用于縣域配電網的溫濕度監控成套裝置開發與應用

郭靈豐

（內蒙古電力（集團）有限責任公司包頭供電局達茂分局，內蒙古 包頭 014500）

0 引言

隨著我國“十四五”規劃開始實施，經濟不斷地發展，人民生活水平不斷提高，對電力供應的需求量也呈現出逐年不斷遞增的趨勢。區域電網系統中的變電站如何安全穩定的運行，成為供電企業需要綜合考慮的問題[1]。而變電站、開閉站、箱變中許多設備，如SF6 斷路器、端子箱等一般均安裝在戶外，受天氣影響較大，溫度過高或過低、濕度過大等均可能影響到設備的安全運行，為此需要增加加熱和除濕等溫濕度控制輔助設備，讓主設備的溫濕度保持在合理的范圍內。一旦溫濕度控制輔助設備發生故障，比如加熱裝置出現故障，就不能維持主設備正常運行需要的溫度，可能會使SF6 斷路器內部的SF6 氣體產生液化現象，導致其絕緣性能嚴重下降，可能造成分合閘回路閉鎖故障。再比如除濕吹風裝置故障，夏季會造成端子箱內濕氣增加，冬季會造成端子箱內結霜，均可能造成箱內端子受潮短路[2]。總之會引起外部、內部故障情況下的主設備燒損或越級跳閘等事故，擴大了停電范圍，增加了經濟損失，給供電企業帶來更大的負面影響。

1 成套裝置總體設計

為及時發現和消除溫濕度控制輔助設備的故障，設計一種電力系統中溫濕度監控成套裝置，能夠更加直觀、快捷、高效的排查出溫濕度監控成套裝置控制回路中的加熱器或除濕風機等設備出現的故障，方便現場運維人員及時掌握設備運行情況，快速進行故障點定位并及時解決故障，避免造成更大損失[3]。

溫濕度監控成套裝置包括溫濕度控制模塊和智能邏輯分析電路模塊兩部分。溫濕度控制模塊分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和外部220V 交流電源。智能邏輯分析電路模塊包括處理器MCU、I/O 控制繼電器、電路控制繼電器、通信模塊、斷線監測模塊和有源交流220V 控制輸出模塊。設有加熱器和除濕風機設備接口，用于反饋測量采集電信號，并連接蜂鳴器、告警燈和無線通信設備。處理器MCU 內部可預設用于檢測溫度和濕度的閾值。成套裝置總體設計如圖1 所示。

圖1 溫濕度監控成套裝置總體設計示意圖

2 溫濕度控制模塊設計

溫濕度控制模塊包括電源模塊、溫度傳感器、濕度傳感器等。

電源模塊輸入為交流220V 電壓輸入，通過一系列降壓以及轉變，使輸出的電壓和電流能夠滿足實際系統的一般要求和系統使用過程中的可能出現的特殊要求。需要注意的一點就是如果想提高輸出電壓和電流的穩定性，選擇帶有濾波技術的電源，濾波技術可以做到消除多余的雜波，并且還能夠降低一些不利的影響，提高系統在使用過程中的安全性和穩定性[4]。

監控系統主要是監控環境中的溫濕度的具體變化情況，需要去采集環境中具體的溫濕度和它們的變化情況，將采集到的溫濕度信號由模擬信號轉換成數字信號，便于傳送、分析和記錄。溫濕度傳感器要具有比較高的精度，產品性能的穩定性要高。

3 智能邏輯分析電路模塊設計

傳統變電站、開閉站、箱變中溫濕度控制器正常運行時，當溫、濕度測量采集的數據達到啟動加熱器或除濕風機設備的限值時，溫濕度控制器的加熱、吹風輸出控制回路中的（以下簡稱控制回路）兩端有電壓和電流輸出；反之當溫、濕度測量采集的數據未達到啟動加熱器或除濕風機設備的定值時，溫濕度控制器的加熱、吹風輸出控制回路中無電壓和電流輸出；而當加熱器或除濕風機設備發生斷路故障時，同時溫濕度控制器達到加熱器或除濕風機設備的啟動定值時，控制回路有電壓無電流。溫濕度控制器拒動，造成設備失溫或凝露、結霜，導致變電站運行設備發生故障，產生運行事故。針對此類故障，可在溫濕度控制器的控制回路中加入一種智能邏輯分析電路，通過其控制回路中的電壓和電流的有無情況來智能分析判斷外回路中的加熱器或除濕風機設備的運行狀況。溫濕度監控成套裝置中帶有蜂鳴器、告警指示燈，當加熱器或除濕風機設備發生斷路故障時可主動發出聲光報警，新型溫濕度控制器內部應具有RS485 通信及無線通信功能，結合LORA 無線通信技術、Wi-Fi 技術、5G通信技術將采集的溫度、濕度的實時數據和加熱器或除濕風機設備的運行狀態上傳至大數據云端、當地、調度監控平臺或移動APP 終端等，從而方便了現場運維人員及時掌握加熱器或除濕風機設備的運行狀況。智能邏輯分析電路模塊原理邏輯圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度監控成套裝置原理邏輯圖

3.1 溫濕度采集控制邏輯

通過連接溫濕度傳感器，由裝置MCU 計算出溫濕度值，根據預設的溫度上下限值和濕度上限值判斷裝置是否啟動加熱或吹風設備，具體邏輯見表1。

表1 出口動作邏輯

溫度低于預設的下限溫度時或濕度高于預設的上限濕度同時溫度低于預設的上限溫度5℃時啟動加熱設備。溫度高于預設的下限溫度10℃時或濕度低于預設的上限濕度15%RH 時加熱設備停止工作。

溫度高于預設的上限溫度時或濕度高于預設的上限濕度同時溫度高于預設的下限溫度10℃時啟動吹風設備。溫度低于預設的上限溫度5℃時或濕度低于預設的上限濕度15%RH 時吹風設備停止工作。

3.2 智能邏輯分析電路控制邏輯

通過監測控制回路中電壓和電流的輸出情況，來判斷出口是否啟動及出口啟動后外接設備是否運行正常。具體邏輯見表2。

表2 出口判斷邏輯

出口處有電壓輸出說明出口已啟動，反之則未啟動，有電壓輸出同時也有電流輸出，說明外接設備運行正常，僅有電壓輸出而無電流輸出則說明外接設備運行出現故障，進行報警，提示運維人員進行檢查修理。

3.3 通信模塊設計

溫濕度監控成套裝置設有RS485 通信模塊及無線通信模塊，可以聯接RS485 總線通信接口和無線通信設備。利用LORA 無線通信技術、Wi-Fi 技術、5G 通信技術將溫度傳感器和濕度傳感器采集轉化成的溫度、濕度的實時數據和加熱器或除濕風機設備的運行狀態等信息進行傳輸，可以將數據通過網絡上傳至大數據云端、當地電腦、調度監控平臺等，也可以通過專用App 傳輸到手機等移動終端，現場運維人員通過手機等移動終端可以及時掌握各監控現場的溫濕度和加熱器或除濕風機設備的運行狀況，根據監控數據進行及時檢查維修。

4 關鍵技術及創新點

溫濕度監控成套裝置可以根據不同地區用戶的不同要求，在程序中預設溫度下限值、溫度上限值和濕度上限值，便于不同現場環境下使用。

溫濕度監控成套裝置在溫濕度控制器的控制回路中加入一種智能邏輯分析電路，通過其控制回路中的電壓和電流的有無情況來智能判斷外回路中的加熱器或除濕風機設備的運行狀況。

溫濕度監控成套裝置中帶有蜂鳴器和告警指示燈，當加熱器或除濕風機設備發生斷路故障時可主動發出聲光報警。

溫濕度監控成套裝置設有通信模塊，通過Mod-bus 規約RS485 通信接口，可以將實時監測參數利用通過網絡進行遠程傳輸，傳輸到運維班組，實現遠程監控。也可以通過無線通信模塊，采用Wi-Fi 技術將實時監控數據傳輸到手機等移動通信設備上。

在環網柜中安裝了溫濕度監控成套裝置之后，環網柜內未出現過因溫度過高或濕度過大的原因而引起的相關故障。溫濕度監控成套裝置實時監測環網柜環境中的溫濕度參數及加熱和吹風設備的工作狀態，當加熱和吹風設備出現故障時，溫濕度監控成套裝置會發出聲光報警信號，提示運維人員及時進行檢查修理，提高了運維效率，保證了供電可靠性。

5 研究成果實際應用及效果

5.1 避免因溫度過高、濕度過大引發的環網柜故障

采用溫濕度監控成套裝置可以避免因溫濕度引發的多種環網柜故障，具有以下特點：（1）智能控制吹風設備，避免了環網柜內溫度過高的問題出現，提高了環網柜的安全性和穩定性。（2）智能控制除濕技術，實時監控現場環境的濕度，在環境濕度達到預設的濕度上限時啟動加熱或吹風設備，避免凝露產生造成設備故障，還可以延長環網柜內電子器件的壽命[5]。可以實現閉環反饋，快速及時反應。（3）綜合故障報警，報警方式有聲音報警和燈光報警。（4）可以根據現場具體環境設置溫濕度閾值和加熱除濕設備啟停邏輯，滿足不同地區，不同環境的要求。（5）可以將測得的實時溫濕度數據和加熱或除濕吹風設備的運行狀態按時間進行記錄，便于維護和統計分析及查找原因。

5.2 實現了環網柜遠程環境參數監控

環網柜中溫濕度監控成套裝置采用了設備監控設備的方式，實時監控環境中的溫濕度，可感知因導體過熱產生的高溫，預警柜內火災；可以通過控制加熱和吹風設備，實現環網柜內露點控制，防止凝露的產生。溫濕度監控成套裝置通過Mod-bus 規約RS485 通信接口，可以將實時監測參數利用通過網絡進行遠程傳輸，傳輸到運維班組，運維人員在值班室就可以掌握環網柜內的溫濕度及加熱和吹風設備的運行狀態，實現遠程監控。

5.3 提高運維工作效率

采用溫濕度監控成套裝置可以提高運維工作效率，具體表現在以下兩方面：（1）環網柜溫濕度監控成套裝置采用Mod-bus 規約RS485 通信接口，將實時監測數據遠程傳輸到運維班組，也可以通過無線傳輸模塊采用Wi-Fi 技術將監測數據傳輸到手機等移動通信設備上，便于運維人員根據監測到的環境參數開展運維工作，測試設備是否運行正常或維修好，提高了運維人員的工作效率。（2）環網柜溫濕度監控成套裝置能夠智能控制投切加熱和吹風設備，當環網柜內溫度低至設定溫度下限時或濕度高至設定濕度上限時，會立即啟動加熱或吹風設備，防止設備低溫運行或產生凝露[6]。只有當加熱或吹風設備發生故障，不能正常工作時，才需要運維人員進行檢修，減少了運維人員的巡檢次數，提高了巡檢效率。

5.4 降低了運維成本

采用溫濕度監控成套裝置可以從以下兩方面降低運維成本：（1）環網柜溫濕度監控成套裝置的采用，可以有效減少運維人員的巡檢次數，巡檢次數減少，下站和出車的次數同步減少，車輛的損耗和油耗也同時減少，降級了運維成本。（2）溫濕度監控成套裝置能夠幫助實現環網柜無人值守，減少運維人員的數量和巡檢的次數，降低人工成本。與沒有安裝溫濕度監控成套裝置的環網柜相比，安裝了溫濕度監控成套裝置的環網柜具有更高的可靠性和穩定性，能夠有效降低因環境溫濕度影響造成的各種事故和經濟損失。

6 結語

溫濕度監控成套裝置具備自檢功能并主動發出故障告警，能夠更加直觀、快捷、高效地排查出變電站、開閉站、箱變中的運行中溫濕度控制器外控制回路中的加熱器或除濕風機設備出現的斷路故障，方便現場運維人員及時掌握設備運行情況，消除事故隱患，快速進行故障點定位并及時消除故障、缺陷，避免造成重大事故隱患帶來的經濟損失及給供電企業帶來負面影響。有利于供電企業優化營商環境，滿足廣大客戶享受一站式“獲得電力”的服務。