變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 浩

國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750000

0 引言

在低溫、潮濕環(huán)境下，變電站戶外箱柜會(huì)發(fā)生低溫帶電運(yùn)行、凝露現(xiàn)象，箱柜內(nèi)出現(xiàn)凝露后，很容易使柜內(nèi)一些重要電氣設(shè)備和線路發(fā)生氧化和銹蝕，不僅會(huì)縮短其使用壽命，嚴(yán)重情況會(huì)直接引發(fā)柜內(nèi)設(shè)備短路、機(jī)構(gòu)卡澀、故障跳閘等事故。目前，為了防止變電站戶外箱體凝露產(chǎn)生，保持箱體內(nèi)設(shè)備運(yùn)行溫度適宜，變電站普遍采用的措施是利用防潮監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)變電站戶外箱柜進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于安裝工藝和產(chǎn)品質(zhì)量等，變電站大部分戶外箱體（或老舊變電站的全部戶外箱體）內(nèi)的驅(qū)潮加熱裝置采用人工就地開箱開柜檢查、操作控制的方式。該方式在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問(wèn)題，如當(dāng)環(huán)境潮濕時(shí)，由于人體感知偏差、未及時(shí)投入等，造成戶外箱體銹蝕、設(shè)備異常，加熱驅(qū)潮裝置損壞時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法根據(jù)真實(shí)情況進(jìn)行控制，為此，文章提出變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 加熱驅(qū)潮設(shè)備設(shè)計(jì)

加熱驅(qū)潮設(shè)備安裝在變電站戶外箱體內(nèi)，用于對(duì)變電站戶外箱體的內(nèi)部進(jìn)行加熱驅(qū)潮。加熱驅(qū)潮設(shè)備采用現(xiàn)有技術(shù)，具體安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加熱驅(qū)潮設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)

加熱驅(qū)潮設(shè)備包括監(jiān)控器和負(fù)載，監(jiān)控器與負(fù)載電連接形成加熱驅(qū)潮回路。監(jiān)控器包括溫濕度控制器和溫濕度傳感器，可集成在一個(gè)電路板上。溫濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)變電站戶外箱體內(nèi)的溫濕度，溫濕度控制器可以根據(jù)溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)的溫濕度對(duì)負(fù)載通電，使得負(fù)載加熱，以對(duì)變電站戶外箱體內(nèi)進(jìn)行加熱驅(qū)潮。

1.2 監(jiān)測(cè)遙控裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 裝置組成

監(jiān)測(cè)遙控裝置包括遙控開關(guān)模塊、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和第一控制終端。遙控開關(guān)模塊、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊可安裝在變電站戶外箱體內(nèi)[1]；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊可安裝在變電站戶外箱體的外表面上，通過(guò)磁吸、粘貼或螺栓固定等方式安裝；第一控制終端為工作人員持有，可以安裝在移動(dòng)終端，如手機(jī)、平板電腦等。

（1）遙控開關(guān)模塊包括遙控開關(guān)和遙控開關(guān)控制器。遙控開關(guān)串聯(lián)在加熱驅(qū)潮回路中，只有當(dāng)遙控開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，監(jiān)控器才能對(duì)負(fù)載通電。遙控開關(guān)的控制端與遙控開關(guān)控制器的輸出端電連接，遙控開關(guān)控制器用于控制遙控開關(guān)的通斷。（2）電流采集模塊的輸入端與加熱驅(qū)潮回路電連接，用于采集加熱驅(qū)潮回路中的電流，以便確定加熱驅(qū)潮設(shè)備是否正常工作[2]。電流采集模塊可以采用多回路電流信號(hào)采集器。（3）溫濕度采集模塊的輸入端與監(jiān)控器電連接，用于獲取監(jiān)控器的溫濕度傳感器采集的溫濕度。（4）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的各端分別與遙控開關(guān)控制器的輸入端、電流采集模塊的輸出端和溫濕度采集模塊的輸出端電連接，具體可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)線連接。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)電流采集器，將電流信號(hào)、溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。（5）網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，用于將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)降谝豢刂平K端。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備時(shí)，其可以采用如下的至少一種傳輸方式：藍(lán)牙、4G、LoRa、ZigBee和 Wi-Fi。（6）每一加熱驅(qū)潮設(shè)備均可安裝上述的一個(gè)監(jiān)測(cè)遙控裝置，每一監(jiān)測(cè)遙控裝置可以使用一個(gè)第一控制終端，也可以多個(gè)監(jiān)測(cè)遙控裝置共用一個(gè)第一控制終端。第一控制終端用于判斷加熱驅(qū)潮設(shè)備是否故障，根據(jù)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)確定變電站戶外箱柜環(huán)境狀態(tài)。

1.2.2 裝置傳輸設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)遙控裝置連接如圖2所示。加熱驅(qū)潮設(shè)備控制終端包括主機(jī)和顯示器。主機(jī)分別與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和第一控制終端通信連接，顯示器與主機(jī)電連接。控制終端的主機(jī)可通過(guò)有線或無(wú)線的方式與網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊連接，因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊可以包括具有有線傳輸功能和無(wú)線傳輸功能的組件[3]。當(dāng)多個(gè)監(jiān)測(cè)遙控裝置共用一個(gè)控制終端時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全站所有箱體的加熱驅(qū)潮設(shè)備、箱體運(yùn)行環(huán)境的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控等功能，通過(guò)顯示器顯示變電站所有箱體的加熱驅(qū)潮設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及工況、箱體內(nèi)運(yùn)行環(huán)境溫濕度情況。同時(shí)，控制終端和監(jiān)測(cè)遙控裝置第一控制終端之間可以進(jìn)行信號(hào)、指令等互傳。控制終端將信息發(fā)送至監(jiān)測(cè)遙控裝置第一控制終端；如需遠(yuǎn)程控制，控制終端可以將接收的第一控制終端發(fā)送的控制指令發(fā)送到指定箱體的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，以便通過(guò)遙控開關(guān)模塊控制加熱驅(qū)潮設(shè)備啟動(dòng)或停止。

圖2 監(jiān)測(cè)遙控裝置連接

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，在軟件方面設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、凝露控制模塊。系統(tǒng)采集到的戶外箱柜溫度、濕度等數(shù)據(jù)含有較大的噪聲，并且存在一些不完整數(shù)據(jù)和重復(fù)數(shù)據(jù)，需要利用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)采集到的戶外箱柜環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和冗余處理。

假設(shè)待處理數(shù)據(jù)包為M，該數(shù)據(jù)包中含有數(shù)據(jù)n個(gè)，利用平均濾波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，隨機(jī)選取兩組相鄰的數(shù)據(jù)，計(jì)算出平均噪聲幅值：

式中：h為數(shù)據(jù)平均噪聲幅值；mine為兩組數(shù)據(jù)中最小幅值；maxe為兩組數(shù)據(jù)中最大幅值。

以平均噪聲幅值為標(biāo)準(zhǔn)，刪除超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的噪聲，再?gòu)臄?shù)據(jù)列表中抽取兩組數(shù)據(jù)，按照上述流程操作，直到所有數(shù)據(jù)均得到降噪處理。

采用滑動(dòng)塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行消冗處理，創(chuàng)建一個(gè)固定大小的滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度要根據(jù)數(shù)據(jù)期望長(zhǎng)度確定，其計(jì)算公式為

式中：u為滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度；w為期望數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度；p為實(shí)際數(shù)據(jù)序列最大長(zhǎng)度。

根據(jù)式（2）計(jì)算滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度參數(shù)，隨機(jī)選擇一組數(shù)據(jù)序列，將滑動(dòng)窗口從數(shù)據(jù)頭向后滑動(dòng)，如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超出滑動(dòng)窗口，則說(shuō)明該數(shù)據(jù)塊為冗余數(shù)據(jù)，將其刪除，并繼續(xù)向后滑動(dòng)，直到滑動(dòng)窗口對(duì)整組數(shù)據(jù)遍歷完為止[4]。

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)算法分析處理后的數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前戶外箱柜實(shí)際環(huán)境狀態(tài)。為了方便綜合分析，對(duì)數(shù)據(jù)歸一化：

式中：d(x)為歸一化后的數(shù)據(jù)；xmin為數(shù)據(jù)中最小溫度或者濕度值；xmax為數(shù)據(jù)中最大溫度或者濕度值；ρ為歸一化系數(shù)，通常情況下取值為0.1。

當(dāng)空氣中水蒸氣露點(diǎn)溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)形成凝露，而露點(diǎn)溫度與空氣中的溫度和濕度有直接關(guān)系，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度計(jì)算出箱柜內(nèi)露點(diǎn)溫度：

式中：c為箱柜內(nèi)露點(diǎn)溫度；maxq為當(dāng)前箱柜內(nèi)最高溫度；maxy為當(dāng)前箱柜內(nèi)最高濕度；k為當(dāng)前箱柜內(nèi)空氣飽和度[5]。

將其與凝露形成條件進(jìn)行比較，確定柜內(nèi)是否形成凝露，如果形成凝露，驅(qū)動(dòng)加熱驅(qū)潮設(shè)備進(jìn)行驅(qū)潮處理，用公式表示為

式中：v為加熱驅(qū)潮設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，此次設(shè)計(jì)0和1兩種狀態(tài)，其中0表示加熱驅(qū)潮設(shè)備為關(guān)閉狀態(tài)，1表示加熱驅(qū)潮設(shè)備為開啟狀態(tài)；?為凝露形成最低露點(diǎn)溫度。

利用式（5），根據(jù)柜內(nèi)實(shí)際情況控制加熱驅(qū)潮設(shè)備，保證變電站戶外箱柜始終處于良好的環(huán)境。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以某變電站為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該變電站有8個(gè)戶外箱柜，變電站所處區(qū)域空氣濕度較高，戶外箱柜內(nèi)容易形成凝露，影響其正常運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)利用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)該變電站戶外箱柜進(jìn)行防潮監(jiān)控，準(zhǔn)備了8個(gè)加熱驅(qū)潮設(shè)備和1個(gè)監(jiān)測(cè)遙控裝置，每個(gè)箱柜內(nèi)安裝1個(gè)加熱驅(qū)潮設(shè)備，由監(jiān)測(cè)遙控裝置控制多個(gè)加熱驅(qū)潮設(shè)備。將遙控開關(guān)控制器、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和供電電源集成在一塊電路板上，采用市電供電。實(shí)驗(yàn)中，將溫濕度傳感器掃描頻率設(shè)定為3.16 MHz，掃描范圍設(shè)定為0～2.5 m，掃描周期設(shè)定為30 s，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為6 h，共采集到0.26 GB數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，監(jiān)測(cè)溫濕度與實(shí)際情況基本一致，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度較高。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)兩種系統(tǒng)的性能，以凝露感知偏差作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，當(dāng)感知的凝露露點(diǎn)溫度偏差超過(guò)0.3 ℃時(shí)，會(huì)影響到加熱驅(qū)潮設(shè)備控制效果。利用IHI軟件對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)凝露感知偏差進(jìn)行檢測(cè)，使用電子表格記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體如表2所示。

表1 變電站戶外箱柜溫濕度對(duì)照表

表2 兩種系統(tǒng)的箱柜凝露感知偏差對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)可以看出，文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于凝露感知偏差較低，基本可以控制在0.3 ℃以下，說(shuō)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以精準(zhǔn)控制加熱驅(qū)潮設(shè)備對(duì)戶外箱柜進(jìn)行驅(qū)潮；傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)于凝露的感知偏差均超過(guò)最大限值（0.3 ℃），并且高于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的監(jiān)控精度，且優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，更適用于變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了新的變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)，有利于降低變電站戶外箱柜維修成本，延長(zhǎng)箱柜內(nèi)電氣設(shè)備使用壽命，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。