變電站戶外箱體防凝露裝置及智能控制系統研究

謝志遠

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

電力箱體是變電站中連接一、二次設備的重要部件，其良好的設備狀態直接關系到變電站的安全穩定運行。目前，由于安裝工藝和產品質量等原因，變電站內很多戶外電力箱體內的除濕加熱裝置除濕效果較差，加之冬季早晚溫差較大，故箱體內壁在冬季易產生凝露形成水珠，引發箱內端子排嚴重銹蝕、絕緣降低、直流系統頻繁告警等異常情況，進而導致直流系統接地、設備短路、故障跳閘等事故的發生。因此，徹底解決變電站戶外電力箱體內的凝露問題對促進變電站安全穩定運行有著非常重要的作用。

變電站戶外電力箱體的工作環境晝夜溫差較大是形成箱體凝露的主要原因之一，相對密封的結構使其內部的潮濕空氣難以排出箱外，當夜間溫度降低時，便容易在箱體內壁上形成凝露。我國現有的戶外電力箱體防凝露方式主要有半導體冷凝法、強制通風法、干燥劑法、電加熱法。半導體冷凝法，其核心是通過半導體冷凝除濕裝置將局部空間的水分子凝聚成液態水，通過引流管將水排出，使空間內絕對濕度下降，降低空間內其他位置凝露發生的概率，達到防凝露目的，但該方法在低溫高濕環境下效果不明顯。強制通風法通過空氣對流與外界的干燥空氣進行交換達到降低箱體內濕度的目的，但在外界環境濕度較大時效果不明顯，易造成塵土及污穢侵入。干燥劑法是在箱體內懸掛干燥劑袋，吸除箱體內的濕氣，降低箱體內濕度，避免凝露的形成。但干燥劑一旦飽和，除濕效果將失去，且需定期巡檢更換。傳統的電加熱法，其核心是通過加熱器將電能轉化成熱能，使局部空間溫度上升，相對濕度下降，降低凝露發生的概率，但其在環境溫度變化較快時，不能實現精準控制，且傳統的加熱裝置需固定在箱體上，減少了便捷性，也增加了經濟成本。基于此，下面提出一種可裝拆式電力箱體防凝露裝置以及相應智能控制系統的設計方案，以期在滿足工程現場防凝露需求的同時降低經濟成本。

1 可裝拆式電力箱體防凝露裝置

變電站戶外電力箱體形成凝露的主要原因是箱體內外溫差較大，因此，只要控制箱體溫度在一個合適值就可在很大程度上抑制凝露的形成。因為凝露主要形成在頂部，所以設計一套可裝拆的電力箱體防凝露硬件裝置罩在電力箱體的頂部，通過熱量循環抑制電力箱體內凝露的形成。

電力箱體防凝露硬件裝置結構如圖1 所示，其內含有電熱絲，根據Q=I2Rt的原理，產生熱量。裝置第一層為不銹鋼膽構造；第一層和第二層之間為真空環境，杜絕熱力傳遞與對流；第二層為鋁箔，使其產生鏡面反射，杜絕熱輻射的發生，使溫度持續穩定；第三層為鋁合金，便于熱量傳導。

圖1 防凝露硬件裝置

式(1) 中，Q為防凝露硬件裝置產生的熱量；I為通過電熱絲的電流；R為電熱絲的電阻；t為電熱絲中通過電流的時間。

由于電流I取自電力箱體內，故為定值；電熱絲采用鐵鉻鋁電熱合金電熱絲，設定每立方米的電阻為1 500 Ω，則R=1 500VX，VX為防凝露硬件裝置的體積。

根據Q=CmΔT的原理：

式(2)中，Q與式(1)中一致，為防凝露硬件裝置產生的熱量；C1為電力箱體材料的比熱容，即不銹鋼的比熱容；ρ1為不銹鋼的密度；V為電力箱體的體積，為定值；ΔT1為電力箱體的溫升；C2為電力箱體內空氣的比熱容；ρ2為空氣的密度；ΔT2為電力箱體內空氣的溫升；VX為防凝露硬件裝置的體積；ΔTX為電力箱體壁與環境溫度的溫度差，此處認為ΔT1=ΔTX。

由式(1)和式(2)可知：通過控制VX或t可以控制Q的大小，進而控制電力箱體的溫度。其相應的函數如下：

其函數圖象如圖2 所示。在充分考慮裝置造價的情況下，需對VX進行限制，相應的造價函數為一元線性函數，即：

圖2 公式(3)函數圖象

式(4)中，S為造價，VX為防凝露硬件裝置的體積。

與此同時還需考慮箱體內壓強以及設備絕緣的情況，進而通過控制得到一個最優的Q值，以保證電力箱體在一個合適的溫度，防止箱體內凝露的形成。

現場的戶外電力箱體內多數均配置加熱器和除濕機，為了更有效地達到防凝露的效果，本硬件裝置可以與現有的加熱器和除濕機配合使用。

2 防凝露裝置智能控制器

電力箱體溫度和濕度的變化是一個緩慢的過程，在對其的控制過程中會出現時滯問題，普通的PI 控制不能進行精確的控制。為解決該問題，考慮包括區間時滯、中立型時滯和分布時滯的混合時變時滯，通過選取適當的Lyapunov-Krasovskii泛函，基于線性矩陣不等式(LMI)設計出模糊H-∞控制器，通過該控制器可有效地解決時滯問題，并保證控制的穩定性和精度，如圖3 所示。

圖3 防凝露硬件裝置產生熱量控制

通過控制防凝露硬件裝置產生的熱量來控制電力箱體的溫濕度。戶外電力箱體應有一個通風口，當防凝露硬件裝置進行加熱工作時，方便電力箱體內外空氣的流通。

3 戶外電力箱體防凝露系統

通過設計防凝露系統實現對全省變電站戶外電力箱體的態勢感知，進而進行分析決策，最終實現對防凝露裝置的統籌配置以及對防凝露裝置的最優控制。溫濕度傳感器的遙測量、加熱器和除濕機的工作狀態傳到變電站戶外電力箱體防凝露系統，如圖4 所示。變電站戶外電力箱體防凝露系統對該信號傳來的時間、具體的電力箱體編號、當前戶外溫濕度、當前電力箱體內的溫濕度等數據以及加熱器和除濕機的工作狀態進行采集后，對變電站內每一個箱體形成相應的數據庫，然后進行初步的數據分析、處理，并形成邊緣決策。

圖4 變電站戶外電力箱體防凝露系統

上述初步處理過的數據、初步分析結果以及相應的邊緣決策將上傳至江蘇省變電站戶外電力箱體防凝露云平臺(如圖5 所示)。該防凝露云平臺同時考慮每一個地市不同的氣候特點，進而進行深層次的大數據分析，通過大數據分析，得出不同地區變電站內每一個戶外電力箱體產生凝露的歷史規律，并通過云平臺中嵌入的人工智能系統對不同地區變電站內每一個戶外電力箱體產生凝露的未來規律進行預測。然后通過橫向和縱向對比每一個戶外電力箱體的凝露規律，對全省變電站內每一個戶外電力箱體分別做出一個全生命周期的、實時的、精準的控制方案，以實現對防凝露硬件裝置的“靶向”投放、收回，最終達到實時精準控制防凝露硬件裝置產生的熱量，使防凝露硬件裝置產生的熱量、箱體內加熱器產生的熱量以及除濕機的功率三者達到最優化。

圖5 江蘇省變電站戶外電力箱體防凝露云平臺

通過上述電力物聯以及人工智能云平臺系統的應用可以有效地解決戶外電力箱體的防凝露問題，同時降低運維成本，提高運行效率。相應的拓撲圖如圖6 所示。

圖6 信息傳輸、處理及控制拓撲

當變電站與防凝露云平臺的通信出現中斷或數據丟包時，將由變電站戶外電力箱體的防凝露系統自主控制電力箱體的防凝露硬件裝置。由于站內數據傳輸距離較短且較為穩定，故暫時不考慮站內通信問題。

為了實現良好的人機交互，以及預防系統自動控制不理想現象的發生，在江蘇省變電站戶外電力箱體防凝露云平臺和變電站戶外電力箱體防凝露系統內相應地嵌入手動控制模塊以解決上述問題。

4 應用效果

為了驗證變電站戶外電力箱體防凝露裝置及相應系統的有效性，在江蘇省蘇州市某變電站進行了應用。

根據應用結果可知，變電站戶外電力箱體防凝露裝置及相關系統可以有效地防止戶外電力箱體凝露的產生，并且系統界面具有較好的可視性。

5 結論

設計的變電站戶外電力箱體防凝露裝置及智能控制系統通過可裝拆式防凝露裝置、模糊H-∞控制器、人工智能云平臺系統及人機交互，有效地解決了變電站戶外電力箱體的凝露問題。其具體特點如下。

1) 可裝拆式電力箱體防凝露硬件裝置罩在電力箱體的頂部，無需對電力箱體進行較大的改動，且具有可裝拆性。因此具有較好的經濟性和便捷性。

2) 戶外電力箱體防凝露系統通過應用人工智能云平臺和對應的傳感器實現了對電力箱體的態勢感知，并根據大數據處理結果對相關硬件裝置制定全生命周期的、實時的、精準的控制方案。通過該控制方案有效解決了傳統控制方案的諸多弊端，降低了運維成本，提高了工作效率。同時，通過設計模糊H-∞控制器相應地解決了電力箱體溫濕度控制過程中的時滯問題，可供工程應用參考。