，用于对被测目标进行测量；
26.监测控制模块，用于控制红外矩阵测温模块并对采集到的数据进行处理并在线监测；
27.无线通信模块，设置在红外矩阵测温模块上，用于进行监测控制模块与红外矩阵测温模块之间的通信。
28.优选地，所述红外矩阵测温模块包括光学系统、显示记录系统、信号处理系统以及红外探测器。
29.优选地，所述监测控制模块包括：
30.数据采集模块，用于采集来自红外矩阵测温模块的数据，形成红外热图；
31.红外图像处理模块，用于对红外热图进行误差修正；
32.温度测量与显示模块，用于显示测量修正之后的温度数据；
33.系统设置模块，用于设定各模块的初始值，包括红外矩阵测温模块的发射率。
34.优选地，所述系统在线监测过程具体为：
35.将红外矩阵测温模块安装在输电线路铁塔上预设位置，由监测控制模块控制进行调焦，并选择相应位置对设备温度进行检测；
36.红外矩阵测温模块将采集到的被测目标表面温度数据通过无线通信模块传输至监测控制模块；
37.监测控制模块对温度数据进行计算和修正处理，在该模块上实现远程实时查看，及时发现温度异常。
38.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
39.1)本发明提出了一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法，可满足输电线路缺陷临时性的在线监测需要，设备成本低，节省了大量巡检人力；
40.2)本发明解决了户外环境下测量误差大的问题，精度高，可实现长期稳定可靠运
行；
41.3)本发明的系统易于携带与安装，且安装点远离高压线路，安全性高；
42.4)本发明可长期采集的疑似缺陷点到故障点演变的过程数据，为线路本质安全提升研究提供数据支持；
43.5)本发明可根据被测目标材料的热辐射特性重新标定测量温度，保障温度测量的准确性。
附图说明
44.图1为本发明的基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法流程图；
45.图2为漂移补偿映射表的建立流程图；
46.图3为漂移补偿的实现过程；
47.图4为监测控制模块架构图；
48.图5为红外矩阵测温成像原理图；
49.图6为红外矩阵测温设备示意图。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
51.下面首先给出本发明的方法实施例，一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法，该方法包括以下步骤：
52.步骤s1、确定被测目标的发射率，并对红外矩阵测温设备进行标定；
53.步骤s2、采用红外矩阵测温设备对被测目标进行测量；
54.首先由红外矩阵测温设备中的红外探测器和光学系统对目标物体实施红外扫描，然后将红外辐射信息聚集到红外探测器上，将其转化成电信号，并进行一系列放大处理，最后将这些信息传输到显示记录系统上，显示目标物体的温度分布情况。此外，该设备不仅可以测量温度，而且可以绘制测量对象温度分布，可以将灰度图像转化成伪彩色图像。
55.步骤s3、对测量数据进行处理并修正，包括采用温度漂移补偿模型对测量结果中的漂移误差进行修正；所述漂移误差为红外矩阵测温设备中探测器响应的漂移误差，包括工作时间漂移误差和环境温度漂移误差；其中工作时间漂移误差与环境温度漂移误差相互独立。
56.步骤s31、将每个工作时间和环境温度点分别对照一个漂移补偿量，建立漂移补偿映射表；如图2所示，该漂移映射表建立过程具体为：
57.首先，确定稳定黑体温度去顶漂移基准值和红外探测器随工作时间的响应，并调整环境温度确定红外探测器在不同环境温度下的响应；然后，确定漂移补偿的曲线模型；计算漂移补偿的系数；最后，生成漂移补偿映射表并将漂移补偿映射表存储至系统中；
58.步骤s32、根据输入的参数值在映射表中查出对应的漂移补偿量，再将当前的灰度值和漂移补偿量进行数学运算以实现补偿，如图3所示，具体为
59.输入存储器读取的漂移补偿映射表、原始图像数据、工作时间参数t以及环境温度参数tsur至漂移补偿模型后，获取漂移补偿之后的图像数据，并将漂移补偿的图像数据进行温度测量。
60.所述步骤s1中的被测目标表面的发射率确定过程具体为：
61.物体表面温度通过测量物体辐射能计算得到，辐射温的直接结果是在理想状态下，利用黑体辐射的变化规律来测量出表面温度，其表达式为：
[0062][0063]
式中：lb(λ，t)为黑体的光谱辐射亮度；t为温度，单位为k；λ为波长，单位为m；c1为第一辐射常数，数值为3.7418
×
10
‑
16
；c2为第二辐射常数，数值为1.1488
×
10
‑2。
[0064]
发射率影响修正是辐射测温获得真实温度的关键，目标物体的发射率对红外矩阵测量装置的温度测量结果有着决定性的影响，而且非常地不稳定。发射率的设定值对温度测量结果的准确度有着明显的影响，在辐射温度测量中发挥着不可忽视的重要作用。
[0065]
因此在实际的研究工程中，需要对发射率的相关因素进行系统全面地分析探讨，尽可能让发射率的设定值接近于实际值，从而避免出现太大的误差，从而保证温度测量结果的准确度。
[0066]
发射率是实际物体辐射能量与黑体辐射能量的比值，其值与物体的化学成分、物理形状有关。物体表面温度与物体向外发射的红外能量成正比，已知发射的能量值可通过公式计算温度。物体的发射率通过计算或从“常用材料表面发射率参考值”中查询获得。
[0067]
对于由发射率所引起的误差，采用以下方式处理：
[0068]
1)物体会发射出不同波长的红外线，且不同波长的红外线传播过程中的损耗不同，具体表现为短波长的能量衰减小于长波长的能量衰减，故选择短波长段进行采集以降低误差；
[0069]
2)对已知的被测目标提前做出发射率的预测，并依据红外矩阵测温设备对实测目标进行相应的发射率修正。
[0070]
本实施例首先通过高低温环境实验测量不同环境下红外矩阵测温的温度特性，提出相应的异常温度判断方法。同时对不同材料的辐射特性进行研究，校准修正其发射率，以提高红外矩阵测温设备的测量准确性。
[0071]
此外，红外矩阵测温装置进行温度测量过程中，必然会接收到周围环境以及背景反射的红外辐射。目标物体的表面温度时刻都处于动态变化当中，诸如地理环境、气候变化、热力能源等因素都会对目标物体的表面温度产生一定的影响。除此之外，目标物体每时每刻都以辐射、传导的形式与周围环境发生热传导。从整体角度分析，对目标物体的温度影响主要有两方面因素：一个是环境因素；另一个是背景因素。
[0072]
在户外使用红外矩阵测温装置进行温度测量过程中，自然界环境会对目标物体的辐射产生一定的影响，环境因素包括太阳热辐射、大气透射率、地面背景辐射等等。在地理位置、地势条件、目标方位等因素不变的情况下，太阳热辐射、环境温度变化、大气流动等因素会对测量结果产生一定的影响。本实施例通过以下方法对背景环境进行处理：
[0073]
1)通过在合适位置放置一个太阳滤片来降低太阳辐射的影响；
[0074]
2)选择合适的测量角度可以降低红外矩阵测温装置接收到的天空背景辐射量，从而降低天空背景辐射对测量结果的影响；
[0075]
3)根据实际情况对相关参数进行适当地调整来降低大气流动对测量结果的影响。
[0076]
由于本发明的实际使用场景为户外，因此，在实际使用过程中，需要对红外矩阵测温设备进行校准与适当的调整，以满足实际应用需求。
[0077]
被测目标发出的红外辐射需经过一定的传输距离才能到达红外矩阵测温设备。红外辐射在传输过程中会由于大气的吸收与散射作用而产生衰减。随着传输距离的增加，红外辐射的大气透射率会减小，从而产生测温误差。
[0078]
为保障远距离10m下测温的准确性，本实施例通过实验的方法探索不同距离下测温的误差，并对温度计算公式进行修正，以达到最大监测距离10m下
±
2℃的测温精度。实验修正方法：
[0079]
实验采用红外矩阵测温设备和加热型黑体辐射源进行。首先在1m处对50℃
‑
100℃范围的温度进行标定，然后用红外矩阵测温设备测量1
‑
10m(间隔1m)距离下的温度值，比对测量值与真实值的误差，进行数据分析得到距离
‑
温度拟合曲线，求取修正公式，并在同样的条件下再次进行温度测量实验，以使设备在低成本远距离的条件下达到最大监测距离10m下测温精度
±
2℃。
[0080]
步骤s3具体为：建立漂移补偿模型处理红外矩阵测温模块的探测器的响应漂移误差；
[0081]
由于红外系统所工作的环境不同，探测器的响应输出是会发生缓慢变化的，即探测器的响应漂移。环境温度的改变和探测器的工作时间变化会导致探测器响应灰度值发生改变，会引起温度测温测量存在较大的误差。要想得到高精度的测量温度，就必须补偿红外矩阵探测系统在工作时产生的各方面的响应误差。
[0082]
引起探测器发生响应漂移的主要因素是红外矩阵测温系统所处的工作环境，通过实验的方式探索探测器的响应漂移规律，建立相对应的漂移补偿模型，以提升红外矩阵测温系统测温的精度漂移补偿方法。
[0083]
探测器的响应漂移主要是由工作时间和环境温度共同作用的，根据红外探测器响应漂移的规律特点可知，环境温度以及工作时间导致的探测器响应漂移之间互不影响：
[0084]
首先研究因工作时间改变而引发的漂移规律，并进一步得出合适的数学模型做出有效的补偿，在消除了工作时间引起的响应漂移的影响后，再研究环境温度引起的响应漂移影响规律，再针对环境温度引起的漂移进行数学建模以及有效补偿。
[0085]
接下来，给出本发明的一种基于红外矩阵监测的输电线路在线监测方法的系统实施例，该系统包括：
[0086]
1)设置于输电线路铁塔上的红外矩阵测温模块，如图5和图6所示，包括光学系统、显示记录系统、信号处理系统以及红外探测器，用于对被测目标进行测量；
[0087]
红外矩阵测温模块作为数据采集的核心，辅以高性能的计算机或移动终端为处理核心，集成4g等无线通信模块，用于输电线路金具温度异常应急监测的非接触式红外矩阵温度在线监测。
[0088]
红外矩阵测温设备能够生成被测目标的红外图像，显示温度数据，可帮助运维人员快速判断设备的状态，及时发现异常，便于及时制订检修方案。
[0089]
红外矩阵测温的工作原理为：将红外光转化为电信号，再次转化成可见光最终显示出来，上述一系列功能是由红外矩阵测温模块的多个零件共同完成的，包括：第一是光学系统；第二是显示记录系统；第三是信号处理系统；第四是红外探测器；
[0090]
其工作原理为：首先由红外探测器和光学系统对目标物体实施红外扫描；然后将红外辐射信息聚集到探测器上，将其转化成电信号，并进行一系列放大处理；最后将这些信息传输到显示器上，就可以显示目标物体的温度分布情况了。其不仅可以测量温度，而且可以绘制测量对象温度分布，可以将灰度图像转化成伪彩色图像。
[0091]
2)监测控制模块，用于控制红外矩阵测温模块并对采集到的数据进行处理并在线监测，如图4所示，包括：
[0092]
数据采集模块，用于采集来自红外矩阵测温模块的数据，形成红外热图；
[0093]
红外图像处理模块，用于对红外热图进行偏倚误差修正；
[0094]
温度测量与显示模块，用于显示测量修正之后的温度数据；
[0095]
系统设置模块，用于设定各模块的初始值，包括红外矩阵测温模块的发射率。
[0096]
将红外矩阵测温模块安装在输电线路铁塔上预设位置，由监测控制模块控制进行调焦，并选择不同的位置对设备温度进行检测；监测控制模块与红外矩阵测温模块通过无线通信模块进行通信，传输采集到的被测目标表面的温度数据，实现远程实时查看，及时发现温度异常。
[0097]
监测控制模块通过对红外测温设备等硬件设备进行控制，使其按照运维人员设定的模式运作，并可根据采集的温度数据判定被测目标状态。
[0098]
同时，为降低设备功耗，从程序上，设置每30min唤醒设备采集并回传1次温度数据，可满足8
‑
10天的温度监测需求。根据监测需求，设计客户端监测软件，可满足移动终端与电脑端的温度数据在线查看。巡检人员也可通过移动终端软件现场唤醒监测设备，下发指令，回传温度数据。
[0099]
该模块还具备历史数据查询功能，方便运维人员查询和比对。
[0100]
3)固定支架
[0101]
基于输电线路典型监测场景确定应急监测装置的安装部位，并设计便携可靠的固定支架方案，制备固定支架。
[0102]
为方便调节监测方位，红外矩阵设备配置旋转平台，将其固定在支架上，其上设有螺栓孔，为一个通槽，可根据大小调节螺栓松紧，当角钢尺寸较大时同样适用。
[0103]
本实施例的实现过程具体为：
[0104]
首先把红外矩阵测温模块安装在输电线路铁塔上恰当的位置，由计算机或移动终端控制红外设备进行调焦，并选择不同的位置对设备温度进行检测。计算机或移动终端和红外矩阵测温模块进行通信，传输采集到的被测目标表面的温度数据，可实现远程实时查看，及时发现温度异常。
[0105]
本实施例中的方法和系统可满足：
[0106]
测温范围：0
‑
100℃；
[0107]
最大测量距离：10m；
[0108]
测温精度：
±
2℃；
[0109]
工作时长：8
‑
10天。
[0110]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。