一种高低压配电柜监控系统的制作方法

1.本发明属于高低压配电设备技术领域，具体涉及一种高低压配电柜监控系统。


背景技术：

2.电力营销类物资存在“少品种，大批量”与“多品种，大批量”相混合的特点，人工管理难度大，劳动强度高。在领用、出入库、搬运、盘点等方面均存在着效率较低，人工重复进行低附加值劳动，出入库管理不清晰、不及时的现象。现有的自动化立体仓库中最常用的是巷道堆垛起重机，该类装置在应用过程中存在改造量大、系统结构复杂、投入成本高的问题，且这类立体仓库改造完成后，难以进行系统更新和结构再改造。
3.同时，现有的巷道堆垛起重机主要为机械结构，并不涉及配套使用的监控系统，不便于对巷道堆垛起重机的数据中心精密电源配电柜进行实时监控和技术改造。
4.因此，需要设计一种能够对配电柜进行精确监控的系统，以期解决现有技术中的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高低压配电柜监控系统，通过热成像监控模块进行各电器元件以及线路的精准温度监控。
6.本发明的另一个目的在于提供所述采用所述高低压配电柜监控系统中热成像单元进行的热成像探测方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种高低压配电柜监控系统，包括电源模块、母线电压检测模块、进线回路电流采集模块、出线回路电流采集模块、热成像监控模块、信号处理电路、通讯模块、处理器和数据存储模块；其中，电源模块分别与母线电压检测模块、进线回路电流采集模块、出线回路电流采集模块、热成像监控模块、信号处理电路、通讯模块、处理器和数据存储模块电连接，并向各个模块供电；
9.进线回路电流采集模块的输出端与信号处理电路的输入端通信连接，出线回路电流采集模块的输出端与信号处理电路的输入端通信连接；信号处理电路的输出端与处理器的输入端通信连接；
10.母线电压检测模块的输出端还与处理器的输入端通信连接，处理器的输出端分别与通讯模块的输入端和数据存储模块的输入端通信连接；所述母线电压检测模块用于检测正母线和负母线之间的压差；
11.所述进线回路电流采集模块用于采集进线部分电流并转化为小电流输出给信号处理电路；所述出线回路电流采集模块用于采集出线部分电流并转化为小电流输出给信号处理电路；
12.所述热成像监控模块用于监测整个配电柜的温度变化，出现温度异常时发出报警；
13.所述信号处理电路用于将进线回路电流采集模块和出线回路电流采集模块所采集的电流信号抬高到处理器内设置的模数转换器采样最低点；
14.所述处理器用于接收母线电压检测模块和信号处理电路的电信号，并通过数据存储模块进行存储；
15.所述热成像监控模块包括：
16.热成像单元，用于配电柜内的电器元件以及线路进行非接触的热成像探测；
17.拍照单元，用于对经热成像单元探测的电器元件以及线路进行拍照，获取所述电器元件以及线路的热成像画面；以及
18.分析单元，用于接收所述拍照单元输出的热成像画面，将热成像画面与电器元件以及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，根据比对结果判断所述电器元件以及线路是否正常；
19.热成像单元的输出端和拍照单元的输出端分别与分析单元的输入端通信连接。
20.具体的，所述电源模块采用多路隔离电压输出的方式为各个模块进行供电；其中，电源模块包括两个带带剩余电流装置保护的第一断路器和第二断路器，第一断路器和第二断路器相互并联设置，第一断路器和第二断路器采用双电源末端互投(双电源切换)的供电形式(第一断路器合闸时第二断路器分断，第二断路器合闸时第一断路器分断)，即，第一断路器和第二断路器并联后连接到高低压配电柜中各用电电器。
21.具体的，所述母线电压检测模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和运算放大器，第一电阻的一端与正母线连接，另一端与运算放大器的同相输入端连接；第三电阻的一端与模拟地连接，另一端与运算放大器的同相输入端连接；第二电阻的一端与负母线连接，另一端与运算放大器的反相输入端连接；第四电阻的一端与运算放大器的反相输入端连接，另一端与运算放大器的输出端连接；第五电阻的一端与运算放大器的输出端连接，另一端与处理器连接，正母线电压经第一电阻和第三电阻降压处理后，输入至运算放大器的同相输入端，负母线电压经第二电阻降压处理后输入至运算放大器的反相输入端，然后经过运算放大器的运算处理后获得正母线和负母线之间的检测压差，将其作为第二检测压差输出至处理器。
22.具体的，进线回路电流采集模块采用5a电流互感器，出线回路电流采集模块采用100a/20ma电流互感器。
23.具体的，所述通讯模块为rs485通讯模块。
24.具体的，所述分析单元包括：
25.数据处理单元，接收拍照单元输出的热成像画面，并与电器元件以及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，根据比对结果判断所述电器元件以及线路是否正常；
26.报警单元，用于当数据处理单元判断电器元件以及线路不正常时发出报警信息；以及
27.显示单元，用于显示报警信息和/或电器元件以及线路正常信息；
28.数据处理单元的输入端与拍照单元的输出端通信连接，数据处理单元的输出端分别与报警单元的输入端和显示单元的输入端通信连接。
29.进一步的，本发明还提供了所述采用所述高低压配电柜监控系统中热成像单元进行的热成像探测方法，包括如下步骤：
30.s1：通过阈值对图像进行二值化分割，其中阈值为：
31.其中，为平均灰度值，σi为各部分灰度值的类间差；
32.之后对经过二值化分割的图像分别进行开操作和闭操作后进行连通域运算，得到连通域面积数值，计算后仅保留连通域面积大于amin的连通域作为通过亮度分割结果的候选连通域，记为rt，其中amin＝0.0025*r*c，r和c为连通域的宽和高，检测电器元件的分布位置的roi区域(感兴趣区域)，记为rm；
33.s2：将得到的rt和rm的数值中没有任何的交集的数值融合为一个roi区域，记为rf值；
34.s3：以列为方向统计rf中每列像素点的像素值(具体可以为根据rgb值计算得到的灰度值)的和并构成灰度直方图，通过直方图的峰值和低值能够把区域中的多个电器元件以及线路分开，这样我们将分开后的新的roi记作srf；
35.s4：根据所有行像素的均值对分开后的新的roi区域srf的高度进行截取；
36.s5：滤除不是电器元件以及线路的roi区域；
37.然后可获得各电器元件及线路的热成像画面，与预设的各电器元件及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，即可判断各电器元件及线路是否正常。
38.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
39.1、本发明所述高低压配电柜监控系统通过远程通讯，实现高低压配电柜内数据的集中监控。该系统适用于单路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、单点检测；双路输入、单段输出、双点检测的系统电源输入方式。
40.2、本发明所述高低压配电柜监控系统能够精确地测量配电系统各项参数，包括三相进线的母线电压、频率和2路三相进线的电流、分相和总有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能。
41.3、本发明所述高低压配电柜监控系统能够精确测量36个出线(单相支路的电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、支路)的通断状态等电参量，并可通过热成像监控模块进行各电器元件以及线路的精准温度监控。
附图说明
42.图1为实施例1所述高低压配电柜监控系统中各个模块的连接关系框图；
43.图2为实施例1的母线电压检测模块电路图；
44.图3为实施例1的热成像监控模块框图；
45.图4为实施例1的分析单元框图；
46.图中各个标号含义为：1、电源模块；2、母线电压检测模块；3、进线回路电流采集模块；4、出线回路电流采集模块；5、热成像监控模块；50、热成像单元；51、拍照单元；52、分析单元；520、数据处理单元；521、报警单元；522、显示单元；6、信号处理电路；7、通讯模块；8、处理器；9、数据存储模块。
具体实施方式
47.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。
48.实施例1
49.如图1所示，一种高低压配电柜监控系统，包括电源模块1、母线电压检测模块2、进线回路电流采集模块3、出线回路电流采集模块4、热成像监控模块5、信号处理电路6、通讯模块7、处理器8和数据存储模块9。其中，电源模块1分别与母线电压检测模块2、进线回路电流采集模块3、出线回路电流采集模块4、热成像监控模块5、信号处理电路6、通讯模块7、处理器8和数据存储模块9电连接，并向各个模块供电；
50.进线回路电流采集模块3的输出端与信号处理电路6的输入端通信连接，出线回路电流采集模块4的输出端与信号处理电路6的输入端通信连接；信号处理电路6的输出端与处理器8的输入端通信连接；
51.母线电压检测模块2的输出端还与处理器8的输入端通信连接(图中未示出此连接关系)，处理器8的输出端分别与通讯模块7的输入端和数据存储模块9的输入端通信连接。
52.所述电源模块1采用多路隔离电压输出的方式为各个模块进行供电；其中，电源模块1包括两个带剩余电流装置(rcd)保护的第一断路器qf11和第二断路器qf21，第一断路器qf11和第二断路器qf21相互并联设置，第一断路器qf11和第二断路器qf21采用双电源末端互投(双电源切换)的供电形式(第一断路器qf11合闸时第二断路器qf21分断，第二断路器qf21合闸时第一断路器qf11分断)，即，第一断路器qf11和第二断路器qf21并联后连接到高低压配电柜中各用电电器；
53.如图2所示，所述母线电压检测模块2用于检测正母线和负母线之间的压差；本实施例中：所述母线电压检测模块2包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5和运算放大器a2，第一电阻r1的一端与正母线连接，另一端与运算放大器a2的同相输入端连接；第三电阻r3的一端与模拟地(agnd)连接，另一端与运算放大器a2的同相输入端连接；第二电阻r2的一端与负母线连接，另一端与运算放大器a2的反相输入端连接；第四电阻r4的一端与运算放大器a2的反相输入端连接，另一端与运算放大器a2的输出端连接；第五电阻r5的一端与运算放大器a2的输出端连接，另一端与处理器8连接，正母线电压经第一电阻r1和第三电阻r3降压处理后，输入至运算放大器a2的同相输入端，负母线电压经第二电阻r2降压处理后输入至运算放大器a2的反相输入端，然后经过运算放大器a2的运算处理后获得正母线和负母线之间的检测压差，将其作为第二检测压差输出至处理器8。
54.第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5的阻值根据具体应用场景进行选取，当然每个电阻也可以由多个串联的小电阻构成，本发明对此不做限定。运算放大器a2也可以设置为有源运算放大器，对各个输入端的电压进行比较处理并输出。
55.如图1所示，所述进线回路电流采集模块3用于采集进线部分电流并转化为小电流输出给信号处理电路6；所述出线回路电流采集模块4用于采集出线部分电流并转化为小电流输出给信号处理电路6。本实施例中：进线回路电流采集模块3采用5a电流互感器，出线回路电流采集模块4采用100a/20ma电流互感器。
56.所述热成像监控模块5用于监测整个配电柜的温度变化，出现温度异常时发出报警。
57.所述信号处理电路6用于将进线回路电流采集模块3和出线回路电流采集模块4所采集的电流信号抬高到处理器8内设置的模数转换器(adc)采样最低点。
58.通讯模块7(通讯接口模块)采用通用的rs-485、modbus rtu通讯规约，能实现遥测、遥控、遥信等功能，在本发明中，由于所述高低压配电柜监控系统并不设置显示器结构，所以将所述高低压配电柜监控系统安装于配电柜内后，本地数据的显示需要通过rs-485、modbus rtu通讯规约将数据从通讯模块7传送给设置于配电柜外的触摸屏，此时，需占用通讯模块7的一个通讯口，因此通讯模块7设计为双通讯模式。
59.所述处理器8用于接收母线电压检测模块2和信号处理电路6的电信号，并通过数据存储模块进行存储再通过通讯模块7发送给上位机。
60.本实施例中：所述信号处理电路6采用可控精密稳压源(tl431)进行信号抬高，将所采集的电流信号抬高到最低点也能由adc进行采样处理的程度，所述信号处理电路6总共设有42个信号通路(即电流信号总共有42个)，且42个信号通路分为7组，每组6个信号通路，每组信号通路通过一个单端8通道多路开关(cd4051)进行信号选择，所述单端8通道多路开关由处理器8控制并进行分时导通，在同一时间内有7个电流信号通过信号通路流入处理器8的adc进行模数(a/d)转换。
61.如图3所示，所述热成像监控模块5包括热成像单元50、拍照单元51和分析单元52，热成像单元50的输出端和拍照单元51的输出端分别与分析单元52的输入端通信连接。
62.其中，热成像单元50用于对配电柜内的电器元件以及线路进行非接触的热成像探测；拍照单元51用于对经热成像单元50探测的电器元件以及线路进行拍照，获取所述电器元件以及线路的热成像画面，并将拍照得到的热成像画面传输到分析单元52；分析单元52用于接收所述拍照单元51输出的热成像画面，将热成像画面与电器元件以及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，根据比对结果判断所述电器元件以及线路是否正常。
63.如图4所示，所述分析单元52包括数据处理单元520、报警单元521和显示单元522，数据处理单元520的输入端与拍照单元51的输出端通信连接，数据处理单元520的输出端分别与报警单元521的输入端和显示单元522的输入端通信连接。
64.其中，数据处理单元520用于接收拍照单元51输出的热成像画面，并与电器元件以及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，根据比对结果判断所述电器元件以及线路是否正常；报警单元521，用于当数据处理单元520判断电器元件以及线路不正常时发出报警信息；显示单元522，用于显示报警信息和/或电器元件以及线路正常信息。在实际的应用场景中，数据处理单元520可以在判断电器元件以及线路不正常时向报警单元521及显示单元522发出高电平信号，报警单元521及显示单元522分别根据接收到的高电平信号发出报警信息及显示报警信息。其中，高电平信号还可携带不正常的电器元件及电路的具体信息(包括名称、编号、位置等信息中的一种或多种)，使得显示单元522可以相应地显示出不正常的电器元件及线路的具体信息，以方便维修。
65.本实施例中：所述热成像单元50的热成像探测方法如下：
66.s1：通过阈值对图像进行二值化分割，其中阈值为：
67.其中，为平均灰度值，σi为各部分灰度值的类间差。
68.具体测试时，热成像单元50通过红外摄像头拍照得到配电柜内部的热成像画面，
对热成像画面的处理方式包括但不限于matlab、opencv等方式，还可采用其他方式来实现热成像画面的二值化分割，具体的，对热成像画面采用的matlab、opencv等处理方式均采用本领域的常规方法即可。可选地，在使用matlab方式，在计算阈值θ
ta
时，可根据输入的热成像画面矩阵中每个点的数值，对热成像画面中的各像素点进行灰度赋值，然后可根据各像素点的灰度值统计平均灰度值以及计算类间差σi。例如，平均灰度值为187，各部分灰度值的类间差σi为5，可计算得到阈值θ
ta
为240。
69.之后对经过二值化分割的图像分别进行开操作和闭操作后进行连通域运算，得到连通域面积数值，计算后仅保留连通域面积大于amin的连通域作为通过亮度分割结果的候选连通域，记为rt，其中amin＝0.0025*r*c，r和c为连通域的宽和高，检测电器元件的分布位置的roi区域(感兴趣区域)，记为rm。这里，roi区域的检测提取方式包括但不限于图像掩模方法，具体的，针对roi区域的图像掩模方法采用本领域的常规方法即可，且不是本发明的发明点所在，故不再赘述。例如，掩模是二值图像，感兴趣区域的掩模值设置为255，非感兴趣区域的掩模值为0，其中，可通过opencv中mat函数方法，调用mat(rect).setto方法设置掩模。
70.s2：将得到的rt和rm的数值中没有任何的交集的数值融合为一个roi区域，记为rf值；
71.s3：以列为方向统计rf中每列像素点的像素值(具体可以为根据rgb值计算得到的灰度值)的和并构成灰度直方图，通过直方图的峰值和低值能够把区域中的多个电器元件以及线路分开，这样我们将分开后的新的roi记作srf；其中，灰度直方图可以采用例如matlab、opencv等方式创建。
72.s4：根据所有行像素的均值对分开后的新的roi区域srf的高度进行截取；
73.s5：滤除不是电器元件以及线路的roi区域。
74.以上热成像探测方法中使用matlab、opencv等软件实施的处理方法均采用本领域的常规方法即可。
75.基于上述步骤可获得各电器元件及线路的热成像画面，与预设的各电器元件及线路正常工作时的标准热成像画面进行比对，即可判断各电器元件及线路是否正常。
76.将获得的热成像画面与标准热成像画面进行比对时，可以获取两画面中相同位置处像素点的差值，并根据差值是否超过预设的像素差阈值(根据不同类别电器元件及线路的实际工况进行设备)，即可确定各电器元件及线路是否正常。这里，根据两画面相同位置处像素点的差值判断电器元件及线路是否正常，相当于根据各电器元件及线路的当前温度与正常工作时的标准温度的差值，来判断各电器元件及线路是否处于正常工作状态，从而可实现对各电器元件及线路进行精准温度监控。
77.本发明实施例的高低压配电柜监控系统通过在母线、进线回路和出线回路等处设置检测模块，可以实时精确地配电系统中的各项参数，包括三相进线的母线电压、频率和两路三相进线的电流、分相和总有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等36个出线的通断状态及电参量；而且还可以通过远程通讯，实现高低压配电柜内数据的远程集中监控；以及，通过设置热成像监控模块拍摄配电柜内的电器元件及线路的热成像画面，并与标准热成像画面进行比对，可以判断出电器元件及线路是否处于正常运行状态，从而实现了对各电器元件以及线路的精准温度监控。
78.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
79.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。