Программно-аппаратные средства многоканального оптико-электронного прибора дистанционного контроля высоковольтного оборудования

Актуальность темы

В энергетике и электрическом транспорте в настоящее время эксплуатируется большое количество разнообразного высоковольтного электрооборудования (ВЭО), которое требует постоянного контроля технического состояния для обеспечения безаварийной эксплуатации. Дефекты ВЭО проявляются по значению избыточной температуры и интенсивности частичных электрических разрядов. В настоящее время находят распространение многоканальные* приборы дистанционного контроля (МПК) технического состояния ВЭО, способные выявлять дефекты одновременно по наличию температурных аномалий и частичных электрических разрядов. Однако" предложенные на1 рынке МПК обладают рядом недостатков: высокая стоимость, низкий уровень автоматизации, несоответствие отдельных технических характеристик приборов требованиям задач диагностики ВЭО. Кроме этого, сдерживающим фактором широкого внедрения МПК является* несовершенство или отсутствие методического обеспечения диагностики.

В сложившейся ситуации представляется" актуальной задача разработки МПК, обеспечивающего необходимую достоверность контроля объектов энергетики при снижении стоимости прибора. Решение задачи представляется возможным путем сочетания в приборе датчика электрических разрядов ультрафиолетового диапазона, высокочувствительной видеокамеры, инфракрасного модуля для регистрации теплового излучения, пространственно-временного накопления сигналов, программных способов обработки, и представления многоканальной информации.

Существенной частью этой задачи является разработка программно-аппаратных средств (ПАС) МПК, обеспечивающих повышение качества отдельных, а также совмещенных тепло-телевизионных изображений.

Объект исследования — приборное обеспечение дистанционного контроля ВЭО.

Предмет исследования — аппаратные и программные средства многоканального оптико-электронного прибора контроля ВЭО.

Цель работы:

Разработка программно-аппаратных средств для оптико-электронного многоканального прибора, расширяющего количество контролируемых признаков и позволяющего повысить вероятность обнаружения дефектов ВЭО.

Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования.

1. На основе анализа характеристик дефектов ВЭО разработать архитектуру автоматизированного многоканального прибора на базе тепловизионного, высокочувствительного телевизионного (ТВ) и ультрафиолетового каналов, реализация которой обеспечивает стабильность выходных параметров, повышает быстродействие, надежность и гибкость системы.

2. Разработать алгоритмы и программно-техническое обеспечение процессов управления, обработки и накопления изображений для повышения информативности и достоверности контроля ВЭО.

3. Разработать способ совмещения тепловизионного и телевизионного каналов, повышающий точность совмещения изображений.

4. Провести лабораторные и, натурные испытания экспериментального образца прибора.

Методы исследования: В работе использованы теория конструирования оптических приборов, теория информации, математические методы обработки информации и, в частности, корреляционный анализ. Исследования проводились с использованием среды моделирования МаЙаЬ, лабораторных и натурных экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Предложена и экспериментально обоснована концепция построения автономного автоматизированного прибора для задач контроля ВЭО, состоящего из высокочувствительного телевизионного, тепловизионного и ультрафиолетового каналов с программным совмещением и обработкой многоканальной информации, реализованной в приборе на базе встраиваемой операционной системы.

2. Разработан способ двухступенчатой коррекции параллакса многоканальной системы, включающий этапы совмещения изображений при фокусировке прибора на объект с последующей программной коррекцией7 на* основе корреляционного анализа совмещаемых изображений.

3. Разработан алгоритм пространственно-временного накопления кадров видимого и тепловизионного каналов, позволяющий в условиях постоянных смещений поля^ зрения прибора при работе с рук снизить пространственные шумы, вызванные неоднородностьючувствительности элементов фотоприемника.

4. Осуществлена автоматизация процессов управления, обработки и накопления информативных сигналов, которая облегчает и ускоряет процессы обработки информации, путем разделения осуществляемых функций между двумя процессорами, повышает гибкость системы, информационную и метрологическую надежность, в том числе с использованием, самодиагностики.

На защиту выносятся.

1. Концепция построения автономногоавтоматизированного прибора для задачконтроля ВЭО, состоящего из телевизионного, тепловизионного и ультрафиолетового каналов с программной обработкой многоканальной информации, реализованной на базе встраиваемой операционной системы.

2. Способ двухступенчатой коррекции параллакса многоканальной системы, включающий этапы совмещения изображений при фокусировке прибора на объект с последующей программной коррекцией на основе корреляционного анализа совмещаемых изображений. и.

3. Алгоритм пространственно-временного накопления кадров на основе анализа и накопления опорных фрагментов видимого и тепловизионного каналов, позволяющий в условиях постоянных смещений поля зрения прибора при работе с рук снизить пространственные шумы, вызванные неоднородностью чувствительности элементов фотоприемника.

Практическая ценность. Предложенная концепция' построения легла в основу разработки ОАО «Красногорский4 завод им. С.А. Зверева» экспериментального образца прибора ТТП-1, о чем имеется акт внедрения. Проведены лабораторные и натурные испытания^ прибора, планируется его серийный выпуск. Испытания. показали, что прибор может быть использован-в качестве средства контроля технического состояния высоковольтного электрооборудования. Эффективность разработанного прибора контроля подтверждена'' практикой! диагностики электрооборудования на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги по согласованной программе, о чем имеется соответствующий акт.

Достоверность и обоснованность полученных результатов теоретических и практических исследований подтверждена согласием с результатами исследований" других авторов, лабораторными и натурными экспериментами. Предложенный способ коррекции параллакса подтвердил свою работоспособность применительно к задаче пространственного совмещения тепловизионного и телевизионного каналов с более точными результатами по сравнению с аналогами.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке концепции построенияразрабатывал электрические схемы, алгоритмы и программное обеспечения модуля управления прибором, настраивал экспериментальные образцы прибора, осуществлял внедрение и сопровождение на производстве экспериментального образца прибора, участвовал в лабораторных и натурных испытаниях на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008), Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008), XXI всероссийской* межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в. энергетических установках, струйная акустика» и’диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ материалов и изделий" (Казань, 2009).

Публикации. По теме диссертации’опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение.

Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий' и затрагивает следующие области исследования.

Техническое решение, состоящее в создании программного обеспечения для обработки изображений (пространственно-временное накопление сигнала) в сочетании с высокочувствительной ТВ камерой, давшее возможность визуализации электрических разрядов с чувствительностью, сопоставимой5 с электронно-оптическими преобразователями, при более низкой стоимости, соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля^ природной среды, веществ, материалов и изделий» паспорта специальности.

Разработанный МПК энергетических объектов, прошедший испытания и внедрение в ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности.

Разработанные ПАС автоматизированного МПК энергетических объектов, его алгоритмы и компьютерные программы реализации, позволяющие представить совмещенное изображение каналов прибора, соответствуют п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» паспорта специальности.

Концепция построения МПК, сочетающая в приборе три информативных канала, расширяющая количество контролируемых признаков и повышающая информативность и достоверность контроля, а также разделяющая функции обработки информации, управления и контроля между двумя раздельными процессорами с повышением быстродействия, надежности и гибкости системы, соответствует п. 7 «Методы повышения информационной и метрологической надежности приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, диагностика приборов контроля» паспорта специальности.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и библиографии. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 14 таблицбиблиографический список включает 92 наименования.

Выводы по главе 4.

Как показали натурные испытания, в сравнении с аналогами, макет ТТП по чувствительности и пространственному разрешению соответствует требованиям, предъявляемым к приборам профессиональной категории.

Натурные испытания на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги подтвердили эффективность прибора, по результатам которых были выявлено 48 дефектов оборудования.

Сравнительные испытания трех каналов показали, что тепловизионный контроль позволяет обнаружить потенциальный дефект на ранней стадии его развития, до появления разрядов. В то же время при обнаружении одновременно тепловых аномалий в ИК диапазоне и разрядов в видимом и УФ диапазонах можно выявлять развившийся дефект.

Таким образом, исследования показали, что разработанный прибор обладает достаточно высокими параметрами для его применения в целях контроля технического оборудования. Совместное применение каналов разных спектральных диапазонов создает преимущества при выявлении новых признаков наличия дефектов, повышает достоверность и информативность контроля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе технических требований к аппаратуре приборов контроля высоковольтного оборудования предложены программно-аппаратные средства многоканального прибора контроля. Данные программно-аппаратные средства отличаются следующими особенностями:

1) Расширением количества контролируемых признаков, повышающие информативность и достоверность контроля, и включающие независимые оптические каналы наблюдения: высокочувствительный телевизионный, работающий в спектральной области 0,4— 1,0мкмтепловизионный, чувствительный в области 8−14мкм, и дополнительный ультрафиолетовый канал, чувствительный в области спектра 185−260 нм.

2) Открытой архитектурой построения на базе встраиваемой операционной системы, обеспечивающей возможность легкой смены программного обеспечения, модульность конструкции, легкость модернизации и позволяющей легко адаптировать прибор под нужды потребителя.

3) Автоматизацией процессов обработки и накопления информативных сигналов, которые обеспечивают достоверность выходных параметров, облегчают и ускоряют процессы обработки информации.

Предложено доступное альтернативное решение для обнаружения и визуализации электрических разрядов, не требующее дорогостоящих элементов, на основе ультрафиолетового канала обнаружения и высокочувствительного телевизионного канала визуализации ЭР.

Оценка ультрафиолетового канала показала, что КР на элементах исправных конструкций ВЛ 150−300 кВ и на дефектах проводов изоляционных конструкций ВЛ 35 кВ с ЭР в диапазоне 100−1000 нКл, обнаруживаются УФ каналом путем измерения интенсивности излучения на расстоянии до 80 м.

После обнаружения УФ каналом пороговый заряд ЭР в 1 нКл может быть визуализирован телевизионным каналом в режиме интегрирования на расстоянии 20 метров.

Разработан блок управления, построенный на базе микроконтроллера ATmegal28 с RISC-архитектурой. В блоке управления реализованы решения, обеспечивающие автоматизацию обработки информативных сигналов, периодическую самодиагностику отдельных узлов прибора и стабилизацию выходных сигналов в номинальных диапазонах, что повышает метрологическую надежность прибора при эксплуатации.

Разработан алгоритм двухступенчатой коррекции параллакса при использовании каналов с высоким пространственным разрешением, включающий механический и программный этапы, и обеспечивающий попиксельную точность пространственного совмещения изображений при отношении S/N более 2,5. В отличие от ручной коррекции, представленный алгоритм обеспечивает независимость точности совмещения от влияния различных факторов, таких как погрешности в юстировке, изменение температуры и др., не возлагая жесткие требования к системным ресурсам.

Предложен алгоритм пространственно-временного интегрирования изображений, позволяющий повысить отношение S/N в заданное число раз, одновременно снижая пространственные шумы в условиях смещений поля зрения прибора в процессе наблюдения.

Для тепловизионного канала использование алгоритма пространственно-временного интегрирования снижает порог температурной чувствительности в регулируемое число раз. Для телевизионного канала использование алгоритма позволяет установить местонахождение зон свечения электрических разрядов, не обнаруживаемых обычным путем. Отличительной особенностью предложенного алгоритма заключается в том, что интегрирование видеоинформации осуществляется не только по времени, но и по пространству в процессе перемещения поля зрения прибора относительно объекта съемки.

Одновременное использование обоих алгоритмов и реализация их в диссертации в виде программ позволяет представлять видеоинформацию в виде единого двухспектрального, интегрированного изображения, которое по информативности превосходит каждое из отдельных каналов.

Разработанные программно-аппаратные средства легли в основу разработки ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» экспериментального образца прибора ТТП-1 в виде установочной партии из десяти образцов прибора. Как показали натурные испытания, в сравнении с аналогами макет ТТП по чувствительности и пространственному разрешению соответствует требованиям, предъявляемым к приборам профессиональной категории.

Сравнительные испытания трех каналов показали, что тепловизионный контроль позволяет обнаружить потенциальный дефект на ранней стадии его развития, до появления разрядов. В то же время при обнаружении одновременно тепловых аномалий в ИК диапазоне и электрических разрядов в видимом и УФ диапазонах можно выявлять развившийся дефект.

Таким образом, исследования показали, что разработанный прибор обладает достаточно высокими параметрами для его применения в целях контроля технического оборудования. Совместное применение каналов разных спектральных диапазонов создает преимущества при выявлении признаков наличия дефектов и повышает достоверность и информативность контроля. Использование трех каналов МПК позволяют по совокупности измеряемых характеристик принимать технические решения о поддержании эксплуатационной надежности оборудования, а также уменьшить издержки при ликвидации аварийных ситуаций.