戶外端子箱智能溫、濕度控制系統設計

戴宇

摘要：為提高二次電纜絕緣性能，維持戶外端子箱內良好的溫、濕度環境非常必要。文章利用單片機內的PID算法作為溫度控制的調節手段，用單片機控制晶閘管導通角度來控制加熱器兩端電壓，從而使端子箱內溫、濕度保持在最佳狀態，晶閘管的使用確保了該系統不易損壞。實踐證明：文章設計的戶外端子箱智能溫、濕度控制系統具有良好的推廣前景。

關鍵詞：單片機；戶外端子箱；晶閘管；PID算法；溫度；濕度 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）35-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.003

1 概述

變電站戶外端子箱是一次設備與繼保小室內保護、測控等設備的中間環節，電流回路、電壓回路、控制回路、測量回路等多種重要二次回路都在戶外端子箱內轉接。戶外端子箱內的溫、濕度環境與二次回路的絕緣性能以及老化速度直接相關，在雨季潮濕環境下戶外端子箱內凝露積水情況下，二次回路絕緣下降，直流接地或短路；端子箱內長期處于潮濕環境，也會加快端子螺絲、連片生銹，造成二次回路接觸不良、發熱或開路，存在導致保護拒動或誤動的風險。為維護戶外端子箱內二次回路的安全運行，維持端子箱內良好的溫、濕度環境，對戶外端子箱采取防凝露措施具有重要意義。

為解決戶外端子箱容易受潮的問題，在戶外端子箱內裝設溫、濕度控制系統是最常用的技術手段。溫、濕度控制系統檢測端子箱內溫、濕度的情況，當端子箱內凝露以及溫度過低時，控制器啟動加熱器運行提高端子箱內溫度防止凝露產生。當戶外端子箱內溫、濕度條件不滿足時，加熱器自動停止加熱，控制器繼續對戶外端子箱內部溫、濕度進行監測。在實際運行中發現，從廠家購買的驅潮設備普遍存在易壞且損壞后需整塊更換的問題。本文提出設計一款戶外端子箱智能溫、濕度控制系統，目標是采用嚴謹的控制算法以及高可靠性的控制器，研發一套效果良好，不易損壞的溫、濕度控制系統。

2 設計思路

根據凝露形成機理，一般采用兩種方法來控制凝露形成：第一種是通過熱交換器將端子箱內空氣的水蒸氣冷凝成水珠，排出端子箱；第二種是加熱端子箱內空氣溫度，降低相對濕度防止凝露。本文選用第二種方式進行控制。該戶外端子箱智能溫、濕度控制系統以單片機作為主控制器，以編程的方法實現數字PID控制算法，控制器將溫濕度傳感器反饋量通過算法處理后，輸出給執行器（晶閘管）進行加熱或凝露任務。不間斷的反饋與不間斷的任務執行，形成一個閉環的控制系統，確保端子箱內溫、濕度保持在最佳狀態。采用嚴謹的控制算法以最少的動作次數達到最優的控制效果，同時改用晶閘管作為執行器解決繼電器觸頭拉弧損壞的問題。

3 實現方案

3.1 智能溫、濕度控制系統結構

智能溫、濕度控制系統包括單片機微控制器、箱內溫濕度傳感器、地址編碼器、A/D轉換模塊、顯示接口、驅動接口、加熱器組件等，其系統結構圖如圖1所示：

設計一個電源模塊將端子箱內的220V交流轉換成系統所需的工作電源，為系統各個模塊供電。箱內溫濕度傳感器經光電隔離后接入單片機微控制器經過A/D轉換后，采集到端子箱內溫度、濕度數據。顯示接口與單片機相連，將單片機微控制器采集到的溫度、濕度數據顯示出來。單片機微控制器根據溫度、濕度數據以及設定值驅動加熱器進行加熱，以實現防止端子箱內凝露。

3.2 PID控制算法

將系統檢測到的溫、濕度實測值與程序設定值進行比較，通過單片機編程的方法實現數字PID控制，調節實測值與程序設定值之間的偏差以及偏差值作為控制依據，控制晶閘管的導通角的大小以調整加熱器兩端的電壓，達到控制加熱器輸出功率進行溫度控制的目的。

PID控制是一種比例、積分、微分控制模型，該方法結構簡單、魯棒性好，其原理控制框圖如圖2

所示：

如圖2比例項，主要控制加熱的響應速度，積分項主要消除溫、濕度實測值與程序設定值之間的偏差，微分項用于提高系統的穩定性和動態性。

3.3 加熱器組件

由驅動接口、執行器（晶閘管）以及加熱電阻組成的加熱器組件是PID調節的控制端。由箱內溫濕度傳感器實測得到的溫度、濕度數據與程序設定值進行比較后，經PID算法調節單片機微控制器會輸出控制信號，該信號控制晶閘管導通角度，作用于加熱電阻兩端電壓。當戶外端子箱內溫度過高，則晶閘管不導通；如果戶外端子箱內溫度偏低，晶閘管則導通，其導通角的大小與溫度偏差值呈反比。

3.4 工作原理

該系統控制工作原理如下：（1）單片機微控制器設定目標溫度T；（2）箱內溫濕度傳感器檢測溫、濕度信號并經光耦傳送給單片機微控制器，單片機比較溫、濕度實測值與程序設定值，得到偏差值；（3）偏差值進行PID控制算法，經過比例、積分、微分運算，輸出控制信號；（4）控制信號控制晶閘管導通角，加熱電阻兩端電壓變化，進行加熱，改變戶外端子箱內溫度；（5）不斷重復步驟2到步驟5，通過改變加熱電阻兩端電壓來控制溫度。實踐證明，使用本文設計的戶外端子箱智能溫、濕度控制系統，在保持端子箱內溫、濕度處于最佳狀態的情況下，通過控制算法具有最優的控制效果，同時改用晶閘管作為執行器使系統不易損壞，達到了預期目標。

4 結語

在湛江局變電管理所管轄的變電站戶外端子箱都裝上智能溫、濕度控制系統，能夠提高端子箱驅潮的穩定性，防止端子箱內二次電纜受潮銹蝕或短路，同時大大減少采購驅潮設備的費用以及減少繼保人員的檢修任務。此外，戶外箱不僅在變電中廣泛使用，在配網中也存在大量的戶外配電箱、配電柜等，該智能溫、濕度控制系統也可往配網中進行推廣。

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（責任編輯：黃銀芳）