10 kV環網柜溫濕度綜合智能監控系統的研究與實踐

田 浩，邢 軍，楊 敏

（1.岐山縣供電分公司，陜西 寶雞 722400；2.寶雞供電分公司，陜西 寶雞 721004）

0 引 言

目前，現場運行的環網柜中均未安裝溫控和除濕遠程監控系統。隨著負荷的增大，環網柜內部曾發生過因溫度過高而造成柜子故障甚至燒毀。在潮濕季節，還曾發生過柜內電纜隔室潮濕凝露、絕緣降低、放電異常等情況，嚴重時發生過絕緣擊穿導致柜子燒毀的事故。為了解決環網柜溫度過高、潮濕凝露問題，消除本身缺陷帶來的安全隱患，實現具有云處理的遠程監控系統，需要在現有建成的環網柜中安裝智能環境監控和遠程預警系統。智能環網柜環境監控系統，可以將環網柜內溫濕度等環境工況實時傳至運維班，根據工況數據及時開展運行維護工作，確保設備安全可靠運行。

該項目研究主要通過環境監控系統解決環網柜現場因為過溫、潮濕凝露而造成的設備故障。同時，通過基于無線專網與云處理實現遠程監控，一旦出現異常，遠程監控的值班室或手機APP就能發出報警信息，告訴人員具體異常的環網柜。同時，環網柜內加裝的除濕加熱器及冷卻風扇根據定值自動投切運行，保障了環網柜運行的穩定性和安全性，也便于運檢人員及時準確處理異常狀況，最大限度降低故障率。

該項目研究解決了環網柜內部過溫過熱無法預知報警問題，防止凝露產生，保障封閉式開關柜安全穩定運行，實現了環網柜的無人值班和遠程監控，促進了環網柜設施的智能化監控建設，同時大大降低了環網柜的故障率，保障其安全穩定運行，維護了用電安全，提高了電力系統服務信譽，節省了運行維護人力和生產成本，且有效監視了環網柜環境工況。

1 項目研究主要技術內容

1.1 項目主要研究內容采用的技術手段和方法

為了加強遠程輔助監控系統的建設，經多方論證，將如何監控環網柜中的環境參數作為研究方向，以建立環網柜內的溫濕度監控為目的，進行了以下項目的技術研究。

陜西屬于溫帶大陸性季風型半濕潤氣候，年溫差較大，四季分明，降雨集中，晝夜溫差明顯，易導致環網柜內出現凝露現象，形成安全隱患。夏季日照強，溫度高，易造成環網柜內過溫，導致熔斷室熔絲燒毀、柜子燒毀等故障。電纜溝易積水，空氣潮濕，易造成環網柜內潮濕并產生凝露，造成安全隱患。環網柜多位于戶外，雖然運維人員可以定期巡檢，但不能做到24小時值守。如沒有柜內環境監視和控制，沒有遠程實時預警系統，將不能及時排除封閉式開關柜內的安全隱患。隨著電力系統的不斷發展，運維工作量不斷加大，環網柜運行環境單靠人員定期現場跟蹤檢查已不能達到確保安全運行的要求，且不能實現實時監控，給安全運行帶來了巨大隱患。

針對以上情況，建立環網柜內濕度監控系統和遠程預警系統已經是必然趨勢。該系統分現場設備層、專網通信層和應用層?，F場設備層能夠有效解決環網柜內部過溫問題，除濕防凝露，預警柜內火災，保障環網柜的安全穩定運行。通信層通過專網系統進行數據的無線遠程傳輸。應用層是基于通信層建立的專網，與現場設備層進行數據交換，在顯示終端如計算機、手機的應用軟件上進行遠程監控，實現了人機交互和環網柜徹底的無人值守。

1.1.1 現場設備層技術手段和方法

環網柜的現場設備層采用的溫濕度監控系統，包含了控制器、系統模塊、除濕加熱器和封閉良好的冷卻風扇。它可以監測環境中的溫度、濕度、露點溫度和煙霧濃度，還能夠根據當前環境的狀況，通過遠程云服務器智能控制啟停加熱器和冷卻風扇，分別解決潮濕凝露的產生和過溫現象的發生。它能感應環境中的煙霧濃度來預警柜內火災。當柜內有煙霧產生時，能自動關閉加熱器和風扇[1]，避免事故擴大，便于及時處理。

環網柜中每個隔室的環境參數因運行狀態、外界因素的不同，存在一定的差異。溫濕度監控系統通過環網柜間隔中的每個系統模塊，實現對環網柜的溫度、濕度、露點溫度和煙霧濃度數據的采集，通過Modbus規約RS485通信接口連接智能終端模塊，進而將數據上傳至云服務器上[2]。云服務器會通過專業的算法或用戶的指令將控制命令下達至環網柜中的控制器，進而控制除濕加熱器和冷卻風扇，實現對環網柜的環境治理。

1.1.2 專網通信層技術手段和方法

通信系統由智能終端、基站和智能云平臺組成，如圖1所示。系統成本低、功耗小，支持星形拓撲結構，可擴展性和可伸縮性好，能很好地解決目前環網柜建設過程中面臨的設施分散、不利于集中監測的問題。

圖1 通信系統組成圖

（1）監控節點與基站通信

溫濕度及煙霧傳感器采集環境數據，然后監測節點以擴頻的433 MHz無線鏈路方式傳送至基站。

（2）基站與后臺服務器通信

基站通過3G/4G網絡或者有線網絡將數據上傳到云端服務器，實現遠端對環網柜運行狀態實時監控。

1.1.3 應用層手段和方法

整個系統由前端數據采集終端、無線通信終端、無線通信基站、云端服務器、APP交互界面、PC端、控制系統和執行系統組成。用戶端可以通過APP交互界面或者PC端的管理頁面進行設備管理。

本著對系統不斷增加設備和擴容的考慮，系統設計時采用模塊化設計，方便在不同階段增加、修改、刪除設備功能。系統客戶端靈活配置，極大地避免了傳統軟件系統全部定制的弊端，避免了系統軟件大規模的開發工作，減小了人力成本。

1.2 項目實施過程、結果及技術分析

為了解決環網柜過溫、潮濕凝露等引起的故障問題，實現遠程值班室實時監控，在環網柜內部安裝了溫濕度監控系統，并組建了通信專網，實現了值班室對環網柜的實時監控。該系統可以很好地解決開關柜內部過溫問題，防止凝露產生，并可以預警柜內火災，保障封閉式環網柜安全穩定運行。環網柜無人值班和遠程監控的實現，極大地促進了環網柜生產智能化監控建設，大大節約了運行維護人力及生產成本，并有效監視了環網柜運行環境工況。

在一組環網柜中，如二進四出的環網柜，應配置一套電源系統和一套溫濕度監控系統。電源系統可采用光伏發電系統、CT取電系統或PT取電系統，根據每組環網柜特點，采取三種取電方式的一種。

溫濕度監控系統包含1臺控制器、6塊系統模塊、6塊加熱器和1臺過濾風扇?？刂破魍ㄟ^系統模塊獲取到溫度、濕度或煙霧濃度等數據，經過云處理后得出對應模塊的露點溫度，并發送相應的指令給溫濕度監控系統，進行相應的除濕或冷卻處理。同時，通過本身配置的RS485通信接口，將狀態數據和報警數據上傳給通信層。溫濕度監控系統通過露點來控制除濕技術智能投切加熱器，進而解決柜內凝露問題，智能開停加熱器，避免加熱器長時間過熱造成安全隱患，在實現實現節能的同時，延長其使用壽命。露點控制技術是根據當前環境中的溫度、濕度動態實時得出凝露點溫度，并在達到凝露溫度前啟動加熱器[3]，以此實現柜內無凝露，有效延長了柜內電子元器件的使用壽命。柜內溫濕度監控系統可以感知導體過熱導致的煙霧，當煙霧濃度高于設定值時會進行煙霧報警，防止柜內發生火災。該系統可將監測數據通過環網柜監控系統傳輸至運維班，實現遠程監控。

安裝有溫濕度監控系統的環網柜從安裝完成至今一直安全穩定運行，在此期間柜內未出現凝露。實時監測環境中的溫濕度、凝露溫度、煙霧濃度等環境參數，并將監測到的數據遠程傳輸至控制中心。位于值班室的值班人員在控制室便可掌握開關柜中的環境信息，減少運維人員的巡檢次數，有效降低了人力資源成本，且設備監控設備的方式也更加準確有效。生產運行安全問題講究“防消結合，以防為主”。機柜環境的局部過溫解決方案和凝露點控制方案著眼于防，煙霧報警方案著眼于火災萌芽期的消，防消結合，可保障設備更加智能化和高安全化運行。

1.3 項目研究的關鍵技術及創新性研究內容

環網柜環境監控及遠程預警系統在現場設備層、專網通信層以及應用層都采用了國內外領先的技術。

1.3.1 現場設備層的關鍵技術及創新性研究內容

安裝在環網柜中的溫濕度監控系統可解決開關柜內部過溫問題，防止凝露產生，預警柜內火災，保障封閉式開關柜安全穩定運行，實現環網柜的無人值班和遠程監控，提高環網柜的智能化監控建設，同時大大節省了運行維護人力和生產成本，有效監視環網柜環境工況。

環網柜中的溫濕度監控系統的露點控制除濕技術、煙霧監測預警和防止燒毀故障以及配置的RS485接口通信功能都國內外領先。眾所周知，凝露主要與溫度和濕度的動態變化相關，是兩個參數相互作用的結果，只依據溫度或濕度除濕是不科學的。溫度越高，空氣中含有的最大水蒸氣量越多，溫度越低則越少。即便水蒸氣量恒定，如果溫度變化，濕度也會變化，如圖2所示。如果從溫度為20 ℃、相對濕度為60%的狀態下，僅使溫度降到15 ℃，那么相對濕度就會上升到82%。如果溫度進一步降低，濕度超過100%，空氣中的水蒸氣就會呈水滴狀態。此時的濕度稱之為露點，該水滴為結露的主體。例如，溫度20 ℃、濕度60%的空氣露點為12 ℃，如圖2所示。12 ℃以下時，就會發生結露。可見，產生凝露的溫度即露點溫度主要是由環境中的溫度、濕度兩種因素共同決定的。

圖2 溫度和濕度的動態變化圖

普通的電子式溫濕度傳感器只能機械地感知溫濕度，在溫度或濕度達到設定值時啟動加熱器。單純根據環境中的溫濕度而不是最準確的露點溫度啟停加熱器，可避免產生凝露。這種方式沒有最準確的防止凝露的依據。

溫濕度監控系統根據數據庫得出的露點溫度，在產生凝露前啟動加熱器，有效避免了凝露的產生，真正做到了有據可依，同時大幅降低了柜內元器件被凝露侵蝕的可能性，有效延長了其使用壽命。

溫濕度監控系統采用智能投切加熱器解決柜內低溫問題。不同隔室中，溫濕度和露點溫度會有差異。當某一隔室需要啟動加熱器時，其他隔室不一定需要啟動，此時系統只啟動需要進行升溫隔室的加熱器。與普通電子式溫濕度監控器相比，能夠有效節能，消除加熱器本身帶來的安全隱患。

環網柜在發生燒毀故障時，往往先有過溫時的煙霧產生，因此監測環網柜煙霧可有效預警環網柜的燒毀故障。此外，一旦環網柜發生燒毀先兆時，溫度往往過高，此時傳統的溫控器會在此狀況下啟動風扇冷卻，反而起到了助燃作用。NPT的溫濕度監控系統利用煙霧監測發現發生煙霧時，可自動停止風扇和加熱器運行，及時預警，最大限度降低故障帶來的危害。

溫濕度監控系統采用Mod-bus規約RS485通信接口，可將監測的溫濕數據通過專網通信系統傳輸至運維班。運維人員在班部即可掌握開關柜內部溫濕度、露點溫度、煙霧濃度，實現遠程監控。溫濕度監控系統由控制器（簡稱EMC）和系統模塊組成，系統模塊主要有TH模塊、GAII模塊等?？刂破髋c系統模塊通信采用RS485接口/自定義規約，控制器是主機，系統模塊是從機，控制器最多帶15個系統模塊?？刂破髋c上位機通信采用RS485接口/Modbus-RTU規約，上位機是主機，控制器是從機。

該系統采用閉環控制，在反饋控制系統中不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統的響應特性，根據控制結果不斷調整控制信號，使控制精度更高。

1.3.2 專網通信層的關鍵技術及創新性研究內容

（1）組網靈活，大容量

自主開發中間件可兼容多種通信模式，實現不同通信協議異構物聯網網絡的接入和訪問，組成一個可連接各種感知終端的有機通信網絡平臺。特有承載力較高，一般一個站點可接入數千個終端。

（2）長距離，低功耗

基于低功耗、長距離擴頻通信技術的物聯網解決方案，具有高達+157 dB接收靈敏度，大范圍的長距離通信，覆蓋范圍大于15 km，且具有極小的設備工作功率，電池使用壽命大于5年。

（3）模塊化，分布式

智能系統基于通用網管的思想，在通用管理功能的基礎上，可提供特殊行業的管理功能，實現對終端設備的模塊化和分布式管理。本系統可大可小，可深可淺，可單獨使用，也可聯合使用，可在后續部署中實現無縫升級、合并和擴容。

（4）易部署，低成本

可在免費頻段部署低成本、長距離、大容量的基站。市區覆蓋5 km，郊區最遠可達15 km，建網時可使用更少的設備，節約硬件成本，節約人工成本，使得建設成本非常低廉。

（5）通信模塊價格低廉，傳輸距離大

可以替代傳統物聯網的各種通信技術，如Zigbee、藍牙、GPRS等，無需復雜的整合設計，降低了開發、部署成本。

（6）易使用，集中化管理

同時支持移動和固定節點，適用性更廣。系統將多種管理功能集成到一個平臺，可以對數據和設備進行更有效的管理，提高管理效率和服務質量，還可以節約資源，實現低碳低污染的智能環保型經濟模式。

1.3.3 應用層的關鍵技術及創新性研究內容

應用層使用APP實現主要的功能，如故障定位、查看等，并逐步以使用微信企業號的形式將有效信息及時發送相關責任人，使用最主流的通信模式，使得一線工作人員快速接收。

2 研究成果實際應用及效果

在環網柜中安裝溫濕度監控系統后，柜內未出現過溫、凝露，也未發生過相關故障。該系統實時監測環網柜環境中的溫濕度、凝露溫度、煙霧濃度等環境參數，并將監測到的數據遠程傳輸至控制中心，提高了運維效率。

2.1 避免因過溫、凝露、火災引發的環網柜故障

（1）智能控制冷卻風扇，解決了柜內過溫問題，有效節能的同時，增強了環網柜運行的穩定性和安全性。

（2）露點控制技術除濕，根據當前溫度、濕度和大氣壓計算出凝露點溫度，在達到凝露溫度前啟動加熱器，實現無凝露和閉環反饋，實效性好，且有效延長了柜內電子元器件的使用壽命。

（3）煙霧分析和報警，實現柜內電氣火災預警。

（4）綜合故障報警，方式有蜂鳴器和無源觸點，如過溫、低溫、凝露和煙霧報警。

（5）目標啟動溫度（可設置），解決柜內其他設備啟動溫度的要求。

（6）帶時間戳的柜內環境記錄，便于維護和分析。

2.2 實現了環網柜遠程環境參數監控

環網柜中溫濕度監控系統采用設備監控設備的方式，實時監測環境中的溫濕度、露點溫度和煙霧濃度，可感知導體過熱導致的煙霧，預警柜內火災；可以通過控制加熱器，實現機柜露點控制，防止凝露產生。溫濕度監控系統通過Mod-bus規約RS485通信接口將監測參數通過環網柜輔助監控系統傳輸至運維班，運維人員在班部即可掌握柜內溫濕度、露點溫度、煙霧濃度，實現遠程監控[4]。

2.3 提升工作效率

（1）環網柜溫濕度監控系統采用Mod-bus規約RS485通信接口可將監測參數通過環網柜輔助監控系統傳輸至運維班，運維人員在班部即可掌握柜內的環境參數，增強了運維人員的巡檢效率。

（2）環網柜溫濕度監控系統能夠智能控制投切加熱器，當柜內溫度低或即將到達露點溫度時，會立即啟動加熱器，防止設備低溫運行或產生凝露。發現問題會及時解決問題，減少運維人員巡檢次數，有效提高效率。

2.4 運營維護成本降低

（1）減少人員下站和出車頻次，降級車輛損耗和車輛油耗，即降級了生產成本。

（2）溫濕度監控系統能夠助力環網柜無人值守，減少運維人員人數及巡檢次數，節約人力資源成本。

與沒有配置該系統的環網柜相比，配置該系統的環網柜可靠性和穩定性更高，可有效避免因環境問題造成的各種隱患和損失。

3 創新點

采用可視化監控平臺和高度靈敏的溫濕度報警裝置，基于FPGA技術，實現了對環網柜環境的實時監控和溫濕度智能化報警，可實時掌握設備運行環境狀態。對溫濕度、煙霧濃度等參數設定定值，當環境因素超過設定的狀態值時，自動啟動報警系統并發送信息給相關運維人員，極大地提高了運維效率，降低了人工成本。

基于Verilog HD高級語言，結合PID控制技術，實現了遠程邏輯控制及溫濕度自動化投切，實現了對環網柜環境的自動化調節。若環網柜運行環境狀態出現異常，柜內安裝的除濕加熱器和冷卻風扇等設備就會自動投切運行，直到溫濕度達到預設范圍。環境定值也可以根據季節、工作需要等遠程調整，極大地縮短搶修工作時長，滿足用戶的供電需求。

采用基站網絡架設技術，應用Mod-bus規約RS485通信及高度加密技術，實現了可靠性網絡聯絡。環網柜無線傳輸方式選擇了基站傳輸模式，即基站范圍內所維管設備通過高級加密設置連接至系統，避免了通過手機通信聯絡方式可能產生的異動侵入，保障了傳輸信號質量和安全，滿足了配網自動化網絡的要求。

4 結 論

通過現場應用，該成果有效解決了環網柜溫濕度數據監測及實時控制的難題，實現了預期目標。一是運維人員能通過APP和PC端實時了解環網柜的溫濕度及煙霧數據；二是利用云處理技術能對數據實時分析并下達指令；三是根據指令完成對環網柜溫濕度、凝露的有效治理，改善了環網柜運行環網，確保了用電安全。