基于NB-IoT的戶外端子箱溫濕度監測系統

蔡岳峰，羅 斌，楊 曦

（浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 杭州 311232）

端子箱作為變電站中承擔一次設備和二次設備聯系包括保護回路、控制回路、測量回路等回路中相關量的獲取的重要組成部分，其運行的狀況直接影響到整個變電站的安全和健康。由于端子箱一般處于戶外，常年經風吹、日曬、雨淋等，造成端子箱往往會發生銹蝕、進水、凝露等現象，易引起二次回路的絕緣降低，繼而形成接地短路，對設備的正常運行和事故處理產生不利的影響。而目前變電站中對設備的監測并不包括對端子箱，往往只有等問題發生或者在定期的檢查才能發現，不能提前發現問題并及時處理，給安全運行埋下了隱患。同時，由于現場工作人員的疏忽或者端子箱自身的原因，有時候會發現箱門沒有及時關閉，在有雨的天氣容易造成雨水的進入，易造成短路、接地等故障，影響設備的安全運行[1]。

針對上述存在的問題，本文擬設計一套變電站端子箱溫濕度監測系統，實現對戶外端子箱內的溫濕度（包括凝露、門禁）的在線監測，從而快速而準確地掌握端子箱內工況，并對有問題的端子箱及時處理，避免對設備的安全運行產生影響。

1 系統需求分析

鑒于變電站端子箱所處的環境以及具有的重要性，端子箱內一般都安裝了驅潮加熱設備如加熱器，但是對端子箱內的溫濕度是否在合理的范圍內、有沒有凝露等信息依舊是無法及時獲取，不能有效的解決目前存在的問題。事實上，由于加熱器的功率、安裝位置以及環境溫濕度等相關因素，造成加熱器并不能很好的解決端子箱內濕度大、凝露等問題。另外，由于各種原因造成的端子箱門未關閉依舊靠人工巡視因此，希望采用的系統能有以下相關功能：

為了能時刻獲取端子箱內的溫濕度情況，希望該系統能實時監測溫濕度數據。另外，可根據現場實際情況設定閾值，并進行告警；

當端子箱內有凝露發生時，能夠檢測到，并及時發出告警[2]；

當現場端子箱箱門位置發生變化時，能及時偵測到，并對發生的變化情況進行提醒；

對測量的數據實現存儲、顯示以及分析等功能。

2 系統總體設計

根據上述的需求，本文設計了一套端子箱溫濕度監測系統。該系統主要由安裝于端子箱內的溫濕度監測模塊和遠程后臺2 部分所組成。其主要工作原理為：溫濕度監測模塊通過相關的傳感器獲取端子箱內的溫濕度、凝露以及門禁的相關數據，通過網絡將數據發送至遠程監測后臺。遠程后臺將獲取的數據進行存儲、顯示以及提供數據的分析功能。

考慮到變電站現場端子箱一般分布面積大且比較分散，如果采用有線傳輸，則現場布線存在工作量大、成本高且后續維護復雜等缺點。因此，無線傳輸就成為該系統比較好的選擇。同時，由于避免裝置外接電源或者頻繁更換電池等，需要設備具有低功耗的特點。低功耗廣域網（LPWAN）具備廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接的特點，能很好的滿足上述需求。

低功耗廣域網又可以分為以下2 類：一個是工作于未授權頻譜的如LoRa；一個是工作于授權頻譜下如NB-ⅠoT。LoRa、NB-ⅠoT的區別主要在于頻段、服務質量和成本幾個方面。其中LoRa工作在1 GHz以下的非授權頻段，在應用時不需要額外付費。而NB-ⅠoT使用1 GHz以下的授權頻段，需要付費但能保證服務質量。另外，由于LoRa是由Semtech公司推出的一款基于1 GHz 以下的超長距低功耗數據傳輸技術，而NB-ⅠoT標準的制定中國公司占據重要地位。綜合考慮到數據的可靠性、成本、安全性等，本文中采用NB-ⅠoT實現無線數據的傳輸。該系統的結構圖如圖1所示。

圖1 溫濕度監測系統結構圖

3 溫濕度監測裝置設計

為了避免從端子箱新引出接線來給裝置提供電源，本設計在采用低功耗的相關元器件來設計溫濕度監測裝置的基礎上，采用鋰電池供電[3-5]。該裝置主要包括以下4個部分，其結構如圖2所示。

圖2 溫濕度監測裝置結構圖

溫濕度測量：采用溫濕度傳感器獲取端子箱內的溫濕度數據：本設計中對溫濕度的測量采用瑞士Sensirion 公司生產的具有接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器SHT11，其包括一個電容式聚合體測濕原件、一個能隙式測溫元件、一個14位的A/D 轉換器，以及串行接口電路，具有測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償的濕度測量值和高質量的露點計算功能。

其中，露點是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達到的最低溫度。當空氣的溫度低于露點時，空氣容納不了過多的水分，這些水分會變成霧、露水或霜。露點可以根據當前相對濕度值和溫度值計算得出。

凝露探測：采用水滴傳感器，當有凝露發生在水滴傳感器表面，即導通回路發出信號：水滴傳感器為一塊表面布滿柵極電極的面板，當其表面有水滴時，則會輸出低電平，可放置在端子箱內易凝露或積水處。

門禁監測：通過在門和箱體分別安裝門磁接近開關部件（干簧管和永久磁鐵），當門和箱體的距離大于或者小于一定的距離時，將回路斷開或者接通，從而產生相應信號。干簧管有兩片端點處重疊的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，簧片的作用相當與一個磁通導體。再靠近（遠離磁場）時，通過簧片的吸合（釋放）導通（斷開）電路。

數據通信模塊：采用上海移遠通信的BC28，其是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-ⅠoT無線通信模塊，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 頻段。其緊湊的尺寸、超低功耗以及超寬工作溫度范圍能很適合本文的系統設計。

中央處理器：采用意法半導體公司的超低功耗的STM32L0 系列單片機進行各傳感器以及NB-ⅠoT的控制。

4 遠程后臺設計

現場發送至后臺的數據，為了便于運維人員查看和分析，還要對進行可視化顯示[6]，如圖3所示。

圖3 后臺顯示示意圖

當有參數超過設定值時，會生成一個相應的告警信息，并在相應的后臺端子箱圖形顯示上進行紅色告警，便于運維人員及時發現。同時，后臺應具備：

存儲各端子箱發送來的各類數據，以備在需要的時候對數據進行分析；

統計告警的設備、正常的設備、告警的類別等，方便運維人員進行分類查看，快速的獲取所關心的數據。

5 結論

本文設計了一套戶外端子箱溫濕度，該系統在不增加現場接線的前提下，采用低功耗元器件和電池供電，能及時獲取現場端子箱內的溫濕度等相關數據。同時，結合遠程后臺對相關數據進行可視化顯示，以及對數據進行篩選、分類，協助運維人員方便快捷的獲取端子箱的運行工況，能有的放矢的對發現的問題及時處理，避免問題發現不及時造成的設備故障，提高了現場運維工作的效率和設備運行的安全性。