變電站端子箱智能環境監測系統的研究與應用

蔣嬪，李睿

（國網甘肅省電力公司超高壓公司，甘肅蘭州，730070）

1 目的和意義

變電站戶外端子箱、機構箱的作用是將變壓器、斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器的狀態、二次電流、二次電壓轉接到保護室里的測控及保護裝置上，另一方面也為一次設備運轉提供相應的動力機構和電源。在變電設備正常運行過程中，端子箱和機構箱起著至關重要的作用。影響其運行狀態的因素主要有以下兩點：一是自然環境的影響，在雨水較多的夏季以及寒冷的冬季，安裝于戶外的端子箱和機構箱內部二次接線易發生潮濕霉變，影響電氣絕緣性能；細微沙塵進入機構箱或者端子箱形成集塵效應，影響控制設備的正常功能；若二次接線腐蝕破損，可能引起電流回路端子發熱，造成端子箱起火，保護拒動或誤動。其二是若因檢修作業中誤碰或人員誤操作導致端子排、分合閘線圈等異常發熱，運維人員無法及時發現異常現象，若持續發熱甚至跳火產生電弧導致燒毀，將嚴重威脅電網運行安全。

2022 年某變電站發現7531、7532、7541 開關端子箱內線纜燒毀。后對事故原因進行查找，發現由于750kV 三、四串加熱回路環網運行，0 號、2 號站用變并列運行，兩臺站用變電壓角度不一致，同相之間存在相角差，使同相之間存在電壓差，在電壓差作用下產生環流，引起回路過熱、燒毀。此時750kV 三、四串加熱回路燒毀短路，造成上級電源跳閘。以上異常工作狀況的發生皆在箱體內部，目前變電站內常規的人工巡查和視頻監控相結合的巡視方式無法及時發現此類異常事件，機構箱和端子箱的運行環境和實時狀況只能靠運行人員在現場逐個打開檢查。若有疏漏或未及時發現的異常設備會帶來很大的安全隱患。所以需要一種可以遠程監測箱內運行環境，控制加熱器和空調的工作狀態和啟停閾值，自主判斷故障事件并報警的裝置，以減輕人員巡視的工作量，提高工作效率，保證設備監測的實時性和故障處理的及時性。

2 理論和實踐依據

■2.1 原理

該智能環境監測系統以傳感器、單片機等設備為硬件基礎，以NI 公司的LabVIEW 編程語言為軟件基礎，以移動通信網絡為傳輸載體，嵌入式技術為手段，物聯網思維為指導，采用模塊化設計思想，對系統先進行總的框架布局，再進行模塊化劃分，結構簡單，項目落地后易于維護；該系統由環境信息采集部分、遠程監測與控制部分及智能化告警及響應部分三個部分組成，如圖1 所示。

圖1 系統總體設計圖

環境信息采集部分由若干布置在戶外機構箱和端子箱內的環境信息采集點構成，負責采集箱體的環境信息和狀態信息，通過數據總線上送給智能化處理及告警部分和遠程監測與控制部分。

智能化處理及告警部分接收環境信息t 和狀態信息s 作為其告警及響應處理的判據，若通過邏輯判斷得出現場運行環境異常并進行以下處理：（1）將異常情況相應的告警信號a 發送給遠程監測與控制部分；（2）自動動作，根據異常狀態作出響應，例如啟動加熱器加熱驅潮，啟動風扇降溫排煙，發送短信到手機提醒人員和現場的聲光報警等。

遠程監測與控制部分是使用者與系統交互的人機接口，系統通過遠程監測與控制部分使用無線傳輸方式與移動端進行數據和信息交互。它將接收到的環境信息t，狀態信息s 和告警信息a 通過無線網絡顯示在移動設備端的APP 上，同時接收移動端發送的遠程調整系統工作狀態和動作閾值的命令。

■2.2 關鍵和難點

2.2.1 項目研究的關鍵

（1）無線傳輸方式應可靠，有一定抗干擾能力；

（2）遠程監測功能的實現；

（3）自動響應及告警功能的實現；

（4）系統的響應準確率和響應速度要求較高；

（5）硬件模塊的選擇應綜合考慮適用性，穩定性和性價比。

2.2.2 項目研究的難點

（1）不同的硬件模塊之間的連接電路調試；

（2）研究出符合需求的軟件特點并且能夠讓變電站端子箱溫度濕度數據處理部分高效運行的程序結構；

（3）將溫濕度數據和告警信息存儲在數據庫中，并實現歷史數據查詢、打印、備份、刪除及模擬量曲線繪制等功能。

3 內容和實施方案

■3.1 總體設計

該智能環境監測系統由環境信息采集部分（包括溫度傳感器，濕度傳感器，煙霧傳感器，火警傳感器，LCD 屏幕，人體紅外傳感器）、遠程監測與控制部分（包括Wi-Fi 模塊，移動端和PC 端監控程序，能接收短信的手機）及智能化告警及響應部分（包括STM32 單片機，加熱板，風扇，聲光報警裝置，手機短信告警模塊TC35i）組成，圖2 是智能環境監測系統總體設計圖。

圖2 智能環境監測系統總體設計圖

圖3 傳感器的組成框圖

■3.2 環境信息采集部分

3.2.1 主要硬件設備選擇

數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。采用專用的溫濕度采集技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個高精度集成測溫元件，并與一個高性能微處理器相連接。該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N 型半導體。處于200℃～300℃時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘受到煙霧的調至而變化，就會引起表面導電率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大。

釋電紅外線傳感器是利用紅外線來進行數據處理的一種傳感器。主要是由一種高熱電系數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2mm×1mm 的探測元件。人體都有恒定的體溫，一般在37℃，所以會發出特定波長10μm 左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10μm 左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10μm 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。

紅外熱釋電火焰傳感器利用熱釋電效應，采用鉭酸鋰單晶作為敏感元材料。鉭酸鋰晶體材料的居里溫度在600℃以上，相對介電常數小，比探測率高，在很寬的室溫范圍內，材料的熱釋電系數隨溫度的變化很小，輸出信號的溫度變化率只有1～2‰，傳感器性能的溫度穩定性非常好，并且在1～20μm 波長范圍內光譜響應一致性非常好。

3.2.2 功能及邏輯設計

環境信息采集部分其主要功能及邏輯有：

（1）采集溫濕度數據t 上送給智能化處理及告警部分和遠程監測與控制部分；

（2）監測運行環境中是否有煙霧和明火的出現，若有將狀態信息位s 置位為1 并上送給智能化處理及告警部分和遠程監測與控制部分；

（3）監測端子箱，機構箱前是否有人工作，若有將人員信息位h 置位為1 上送給智能化處理及告警部分和遠程監測與控制部分。

■3.3 智能化處理及告警部分

3.3.1 主要硬件設備選擇

該系統短信高級功能的實現選用了西門子工業GSM 模塊，該模塊是一個支持中文短信息的工業級GSM 模塊，可以工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，工作電源為3.3～4.8V，推薦值是4.2V，功耗低，可選通訊波特率0.3～115Kb/s，支持Text和PDU格式的SMS（ShortMessageService，短信息），可通過AT 命令或關斷信號實現重啟或故障恢復。TC35I 模塊由供電模塊、閃存、ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座）連接器、天線接口等6 部分組成。共有40 個引腳通過ZIF 連接器引出，共分為5 類引腳：電源、數據輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。TC35i 模塊的數據輸入和輸出通過其串行異步通訊接口—RS232 和單片機連接，由單片機控制其啟動、停止和數據的傳輸。

圖4 GSM 模塊電路圖

3.3.2 功能及邏輯設計

（1）比較工作環境的溫濕度t 和預設的啟停閾值T，自動控制加熱器和風扇的啟停和功率；

（2）記錄溫度的變化情況，若一個設定的時間段內溫度t 變化范圍過大，則認為箱體內疑似出現溫度突變，將告警信息a置為“箱內溫度突變”，發送至遠程監測與控制部分，同時現場啟動聲光報警，并自動發送短信“環境溫度突變”，提醒人員注意；

（3）判斷狀態信息位s 的值，若為1，則認為箱體內疑似出現火情，將告警信息a 置為“箱體內疑似出現火情”，發送至遠程監測與控制部分，同時現場啟動聲光報警并自動向移動端發送提醒短信；

（4）判斷人員信息位h 的值，若為1，則認為端子箱或機構箱前有人工作，將告警信息a 置為“xxxx 號端子箱/機構箱有人工作”，發送至遠程監測與控制部分；

（5）執行遠程監測與控制部分上送的改變設備運行狀態和修改響應動作閾值的命令。

■3.4 遠程監測與控制部分

3.4.1 主要硬件設備選擇

ATK-ESP8266WiFi 模塊是ALIENTEK 推出的一款高性能的UART-WiFi（串口－無線WiFi）模塊，ATK-ESP8266板載AI-Thinker 公司的ESP8266 模塊，該模塊通過FCC，CE 認證。ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP 協議棧，能夠實現串口與WiFi 之間的轉換。ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V 和5V 單片機系統，可以很方便地與產品進行連接。模塊支持串口轉WiFi STA、串口轉AP 和WiFi STA+WiFiAP的模式，從而快速構建串口-WiFi 數據傳輸方案，方便設備使用互聯網傳輸數據。

圖5 系統整體框架圖

3.4.2 功能及邏輯設計

（1）從環境信息采集部分收集環境信息t，從智能化處理及告警部分收集告警信息a 和人員信息h，通過無線網絡傳輸至移動端設備并顯示在移動設備端的APP 上；

（2）接收移動端發送的改變設備運行狀態和修改響應動作閾值的命令并上送給智能化處理及告警部分；

（3）APP 支持查詢各遠端系統當前的溫濕度數據，并支持歷史數據查詢、模擬曲線繪制等功能；

（4）用戶管理，設定轉發短信的人員名單及手機號碼。

4 總結

本文提出一種可以遠程監測箱內運行環境，控制加熱器和空調的工作狀態和啟停閾值，自主判斷故障事件并報警的裝置，該成果推廣后的直接效益體現在：該裝置通過安裝在柜體內的高精度傳感器采集柜體內的環境數據，通過無線網絡將數據傳輸到移動和PC，以減輕人員巡視的工作量，提高工作效率，保證設備監測的實時性和故障處理的及時性。

變電站端子箱智能環境監測系統通過預設的邏輯判據進行明火告警、煙霧告警、高/低溫告警和溫度突變告警，通過手機短信、聲光報警、APP 彈窗等方式提醒運行人員，可以保證發現故障的可靠性和故障處理的及時性；在箱體內環境異常時可以自動調整加熱器和空調的啟停和工作功率，進行加熱驅潮，去除凝露，在箱體內起火時，通過啟動配置的微型自動干粉滅火裝置能夠快速的將火災控制于早期，同時運行人員可以遠程手動控制加熱器、空調的和聲光報警裝置的工作狀態，調整告警事件和故障處理的啟停閾值，避免了就地對運行中的機構箱和端子箱內加熱器進行調節時誤碰端子排、二次接線造成信號誤報、誤動作事件的發生，保證了響應故障的可靠性，提高了運行人員工作的安全系數，減少了因事故的發展造成重大經濟損失的可能性。

綜上可見，端子箱和機構箱的智能環境監測系統的推廣應用具有巨大的時間效益、安全效益和經濟效益。