基于無線傳感技術的智能環網柜調控儀的設計

張 靜,胡 翔,李題印,姚海燕（.浙江群里電氣有限公司; .國網杭州市余杭區供電公司,杭州 300）

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基于無線傳感技術的智能環網柜調控儀的設計

張 靜1,胡 翔1,李題印2,姚海燕2
（1.浙江群里電氣有限公司; 2.國網杭州市余杭區供電公司,杭州 311100）

摘 要：為解決由于開閉所內空氣潮悶、通風效果差、電纜溝積水等原因而造成的環網柜內濕度大、電氣設備易出現凝露、站內臭氧濃度高、電暈放電嚴重、絕緣被破壞、設備易被氧化等問題，本文設計研發了一款智能環網柜內置環境調控儀。該儀器由高精度數字傳感器、數據采集模塊、控制系統和參數調節執行機構組成，通過控制系統，對運行環境參數進行調節，從而起到對環網柜內運行環境進行實時監測的作用，進而有效地提高了環網柜的運行穩定性。

關鍵詞：智能環網柜；環境調控儀；控制系統

0 引言

環網柜作為電力系統中線路開合、電力設備控制和保護的重要設備，在發電、輸電和配電的各環節中廣泛運用，環網柜的安全運行將直接影響用戶供電的可靠性。目前，環網柜正朝著通信網絡功能強大，通信協議標準化，軟件配置先進，自動化程度高，可靠性高，安全性強，結構模塊化，可組成綜合自動化控制系統等方向發展。然而，現階段我國環網柜內部存在缺少對內溫度、濕度和腐蝕性氣體濃度進行監測的系統；開閉所、變電站內空氣潮悶、通風效果差、電纜溝積水等原因造成的環網柜內濕度大、電氣設備易出現凝露、站內臭氧濃度高、電暈放電嚴重、絕緣被破壞、設備易被氧化等問題[1,2]。同時，環網柜檢測的傳統方法是采取定期巡檢的方式，以單獨使用故障指示器為手段，并沒有早期故障檢測這類功能，更沒有形成配套的相關系統。若突發故障，只能在發生故障后使用人力逐個排查；即使涉及故障診斷也僅限于針對環網柜的某個單項性能指標，不能同時從絕緣、機械和溫升等多個角度全面判別環網柜的健康狀況，這種不全面的檢測方法極有可能由于各種原因造成誤判[3-4]。

1 智能環網柜內置調控儀總體設計思路

本智能環網柜內置環境調控儀通過高精度數字傳感器、信號采集模塊，對環網柜內溫度、濕度和腐蝕性氣體濃度進行監測；可以有效的改善由于開閉所、變電站內空氣潮悶、通風效果差、電纜溝積水等原因造成的環網柜內濕度大、電氣設備易出現凝露、站內臭氧濃度高、電暈放電嚴重、絕緣被破壞、設備易被氧化等問題，提高電氣設備的使用壽命和使用安全性。

首先采集各項環境參數，并進行判斷處理，當運行環境參數超過設定的閾值時，調節執行機構（加熱器、軸流式風扇）進行調節；采用分級調節的方式，具有一定的節能功能。監測環境參數的信息可以就地顯示，也可通過便攜式數據采集終端傳送至后臺管理系統。

環網柜電氣設備運行環境監測調控技術可改善RM6型環網柜的內部環境，運行環境監測調控模塊能夠采集柜內環境溫度、濕度等參數，同時通過控制系統對運行環境參數進行調節，當運行環境參數超過閾值時控制執行機構進行調節，通過設計有效的人工環流（通過機械機構設計解決）解決可能出現的環網柜及電氣設備凝露、溫度過低（高）等問題；同時，監控系統具有標準的數據通信接口，用于數據的就地顯示和上傳。

2 智能環網柜內置環境調控儀具體實施步驟

2.1 機械功能的實現

（1）機械架構。本智能環網柜內置環境調控儀選用線切割機下料，采用卡尺、萬能角度尺進行“三檢”，保證下料尺寸的準確性以及各板件開孔位置的準確性。

本智能環網柜內置環境調控儀采用折彎機及相關模具，保障零件加工后的尺寸精度及裝配后產品外觀質量。例如背板及左、右側板的折彎加工；左、右側板、頂板及前面板采用焊接加工，在焊接過程中為了提高效率，防止焊接變形及各板件的垂直度，設計了內模工裝。各板件的開孔均在焊接前完成。焊接完成后對焊縫進行打磨清理，從工藝上保障了焊角的外觀質量；背板及底板在產品調試完成后，最后安裝。

（2）關鍵部件結構。本智能環網柜內置環境調控儀各關鍵部件如圖1和圖2所示。

1）測溫傳感器。測溫傳感器是用于監測環網柜內的溫度的無線傳感器。

2）多級調節風扇。本調控儀多級調節風扇是用來降低柜內溫度的，一旦監測到環網柜內運行溫度達到或超過預警值，就啟動風扇并對風扇轉速進行調節，從而保證環網柜在適宜的溫度下運行。

3）撥碼器。本智能環網柜內置調控儀在使用之前要根據當地環境設置相應參數，對其撥碼進行以下四個參數的設置：

①溫度限值：-20℃～+60℃；

②溫度控制：設置調控儀開始運行所達到的溫度限值；

③站地址：設置調控儀所對應的環網柜的地址；

④設備地址：設置調控儀編號。

本調控儀在第一次使用的時候，應保證調控儀的參數與所在配電系統現場所需參數的一致性，否則會出現測量數據不正確的情況。

2.2 控制電路功能的實現

本智能環網柜內置環境調控儀控制電路功能的實現，采用了ATmega64作為主控芯片，在線監測電纜負荷電流等參數與環網柜內各設備的運行狀態；利用數字式溫度傳感器和濕度傳感器機對運行溫度和實時進行實時采集；通過液晶、LED數碼和LED指示燈顯示各溫濕度情況和各設備運行狀態。另外，柜體智能操控主機可以通過RS485總線與其他設備進行接口。

2.3 智能環網柜內置調控儀功能描述

本次設計的智能環網柜內置電氣設備運行環境監測調控儀的基本功能是，可通過高精度數字傳感器和信號采集模塊實時監測柜體內環境溫度、濕度等參數，即當柜體內溫、濕度超出合適的運行范圍時，控制加熱裝置、通風裝置調節柜體內溫、濕度到合理的范圍，其中，調控參數閥值可手動設定；同時，當運行參數超出設定值時，具有報警功能；并能夠實現對監測數據的存儲，存儲時間長達30天。 同樣的，該調控儀也應具有通信功能，通過通信接口，將監測到的環境參數送到就地顯示模塊，進行數據顯示；同時，還可將監測環境參數傳送至便攜式數據采集終端和后臺系統；另外，通過通信接口，還可利用便攜式數據采集終端對該模塊進行基本參數設置和控制。另外，該儀器還具備擴展功能，第一，設計預留標準通信接口和通信協議，本儀器可以和以后擴展的其他監控模塊進行對接；第二，根據不同類型高低壓環網柜的具體應用情況，可以對該儀器結構和控制方式進行調整，能夠應用于各種類型的室內或室外高低壓環網柜。

3 性能分析

本智能環網柜內置環境調控儀與以往的環境調控儀相比，其具體的性能優勢體現在以下五個方面：

（1）智能環網柜環境調控儀具有多級調節功能，能根據不同安裝地的具體情況，有效控制風扇轉速和多級加熱片，環境調節模式多和調節改善效率高，可實時保障柜內環境處于正常狀態，有效杜絕了引發故障的誘因產生；

（2）在監測系統的參數設定方面，智能環境調控儀也做了相應改進，脫離了以往只可手動設定的局限（待確定），可根據實際情況通過手動面板設定或者數據采集終端設定，并實現運行參數超出設定值時，自動報警的功能，為設備安全運行增加了一道可靠的保障；

（3）相對以往簡化甚至沒有數據存儲的缺陷，智能環境調控儀實現對監測數據長達30天自動本地實時存儲，對故障檢測的原因分析提供了客觀詳實的依據；

（4）以往環境調控儀功耗過高造成故障頻發的問題早已亟待解決，通過流體力學實驗設計的18%的傾角和物理結構使功耗比最高，是以往環境調控儀難以企及的優勢所在。

4 結語

本課題所研究設計的環網柜電氣設備運行環境監測調控模塊能夠解決可能出現的環網柜及電氣設備凝露等問題，從而提高開閉所內電氣設備的使用壽命和運行可靠性。調控模塊由高精度數字傳感器、數據采集單元、控制系統和參數調節執行機構組成，首先采集各項環境參數，同時通過控制系統，對運行環境參數進行調節，當運行環境參數超過一定值參數調節執行機構（加熱器、軸流式風扇）進行調節；控制系統一方面要調節運行參數在合適的范圍，同時具有節能功能。其本質為環網柜智能輔助模塊，模塊安裝后可提高環網柜的智能性，形成智能型環網柜產品予以推廣。

參考文獻：

[1]俞曙江.開閉所內部運行環境監測與控制技術應用研究[J].電氣應用,2012,21(31):88-90.

[2]熊蘭,徐敏捷,楊子康等.基于翅片散熱和ZigBee的開關柜觸頭溫度測控系統[J].電力自動化設備,2014,7(34):157-162.

[3]孫曉雅,李永倩,李天等.基于光纖光柵的開關柜溫度在線監測系統設計[J].電力系統通信,2012,33(05):6-10.

[4]王華學.基于無線傳感網的高壓開關柜溫濕度測控系統設計[J].電子測試,2015(04):9-10.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.109