基于5G物聯網的配電箱內溫濕度控制策略研究

國網冀北電力有限公司張家口供電公司 陳軍法 張文華 周曉燕

作為變電站內最常見的設備，配電箱在運維工作中十分重要。根據不同應用，箱內常見各種測量、保護設備，動力裝置以及表計。這些設備的運行都依靠配電箱提供基本保護。配電箱為了維持箱內環境穩定，配置有通風裝置、加熱裝置以及溫控器。確保箱內環境不隨著箱外環境變化而劇烈變化，為設備提供了適當的運行環境。防止設備因為高低溫，結露等情況造成損壞或故障[1]。

傳統溫控裝置具有成本低，簡單可靠的特點，但隨著變電站配電箱內設備日益精密。如何提高配電箱內環境控制能力成為研究熱點。目前5G物聯網技術已經成為新型電力系統的研究熱點。通過將5G物聯網技術與傳統溫控器進行結合，形成智能的環境控制終端，通過對接云平臺系統。將箱內環境數據實時采集并上送。云平臺部署智能監控程序，可以在天氣變化時及時對控制器進行參數更新。提高配電箱的應急響應能力。

經過技術化改造的配電箱內環境控制，同樣有利于運維工作。目前變電站運行管理要求按照季節對配電箱內溫控器閾值和狀態進行巡檢。由于配電箱在變電站內數量多，對工人來說占用大量工作時間。如果可以經過技術提升，實現遠程設置，遠程運維。對提高管理效率，降低管理成本都是有益的。都是整個電網運行管理的重要一環。

隨著當今信息化技術發展，本文研究并實現一種基于5G物聯網的配電箱內溫濕度控制裝置。裝置部署于箱內，替代原有傳統溫控器。配合云平臺，實現配電箱內環境的“可觀、可測、可控、可調”，進一步提高變電站遠程運維涉及領域。

1 配電箱特點綜述

作為變電站或者其它電力設施中不可缺少的電氣裝備，具有體積小、安裝便捷、材質多樣的特點，不受場地限制，應用十分普遍。一般對于室外配電箱來說，其內部會加裝開關設備、測量儀表、保護電器和動作機構等設備，構成封閉或半封閉的結構。正常運行時其箱體門應鎖止。

1.1 配電箱分類

作為電力供應或者分配中的控制單元，對電源進行有效可靠分配，正確將電能輸送到各處負荷是配電箱的主要功能。電網因為對可靠性與安全性要求高，以金屬配電箱為主，配電箱材質多為不銹鋼等耐腐蝕金屬材料，可以保障箱內電路與元件。

在變電站室外，常見防護式開關柜與配電控制箱。分別用于室外環境與室內環境。由于兩種箱體存在明顯差異，對配電箱內溫濕度控制策略研究主要針對此兩類箱體進行區分。

防護式開關箱柜。是一種被封閉起來的低壓開關箱柜，一面具有帶鎖止功能的活動門。這種箱柜內常用來安裝開關、保護裝置、測量裝置等電氣設備。可固定于墻面或者支架上。此類型配電箱多用于室外或者附屬于其它大型設備上，由于在室外，工作條件較為惡劣，常常因為防護等級要求，存在箱內夏天高溫運行，冬天低溫運行的情況發生。常見的防護措施包括安裝溫控器來操作加熱板或者排風扇進行簡單控制，防止箱內設備因箱內環境影響而損壞或工況不良。

抽屜式開關柜。是一種半封閉的，通常安裝于室內的一種開關柜，多由鋼板制成。箱柜通常下部與上部具有半開放設計，可通過下部電纜將電能引入柜內，柜內安裝承擔供電任務的各類開關、刀閘、手車等設施。同時還常在柜間部署母線排，實現電氣回路。這類開關柜通常具備較高可靠性、安全性與互換性，集成度很高，單位體積功率密度大。通常情況下，柜內因為電流作用，會產生較多熱量。所以此類柜內也需要對環境進行監控。

由于電力系統的要求，常用的金屬開關柜無論安裝環境，均存在對箱內環境進行控制的需求。通過對箱內環境進行控制，提高設備運行可靠性。

1.2 故障分類

變電站內配電箱主要承載室外開關、保護和監測控制等電氣元件以及操作一次設備的動力裝置。通常情況下運行穩定可靠，但如果疏于管理，仍然會因各種原因造成箱體或箱內設備故障。嚴重時將危害到電網運行。需要對常見故障進行研究。

配電箱故障按照產生原因，主要分為因環境變化造成的故障和因設計缺陷造成的故障。

因環境變化造成的故障，主要是因環境溫濕度對箱內電器運行造成的影響引起的故障。配電箱根據功能不同，由各類中低壓電器構成。包括：熔斷器、交流開關、剩余電流保護器、電容補償器及計量電表等各類電氣。通常情況下，此類設備的正常工作溫度應處于24℃。設備在環境溫度處于-5℃至40℃的區間時，可保障設備正常工作；在環境溫度處于-25℃至60℃區間時，可保障設備不會損壞。這個溫度范圍雖然覆蓋范圍比較大，但由于配電箱在室外運行，會受到陽光直接照射產生高溫，同時箱內設備運行中也會產生熱量，所以在盛夏高溫季節，箱體內的溫度將會達到70℃以上，這時的溫度大大超過了這些電器規定的環境溫度。箱內溫度超過允許值是現場故障的常見情況。

因設計缺陷造成的故障，例如選擇不恰當容量的開關，刀閘或者母線排。均會導致箱內設備運行熱量大大增加。通常情況下，由于電力設備在制造時具備較大容量，此類設計缺陷不會立即引起事故，甚至可能產品可過載運行至壽命截止。但此類情況下，設備或線排會因為容量差距，產生過多熱量。造成箱柜內環境異常變化。此時也可以通過配電箱內環境測量對其進行篩選，利于現場設備變更或日常維護，防止因選擇備品不當引起的超容使用[2]。

配電箱內溫濕度控制，是保障運行穩定的重要因素。同時，也應在日常巡檢與維護中對配電箱內溫濕度控制設備進行檢查。確保在啟動時可將箱內環境維持在設計環境指標。

1.3 箱內環境特點

溫濕度作為配電箱內環境控制的主要參數。對保障箱內設備正常運行有著重要意義。配電箱多安裝于室外，環境惡劣。因雨雪等天氣影響，需要箱體本身具有工業防護等級，就要求箱體具備密封或者半密封的機械結構。配電箱內的溫濕度是一個較獨立的自循環系統，溫度的擾動影響因素主要有箱體自然散熱、箱內設備產熱以及加熱器產熱。由于配電箱制造成本限制，常通過風扇實現濕度控制。在遇到濕度較高時，使用加熱器和風扇一同開啟來加熱箱內空氣，再將較熱空氣排出的方法降低濕度，同時保證箱內升溫在可控范圍。

在控制過程中，箱體散熱是個十分重要的指標，由于散熱過程遵循熱傳導方程，所以在不同地區和海拔高度，箱體散熱系數存在較大差異。對于我國南方，在潮濕環境下，箱內還存在結露風險，對設備安全運行有很大隱患。一般來說，配電箱正常運行溫度應高于環境溫度，降低箱內結露風險。

當在夏季或者安裝位置處于陽光直曬處，需要箱體散熱。箱內保護裝置和測量儀表的工作環境溫度不應大于60℃，在我國，大部地區氣溫不會超過45℃。但如果暴露在太陽下，則在無通風措施的影響下迅速升溫至60攝氏度左右，對箱內設備行程高風險運行。散熱除箱體向環境散熱外，還可通過啟動通風扇，加強箱內空氣與外部環境間對流交換。所以，配電箱所處環境在散熱中影響現主。在配電箱安裝施工過程中，需要謹慎選擇安裝位置與角度，減輕陽光直射，必要時還應加裝遮陽棚。

2 箱內環境控制研究

傳統溫度傳感器基于熱敏金屬片來制造，存在精度不可控、讀數不方便的問題。同時其功能單一，動作閾值調節粗糙，不能滿足現代化精確控溫所需。

傳統濕度傳感器采用氯化鋰吸水率越大，電阻率越小的原理制成。通過電極的電流大小可反映出周圍氣體的相對濕度。受限于原理，濕度計的響應滯后，僅可用于濕度測量，無法用于控制環節。所以，需要對箱內環境控制的方法進行研究，確立閉環控制方案。

2.1 鉑熱電阻傳感器

鉑熱電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的。當被測介質中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內介質層中的平均溫度。

PT100型溫度傳感器是一種用鉑金屬合金制成的特殊熱敏電阻。作為常用的高精度溫度傳感器，其室溫下標稱電阻為100Ω，其上每產生1℃溫度變化將帶來0.385Ω的電阻變化。由于變化較小，所以需要進行精密測量。通常對PT100的引線進行補償，進行3線或4線電橋測量[3]。

常用平衡電橋測量PT100的阻值變化。電橋法的原理圖如圖1所示。電路工作時，組成電橋各支路均存在平衡電流。當PT100處于標稱阻值狀態時，電橋AB兩測量點間電壓相等，無非平衡電流。這時稱電橋處于平衡狀態。平衡狀態時，存在：

圖1 平衡電橋測量法

UAB=0V

當PT100因為環境溫度變化造成阻值變化時，上述電橋因為流經兩側的電流不平衡，會造成AB兩點產生電位差，這時我們稱電橋處于不平衡狀態。電橋處于不平衡狀態時：

UAB=〔RPT100/(RPT100＋R1)－R4/(R4＋R3)〕UDC

在實際應用中，由于的電壓值通常很小，應在平衡電橋后增加一級放大電路。

2.2 MEMS濕度傳感器

環境中濕度對精確控制配電箱內環境有重要參考意義，對保障箱內設備正常運行有重要意義。

物理吸附由吸附質和吸附劑分子間作用力所引起。吸附劑表面的分子由于作用力沒有平衡而保留有自由的力場來吸引吸附質，物理吸附是可逆的。吸附作用的大小跟吸附劑的性質和表面的大小、吸附質的性質和濃度的大小、溫度的高低等密切相關。

濕度傳感器主要靠半導體工藝下刻蝕出的梳狀結構，應用物理吸附原理吸附環境中水分子，改變電極梳狀交叉齒間的電容[4]。外部放大器和變換電路，將此電容值變化以電壓或者電流的形式輸出給其它設備使用。梳狀結構見圖2所示。

圖2 MEMS濕度傳感器微結構

濕度傳感器作為電子技術和物理化學原理的復合技術，硬件因素只占其中50%，另一個重要因素則是標定。要保證測出來的是準確的值，則需要保證每次檢測的標定值在一個固定范圍內，這是很難做到的。一般而言，由于需要大量的數據來測試，所以在濕度傳感器出廠前，均需要進行長時間重復測試，其穩定性會隨著統計完成數值回歸。

2.3 環境溫濕度PID控制

PID作為一種控制方法，可用于可建模系統或者無建模系統，具備廣泛的適用性。對于可建模系統，由于具備準確數學模型，PID控制對系統S函數的影響是可以進行準確估算的。表達式可知：

Gt=kp×ERROR＋ki×ΣERROR＋kd×?ERROR

表達式實際上是三種反饋控制：比例控制，積分控制與微分控制的集合。根據不同系統反饋，可以靈活對P、I、D三個變量進行組合，通常情況下只采用三個變量中的2個或者1個，這些從原理上都叫做PID控制。采用這種控制理論的控制器，統稱為PID控制器。得到廣泛應用。

比例P參數能夠提高系統的響應速度和穩態精度,抑制擾動對系統穩態的影響。但由于實際系統經常存在調節死區，所以純P控制并不能達到準確的控制目標，存在穩態誤差現象。此類現象本質是因為參考信號的階次大于系統自身階次，無論如何選取純比例P值都無法使得穩態誤差消除。

積分控制消除穩態誤差的作用對于高階的參考信號和擾動是無效的。積分控制并不一定是必須的，應當視系統的型號、輸入和干擾類型決定。積分控制的常數根據系統所需的動態進去選取，并不會影響消除誤差的效果，具有一定的魯棒性[5]。

溫濕度的傳遞存在滯后性。一般有純滯后、容量滯后。前者一般指工藝段物料傳輸需要時間引起的，后者一般指被控對象的熱交換、物料連續經過多個容器才能建立一個穩定信號需要時間引起的。

環境溫濕度控制過程的響應速度慢，其傳遞函數的慣性很大。調節過程中可以通過動態法進行調整，設置不同參數查看控制效果，通過定性分析來嘗試得到最優解。用實驗的方法來調節控制器的參數。根據經驗，一般首先由比例P參數開始進行調試，調整開始階段設置保守參數，防止系統超調自激。根據實際反饋逐漸加大比例P參數。直到系統控制得到較理想的越階響應。而后慢慢添加積分I參數，消除系統穩態誤差。在跟蹤控制性能中進行取舍，可根據實際需要，加入一定的微分D參數來進行調優。

3 基于物聯網的控制策略

物聯網（IoT，Internet of Things）起源于傳媒領域，是信息科技產業的第三次革命。物聯網是指通過信息傳感設備，按約定的協議，將任何物體與網絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。在物聯網應用中有兩項關鍵技術，分別是傳感器技術和嵌入式技術。

3.1 物聯網分層模型

在實際應用中，根據網絡拓撲、功能和設備位置，一般將物聯網分為應用層、網絡層和感知層[6]。

感知層是物聯網終端獲取自身信息和外界信息的主要手段。類似生物的皮膚和感知器官，物聯網終端需要根據現場環境，集成一種或多種傳感器來進行感知。對于高級的物聯網終端，還可集成攝像頭來實現高層次環境感知。感知層主要用于獲取必要的原始數據。

網絡層是物聯網的神經中樞和大腦信息傳遞和處理。網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心、信息中心和智能處理中心等。網絡層將感知層獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。

網絡層又分為支撐層和數據層。數據層是由多個數據庫構成（同時包括公安、交通等部門現有的涉車管理平臺所采集的部分數據），是涉車信息的存儲層，其數據結構的定義最為關鍵。

應用層是物聯網的“社會分工”與行業需求結合，實現廣泛智能化。

物聯網把新一代IT技術充分運用在各行各業之中，將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合。在這個整合的網絡當中，存在能力超級強大的中心計算機群，能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理和控制。在此基礎上，以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平。

3.2 氣象數據接口實現

物聯網技術背景下，可解決傳統溫控器缺乏感知手段，無法智能調節控制閾值的弊端。對接當前互聯網的氣象大數據服務，對被控箱動態控制。及時切換動作閾值，達到期望的自適應控制策略。

氣象數據的來源，主要為高精度的再分析資料。高精度的再分析資料在實時性上存在一定延遲，但隨著我國氣象科學數據中心的服務升級，目前已經可以提供逐小時觀測資料，可以滿足要求[7]。為避免因實時數據的誤差導致的控制策略研究難度增加，采用高精度再分析資料進行研究。

中國地面氣象站逐小時觀測資料是國家氣象科學中心提供的一項數據服務。數據的獲取流程是：注冊用戶，獲取數據接口Token令牌；調用接口，接口一般以WEB API的方式提供；請求數據，按照經緯度向平臺請求；解析數據，回文數據采用JSON格式。

獲取數據應按照定時進行獲取，緩存在服務器中的等待物聯網設備調用的方式進行。可以有效提高設備讀取氣象數據效率，并降低接口請求頻次，顯著避免因頻繁調用造成數據費用過高。

3.3 應用物聯網技術優化策略

對箱內環境控制，主要是環境的溫濕度控制。箱體安裝在室外，各控制參數同氣象關系緊密，例如箱體傳導系數、大氣濕度指標、日照強度等。傳統溫控器，無法獲取豐富的數據。控制采用固定閾值，恒定參數的控制率。

采用物聯網技術后，溫控器通過與云平臺進行交互，可以實時獲取氣象數據。此時對控制率進行優化，將恒定的PID控制，同氣象數據結合。動態優化動作閾值、調節參數等可測量變量。達到箱內環境控制更穩定的目標。

當前運維作業，溫控器的閾值采用人工現場設定的方法。按照運維檢修方案安排人員隨季節交替進行閾值維護，這樣會帶來運行隱患。當例如寒流或冰凌等極端天氣，配電箱內結露風險驟然提高卻無能為力；特定溫度閾值附近會出現加熱器啟停振蕩，極易造成二次損害。依托物聯網技術，可當發生此類極端情況時，遠程修正閾值，提高箱內環境抵抗外界干擾的能力。

在晝夜溫差大的地區，箱外環境改變給控制傳遞函數S帶來不可忽略的改變。不具備控制率調節能力，導致采用較保守的控制率參數。保守控制參數可確保控制器穩定工作，但對環境的控制能力將減弱。維持環境穩定過程存在較大誤差與延遲，并非最優解。對控制策略精細化管理，按照不同地域對控制進行精準管控。同時按照時間段下發最優控制參數，確保在時段控制效果。

傳統控制器的繼電器接通負載后，對負載工作情況無監控。無法將控制失效的信號上報。可經物聯交采芯片對動作裝置的電流實時采集，對工作狀態進行推斷。設備投入工作后，對裝置運行的功率、電量進行測量。非正常運行發生時，通過電流采樣值異常進行判定，上送到監控主站。主站可將異常信息推送到大屏或檢修責任人，及時排除故障。

當無法適應天氣變化，季節更替需現場設定，極端情況發生振蕩時，需對接天氣數據實時修訂，物聯網遠程對閾值進行及時正確設定，對環境控制策略優化結果有優勢；當PID參數設定保守，箱體環境變化無法保障溫濕度控制效果時，需根據PID控制原理按照時段進行參數設定，對環境控制策略優化效果有益；當加熱器、排風扇運行無監測，控制器自身控制不閉環，無法自診斷時，需增加交流測量傳感器對被控器進行測量，發現異常上送物聯主站，對環境控制策略優化結果有優勢。

綜上所述，在物聯網技術幫助下，對箱內環境的控制已由傳統被動控制轉變為主動控制。對室外配電箱，傳統運維成本高。物聯網控制下，針對不同地點的配電箱可精準控制。進一步結合氣象數據對閾值動態整定，達到智能控制的運維要求。將交采傳感器置入新型溫控器，實現閉環控制，為優化配電箱環境控制策略提供新思路。

4 有效性驗證與測試結果

4.1 物聯網溫控器應用方案

物聯網溫控器同傳統溫控器一樣，需安裝在配電箱內。控制器接入配電箱內環境溫度探頭、伴熱帶溫度探頭；箱內220V交流電源接入控制器電源端子；加熱裝置與排風扇接入控制器輸出端子；連接負責物聯網通信的天線。實現場站端安裝。

物聯主站部署于物聯網云端服務器，通過物聯網通信運營商的服務同溫控器實現數據連接。物聯主站還承擔了氣象數據接入、設備控制接入，臺賬記錄接入和異常告警推送等功能，配合分布式終端形成物聯網控制系統。

在控制器的實現中，采用AIR724UG型4GCat1通信模塊作為主控制模塊。可通過Lua腳本進行功能開發，非常合適應用于溫控器、采集器等物聯網裝置中。對評估方案、加速研發效果積極。

在現場部署研究中，在同一變電站內部署8個物聯網溫控器終端，并抓取6月至12月的數據。實現對配電箱內環境大數據的采集與記錄。配合物聯主站的展示功能，完成數據可視化與智能分析。實現了系統對于箱內環境的自動控制。

4.2 結果分析

測試地點位于我國華北地區。華北平原屬溫帶季風氣候、亞熱帶季風氣候，四季變化明顯，冬季寒冷干燥，部分地區兩年三熟。華北平原大部分屬于溫帶季風氣候和亞熱帶季風氣候。冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季干旱少雨，蒸發強烈。春季旱情較重，夏季常有洪澇。年均溫和年降水量由南向北隨緯度增加而遞減。

圖3 現場環境控制測試統計圖

測試安排實驗組與對照組：實驗組即本研究的基于5G物聯網技術的溫控終端。對照組為箱內原裝傳統溫控終端，為解決數據采集問題，使用5G物聯網技術的溫控終端對現場數據進行收集并上傳到云平臺作為對照記錄。在配電網環境控制中，溫度控制較濕度控制更具備測量條件，所以在環境控制的試驗中，選取溫度作為主要測試項。測試數據共有三類：傳統溫控器的箱內溫度變化；物聯網控制器的箱內溫度變化；依據氣象數據優化控制的物聯網控制器的箱內溫度變化。數據分析場景，包括周期性交替變化、單調性穩定變化、爆發性劇烈變化三個典型情景。分別對應晝夜變化，季節交替和寒潮等惡劣天氣來襲時這些配電箱環境控制需面對的情況。

典型場景一：晝夜交替變化，一般溫控器根據箱內傳感器值，可做出正確動作。當白天溫度高于設定閾值時，正確關閉加熱器電源。夜間，隨著環境溫度整體降低，箱體至環境散熱能力加強。箱內環境溫度被打破平衡，開始降溫。當達到動作閾值時，箱內控制器啟動加熱器。箱內環境溫度開始回升。在這個場景下，傳統溫控器控制動作觸發可靠，但隨著溫度回升，部分溫控器在高溫閾值存在狀態振蕩，頻繁通斷加熱器的情況。在控制準確性方面。三種溫控器控制效果無明顯差異。

典型場景二：隨著季節變化，日均氣溫的漲落趨勢是單調的。在華北地區，從夏天至冬天的過程，氣溫的變化逐月遞減，部分地區日均氣溫可降至溫控器動作閾值以下，全天開啟溫控器。因為環境溫度引起的散熱能力不同，需要在季節變化時對溫控器閾值進行預設置。夏秋兩季因為氣溫較高，為防止溫控器動作造成意外升溫，一般會通過調低閾值或者直接關閉的方法將箱內溫控器進行處理，避免意外加熱導致高溫運行發生；春冬兩季因為氣溫較低，需要再對溫控器的閾值設定進行調整，調到比較高的動作閾值，保障箱內溫度及時補充。避免低溫運行發生。所以在春秋兩季氣候變化明顯的時候，溫控器閾值設定不恰當的情況發生較多。這時，基于物聯網的環境控制終端可實現遠程設置，顯著減輕此類情況發生。

典型場景三：當惡劣天氣出現時，傳統固定閾值溫控器無法適應劇烈變化的氣候，部分測試結果發現箱內環境溫度存在超出安全工作區域的情況發生。并且隨著天氣進一步惡化，超出設定值的情況時有發生。基于物聯網的環境控制終端可通過云主站動態下發指令來達到適應突發情況，但不夠智能，且需要大量人力進行監控。對接氣象數據后，可根據每小時氣象數據進行控制優化。實現溫度準確控制，取得明顯效果。

綜上所述，基于5G物聯網的配電箱溫濕度控制對于傳統溫濕度控制方法有較高提升。在應用中，可以顯著提高對箱內環境控制準確度，降低因箱內環境越限造成設備故障風險，降低維護周期。同時又因為具備數據采集和實時上送云主站的功能，提高了配電箱運維技術水平。具備遠程設置閾值、遠程更新控制策略的功能，降低了偏遠地區變電站內配電箱溫控器周期維護壓力。在應用過程中得到現場人員肯定。具備技術推廣價值。