變電站戶外端子箱智能加熱器的研發(fā)

謝 亮

(南京供電公司，江蘇南京210013)

戶外端子箱在變電站起著動力、控制、測量和保護作用。戶外端子箱對于提高二次回路的絕緣和電氣性能，防止因二次回路絕緣和老化問題引發(fā)的各種缺陷與異常，確保主設(shè)備及其系統(tǒng)安全運行具有重要意義。

1 提出方案

在晝夜溫差大且空氣潮濕的地方，空氣中的水分遇冷，通常就會凝結(jié)成小水珠。戶外端子箱經(jīng)過白晝太陽的暴曬以及內(nèi)部電器的發(fā)熱，深夜時柜體箱壁溫度下降，柜體內(nèi)潮濕的熱空氣碰到冰冷的箱壁形成了凝露。水珠可能凝結(jié)在戶外端子箱柜體內(nèi)的頂部和內(nèi)壁，凝結(jié)的水珠在重力的作用下，就會滴落至正在運行的端子排上。戶外端子箱一旦受潮嚴重，將導致端子箱內(nèi)的運行環(huán)境變差，進而使得交直流回路對地絕緣電阻降低，造成二次回路接地或短路，這將造成保護誤動或拒動等，甚至造成斷路器的誤動，危害極大。另外，當發(fā)現(xiàn)戶外端子箱受潮嚴重后，還需要冒著極大的安全風險更換端子排或端子箱，甚至將所涉設(shè)備和回路停電，同樣存在著嚴重的事故隱患。因此，加強對戶外端子箱的日常除濕、防潮處理就顯得尤為重要。

目前常見的戶外端子箱除濕、防潮處理方法有2種。（1）在戶外端子箱內(nèi)加裝電爐絲，通過人工手動開啟。（2）安裝自動檢測溫濕度的裝置進行除濕。普遍使用的是方法（1），運行人員在日常巡視中根據(jù)天氣情況或查看端子箱內(nèi)部凝露情況進行人工手動開啟或關(guān)閉端子箱加熱器。但是該方法無法在溫度和濕度變化后立即啟動和停止，因其為人工操作，存在容易遺忘的問題，且沒有完善的監(jiān)視回路，無法監(jiān)測加熱器可能出現(xiàn)斷線的情況。管理稍不到位就容易出現(xiàn)端子排受潮造成諸如誤跳斷路器等之類的事故。

少數(shù)變電站的戶外端子箱安裝了自動檢測溫濕度和自動除濕裝置，運行效果良好。但是如果過于依賴自動除濕裝置，一旦自動除濕裝置發(fā)生故障，由于沒有故障報警功能，運行人員疏于檢查時，同樣也會帶來很大的安全隱患。

與目前使用的自動加熱器不同，戶外端子箱智能加熱器不僅能夠自動檢測端子箱內(nèi)部的溫度、濕度，根據(jù)設(shè)定的定值自動啟動和關(guān)閉加熱器，還具有完善的自我監(jiān)測報警功能[1]，一旦發(fā)生加熱回路斷線、過度潮濕或長時間無法改善端子箱內(nèi)部溫濕度，戶外端子箱智能加熱器通過RS-485總線上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心計算機進行報警[2]，告知運行人員進行現(xiàn)場檢查和修理。與現(xiàn)有端子箱相比，戶外端子箱智能加熱器只增加了箱璧測溫、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)通信和報警功能有關(guān)的少量軟硬件，既控制了成本，又增強了設(shè)備的功能，提高了安全運行可靠性。

2 智能加熱器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能加熱器包括電源模塊、地址編碼器、MCU模塊、看門狗模塊、光電隔離模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動接口、狀態(tài)反饋電路、顯示接口模塊、RS-485數(shù)據(jù)接口模塊、箱內(nèi)溫濕度傳感器、箱內(nèi)璧溫度傳感器和電加熱器組件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能加熱器系統(tǒng)框圖

3 智能加熱器的硬件設(shè)計

MCU模塊使用C8051F410微控制器，它是完全集成的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)8051兼容的微控制器核，達32 kB的片內(nèi)FLASH存儲器，2304 B片內(nèi)RAM，硬件實現(xiàn)的SMBus并兼容I2C總線、增強型UART串行接口和增強型SPI串行接口，4個通用的16位定時器/計數(shù)器，多達24個端口I/O，真12位每秒采樣200 000次的24通道ADC、帶模擬多路器等。

電源模塊把工頻交流電轉(zhuǎn)換成戶外端子箱內(nèi)各個模塊的工作電源后，為它們供電。

顯示接口是與MCU模塊相連，將MCU模塊采集處理后的溫濕度送顯示。

RS-485通信模塊，是通過RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控后臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

箱內(nèi)溫濕度傳感器和箱內(nèi)壁溫度傳感器的輸出接入光電隔離接口，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路，傳給MCU模塊。

地址編碼器與MCU模塊連接，是為智能加熱器設(shè)定身份標識碼，在通信網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)了地址的唯一性。通過8位撥碼開關(guān)和74HC165來實現(xiàn)，74HC165是并入串出8位移位寄存器，8位撥碼開關(guān)與74HC165連接，再由74HC165的“/CE_ADDR”、“CP_ADDR”和“DATA_ADDR”3 個輸出線與 MCU模塊連接，其電路圖如圖2所示。

圖2 地址編碼器電路

驅(qū)動接口，是MCU模塊將控制信號輸出到驅(qū)動接口，驅(qū)動接口驅(qū)動電加熱器組件工作。其通過MMBT489LT1和G6B-2214來實現(xiàn)，G6B-2214為常開型繼電器，MCU模塊通過控制 “〈-HeatFan”信號來驅(qū)動電加熱器組件，當置“〈-HeatFan”信號為高時，G6B-2214繼電器動作，其干觸點閉合，“Heat+”和“Heat-”導通，“Fan+”和“Fan-”導通，即驅(qū)動電加熱組件（加熱器和風扇）工作。當置“〈-HeatFan”信號為低時，G6B-2214繼電器不工作，其干觸點斷開，“Heat+”和“Heat-”斷開，“Fan+”和“Fan-”斷開，即禁止電加熱組件（加熱器和風扇）工作。“Heat+”連接電加熱器，“Fan+”連接風扇。其電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動接口電路

狀態(tài)反饋接口，是檢測加熱器組件的工作狀態(tài)，將狀態(tài)反饋給MCU模塊。MCU模塊通過實時讀取“HeatFB_IN”和“FanFB_IN”信號來偵測加熱器組件的工作狀態(tài)，當加熱主件（電加熱器、風扇等）發(fā)生異常時（如短路、斷路），MCU模塊會給出報警信號，通過485接口上傳給監(jiān)控中心。狀態(tài)反饋接口電路如圖4所示。

圖4 狀態(tài)反饋接口電路

看門狗模塊與MCU模塊連接，以此檢測MCU的工作運行狀態(tài)。看門狗選用CAT1023，它利用低功耗CMOS技術(shù)將2 kB的串行EEPROM存儲器和用于掉電保護的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)。存儲器采用400 kHz的I2C總線接口。2 kB的串行EEPROM存儲器可存放溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值等參數(shù)，MCU模塊通過與“SCL”和“SDA”的連接進行I2C通信實現(xiàn)存取數(shù)據(jù)功能。CAT1023可防止MCU模塊的系統(tǒng)程序進入死循環(huán)、或程序跑飛。可監(jiān)控系統(tǒng)電源電路如圖5所示。

圖5 看門狗電路

4 智能加熱器的軟件設(shè)計

軟件上，智能加熱器完成溫濕度采集數(shù)據(jù)的處理、邏輯判斷、加熱器的輸入輸出控制、自檢、通信、報警、自啟動等功能。

工作過程：MCU模塊在上電或復位后，先進行初始化，再進行自檢，如果有故障則進行報警，如果沒有故障則采集和處理箱外溫濕度傳感器和箱內(nèi)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)；然后MCU模塊根據(jù)采集處理過后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋電路反饋給MCU的電加熱器組件的狀態(tài)來進行電加熱器組件是否開啟或關(guān)閉的動作邏輯判斷、控制；看門狗模塊監(jiān)控MCU模塊無誤后，最后與監(jiān)控后臺進行通信，把檢測的溫濕度數(shù)據(jù)和智能加熱器的運行狀態(tài)、電加熱器組件的工作狀態(tài)、報警信息上傳監(jiān)控后臺。智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)

部分程序如下：

5 智能加熱器的應(yīng)用組網(wǎng)

智能加熱器內(nèi)部有485接口電路，RS-485總線將變電站中各戶外端子箱智能加熱器與監(jiān)控后臺聯(lián)系成一體，進行分散運行、集中監(jiān)控，從而組成了戶外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)。

各戶外端子箱智能加熱器將檢測的溫濕度數(shù)據(jù)和自身運行情況或報警信息上傳給后臺監(jiān)控系統(tǒng)。后臺監(jiān)控系統(tǒng)可以通過下達命令控制智能加熱器的開啟或關(guān)閉，也可以對其溫濕度定值進行修改，方便運行人員的操作和控制。智能戶外端子箱監(jiān)控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 戶外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)

6 結(jié)束語

現(xiàn)場應(yīng)用表明，使用智能加熱器的變電站，減少了戶外巡視、人工開啟或關(guān)閉加熱器的操作，從根本上克服了因加熱器異常損壞造成的凝露現(xiàn)象。特別是無人值守變電站應(yīng)用智能加熱器后，在中心站就可以隨時通過網(wǎng)絡(luò)查詢各加熱器的運行狀態(tài)，節(jié)約了人力，確保加熱器100%處于良好工作狀態(tài)。戶外端子箱智能加熱器的推廣必將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，對于即將推廣建設(shè)的數(shù)字化變電站中戶外獨立智能電網(wǎng)設(shè)備的控制回路的安全、可靠運行也會起到保障作用。

[1]謝 開，劉永奇，朱治中，等.面向未來的智能電網(wǎng)[J].中國電力，2008，41(6)：19-22.

[2]陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(8)：1-8.