基于5G物聯(lián)網(wǎng)的配電箱內(nèi)溫濕度控制策略研究

國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司 陳軍法 張文華 周曉燕

作為變電站內(nèi)最常見的設(shè)備，配電箱在運維工作中十分重要。根據(jù)不同應(yīng)用，箱內(nèi)常見各種測量、保護(hù)設(shè)備，動力裝置以及表計。這些設(shè)備的運行都依靠配電箱提供基本保護(hù)。配電箱為了維持箱內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，配置有通風(fēng)裝置、加熱裝置以及溫控器。確保箱內(nèi)環(huán)境不隨著箱外環(huán)境變化而劇烈變化，為設(shè)備提供了適當(dāng)?shù)倪\行環(huán)境。防止設(shè)備因為高低溫，結(jié)露等情況造成損壞或故障[1]。

傳統(tǒng)溫控裝置具有成本低，簡單可靠的特點，但隨著變電站配電箱內(nèi)設(shè)備日益精密。如何提高配電箱內(nèi)環(huán)境控制能力成為研究熱點。目前5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)的研究熱點。通過將5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)溫控器進(jìn)行結(jié)合，形成智能的環(huán)境控制終端，通過對接云平臺系統(tǒng)。將箱內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集并上送。云平臺部署智能監(jiān)控程序，可以在天氣變化時及時對控制器進(jìn)行參數(shù)更新。提高配電箱的應(yīng)急響應(yīng)能力。

經(jīng)過技術(shù)化改造的配電箱內(nèi)環(huán)境控制，同樣有利于運維工作。目前變電站運行管理要求按照季節(jié)對配電箱內(nèi)溫控器閾值和狀態(tài)進(jìn)行巡檢。由于配電箱在變電站內(nèi)數(shù)量多，對工人來說占用大量工作時間。如果可以經(jīng)過技術(shù)提升，實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置，遠(yuǎn)程運維。對提高管理效率，降低管理成本都是有益的。都是整個電網(wǎng)運行管理的重要一環(huán)。

隨著當(dāng)今信息化技術(shù)發(fā)展，本文研究并實現(xiàn)一種基于5G物聯(lián)網(wǎng)的配電箱內(nèi)溫濕度控制裝置。裝置部署于箱內(nèi)，替代原有傳統(tǒng)溫控器。配合云平臺，實現(xiàn)配電箱內(nèi)環(huán)境的“可觀、可測、可控、可調(diào)”，進(jìn)一步提高變電站遠(yuǎn)程運維涉及領(lǐng)域。

1 配電箱特點綜述

作為變電站或者其它電力設(shè)施中不可缺少的電氣裝備，具有體積小、安裝便捷、材質(zhì)多樣的特點，不受場地限制，應(yīng)用十分普遍。一般對于室外配電箱來說，其內(nèi)部會加裝開關(guān)設(shè)備、測量儀表、保護(hù)電器和動作機(jī)構(gòu)等設(shè)備，構(gòu)成封閉或半封閉的結(jié)構(gòu)。正常運行時其箱體門應(yīng)鎖止。

1.1 配電箱分類

作為電力供應(yīng)或者分配中的控制單元，對電源進(jìn)行有效可靠分配，正確將電能輸送到各處負(fù)荷是配電箱的主要功能。電網(wǎng)因為對可靠性與安全性要求高，以金屬配電箱為主，配電箱材質(zhì)多為不銹鋼等耐腐蝕金屬材料，可以保障箱內(nèi)電路與元件。

在變電站室外，常見防護(hù)式開關(guān)柜與配電控制箱。分別用于室外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境。由于兩種箱體存在明顯差異，對配電箱內(nèi)溫濕度控制策略研究主要針對此兩類箱體進(jìn)行區(qū)分。

防護(hù)式開關(guān)箱柜。是一種被封閉起來的低壓開關(guān)箱柜，一面具有帶鎖止功能的活動門。這種箱柜內(nèi)常用來安裝開關(guān)、保護(hù)裝置、測量裝置等電氣設(shè)備。可固定于墻面或者支架上。此類型配電箱多用于室外或者附屬于其它大型設(shè)備上，由于在室外，工作條件較為惡劣，常常因為防護(hù)等級要求，存在箱內(nèi)夏天高溫運行，冬天低溫運行的情況發(fā)生。常見的防護(hù)措施包括安裝溫控器來操作加熱板或者排風(fēng)扇進(jìn)行簡單控制，防止箱內(nèi)設(shè)備因箱內(nèi)環(huán)境影響而損壞或工況不良。

抽屜式開關(guān)柜。是一種半封閉的，通常安裝于室內(nèi)的一種開關(guān)柜，多由鋼板制成。箱柜通常下部與上部具有半開放設(shè)計，可通過下部電纜將電能引入柜內(nèi)，柜內(nèi)安裝承擔(dān)供電任務(wù)的各類開關(guān)、刀閘、手車等設(shè)施。同時還常在柜間部署母線排，實現(xiàn)電氣回路。這類開關(guān)柜通常具備較高可靠性、安全性與互換性，集成度很高，單位體積功率密度大。通常情況下，柜內(nèi)因為電流作用，會產(chǎn)生較多熱量。所以此類柜內(nèi)也需要對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

由于電力系統(tǒng)的要求，常用的金屬開關(guān)柜無論安裝環(huán)境，均存在對箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制的需求。通過對箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制，提高設(shè)備運行可靠性。

1.2 故障分類

變電站內(nèi)配電箱主要承載室外開關(guān)、保護(hù)和監(jiān)測控制等電氣元件以及操作一次設(shè)備的動力裝置。通常情況下運行穩(wěn)定可靠，但如果疏于管理，仍然會因各種原因造成箱體或箱內(nèi)設(shè)備故障。嚴(yán)重時將危害到電網(wǎng)運行。需要對常見故障進(jìn)行研究。

配電箱故障按照產(chǎn)生原因，主要分為因環(huán)境變化造成的故障和因設(shè)計缺陷造成的故障。

因環(huán)境變化造成的故障，主要是因環(huán)境溫濕度對箱內(nèi)電器運行造成的影響引起的故障。配電箱根據(jù)功能不同，由各類中低壓電器構(gòu)成。包括：熔斷器、交流開關(guān)、剩余電流保護(hù)器、電容補(bǔ)償器及計量電表等各類電氣。通常情況下，此類設(shè)備的正常工作溫度應(yīng)處于24℃。設(shè)備在環(huán)境溫度處于-5℃至40℃的區(qū)間時，可保障設(shè)備正常工作；在環(huán)境溫度處于-25℃至60℃區(qū)間時，可保障設(shè)備不會損壞。這個溫度范圍雖然覆蓋范圍比較大，但由于配電箱在室外運行，會受到陽光直接照射產(chǎn)生高溫，同時箱內(nèi)設(shè)備運行中也會產(chǎn)生熱量，所以在盛夏高溫季節(jié)，箱體內(nèi)的溫度將會達(dá)到70℃以上，這時的溫度大大超過了這些電器規(guī)定的環(huán)境溫度。箱內(nèi)溫度超過允許值是現(xiàn)場故障的常見情況。

因設(shè)計缺陷造成的故障，例如選擇不恰當(dāng)容量的開關(guān)，刀閘或者母線排。均會導(dǎo)致箱內(nèi)設(shè)備運行熱量大大增加。通常情況下，由于電力設(shè)備在制造時具備較大容量，此類設(shè)計缺陷不會立即引起事故，甚至可能產(chǎn)品可過載運行至壽命截止。但此類情況下，設(shè)備或線排會因為容量差距，產(chǎn)生過多熱量。造成箱柜內(nèi)環(huán)境異常變化。此時也可以通過配電箱內(nèi)環(huán)境測量對其進(jìn)行篩選，利于現(xiàn)場設(shè)備變更或日常維護(hù)，防止因選擇備品不當(dāng)引起的超容使用[2]。

配電箱內(nèi)溫濕度控制，是保障運行穩(wěn)定的重要因素。同時，也應(yīng)在日常巡檢與維護(hù)中對配電箱內(nèi)溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行檢查。確保在啟動時可將箱內(nèi)環(huán)境維持在設(shè)計環(huán)境指標(biāo)。

1.3 箱內(nèi)環(huán)境特點

溫濕度作為配電箱內(nèi)環(huán)境控制的主要參數(shù)。對保障箱內(nèi)設(shè)備正常運行有著重要意義。配電箱多安裝于室外，環(huán)境惡劣。因雨雪等天氣影響，需要箱體本身具有工業(yè)防護(hù)等級，就要求箱體具備密封或者半密封的機(jī)械結(jié)構(gòu)。配電箱內(nèi)的溫濕度是一個較獨立的自循環(huán)系統(tǒng)，溫度的擾動影響因素主要有箱體自然散熱、箱內(nèi)設(shè)備產(chǎn)熱以及加熱器產(chǎn)熱。由于配電箱制造成本限制，常通過風(fēng)扇實現(xiàn)濕度控制。在遇到濕度較高時，使用加熱器和風(fēng)扇一同開啟來加熱箱內(nèi)空氣，再將較熱空氣排出的方法降低濕度，同時保證箱內(nèi)升溫在可控范圍。

在控制過程中，箱體散熱是個十分重要的指標(biāo)，由于散熱過程遵循熱傳導(dǎo)方程，所以在不同地區(qū)和海拔高度，箱體散熱系數(shù)存在較大差異。對于我國南方，在潮濕環(huán)境下，箱內(nèi)還存在結(jié)露風(fēng)險，對設(shè)備安全運行有很大隱患。一般來說，配電箱正常運行溫度應(yīng)高于環(huán)境溫度，降低箱內(nèi)結(jié)露風(fēng)險。

當(dāng)在夏季或者安裝位置處于陽光直曬處，需要箱體散熱。箱內(nèi)保護(hù)裝置和測量儀表的工作環(huán)境溫度不應(yīng)大于60℃，在我國，大部地區(qū)氣溫不會超過45℃。但如果暴露在太陽下，則在無通風(fēng)措施的影響下迅速升溫至60攝氏度左右，對箱內(nèi)設(shè)備行程高風(fēng)險運行。散熱除箱體向環(huán)境散熱外，還可通過啟動通風(fēng)扇，加強(qiáng)箱內(nèi)空氣與外部環(huán)境間對流交換。所以，配電箱所處環(huán)境在散熱中影響現(xiàn)主。在配電箱安裝施工過程中，需要謹(jǐn)慎選擇安裝位置與角度，減輕陽光直射，必要時還應(yīng)加裝遮陽棚。

2 箱內(nèi)環(huán)境控制研究

傳統(tǒng)溫度傳感器基于熱敏金屬片來制造，存在精度不可控、讀數(shù)不方便的問題。同時其功能單一，動作閾值調(diào)節(jié)粗糙，不能滿足現(xiàn)代化精確控溫所需。

傳統(tǒng)濕度傳感器采用氯化鋰吸水率越大，電阻率越小的原理制成。通過電極的電流大小可反映出周圍氣體的相對濕度。受限于原理，濕度計的響應(yīng)滯后，僅可用于濕度測量，無法用于控制環(huán)節(jié)。所以，需要對箱內(nèi)環(huán)境控制的方法進(jìn)行研究，確立閉環(huán)控制方案。

2.1 鉑熱電阻傳感器

鉑熱電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性來測量溫度的。當(dāng)被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。

PT100型溫度傳感器是一種用鉑金屬合金制成的特殊熱敏電阻。作為常用的高精度溫度傳感器，其室溫下標(biāo)稱電阻為100Ω，其上每產(chǎn)生1℃溫度變化將帶來0.385Ω的電阻變化。由于變化較小，所以需要進(jìn)行精密測量。通常對PT100的引線進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行3線或4線電橋測量[3]。

常用平衡電橋測量PT100的阻值變化。電橋法的原理圖如圖1所示。電路工作時，組成電橋各支路均存在平衡電流。當(dāng)PT100處于標(biāo)稱阻值狀態(tài)時，電橋AB兩測量點間電壓相等，無非平衡電流。這時稱電橋處于平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時，存在：

圖1 平衡電橋測量法

UAB=0V

當(dāng)PT100因為環(huán)境溫度變化造成阻值變化時，上述電橋因為流經(jīng)兩側(cè)的電流不平衡，會造成AB兩點產(chǎn)生電位差，這時我們稱電橋處于不平衡狀態(tài)。電橋處于不平衡狀態(tài)時：

UAB=〔RPT100/(RPT100＋R1)－R4/(R4＋R3)〕UDC

在實際應(yīng)用中，由于的電壓值通常很小，應(yīng)在平衡電橋后增加一級放大電路。

2.2 MEMS濕度傳感器

環(huán)境中濕度對精確控制配電箱內(nèi)環(huán)境有重要參考意義，對保障箱內(nèi)設(shè)備正常運行有重要意義。

物理吸附由吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力所引起。吸附劑表面的分子由于作用力沒有平衡而保留有自由的力場來吸引吸附質(zhì)，物理吸附是可逆的。吸附作用的大小跟吸附劑的性質(zhì)和表面的大小、吸附質(zhì)的性質(zhì)和濃度的大小、溫度的高低等密切相關(guān)。

濕度傳感器主要靠半導(dǎo)體工藝下刻蝕出的梳狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用物理吸附原理吸附環(huán)境中水分子，改變電極梳狀交叉齒間的電容[4]。外部放大器和變換電路，將此電容值變化以電壓或者電流的形式輸出給其它設(shè)備使用。梳狀結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 MEMS濕度傳感器微結(jié)構(gòu)

濕度傳感器作為電子技術(shù)和物理化學(xué)原理的復(fù)合技術(shù)，硬件因素只占其中50%，另一個重要因素則是標(biāo)定。要保證測出來的是準(zhǔn)確的值，則需要保證每次檢測的標(biāo)定值在一個固定范圍內(nèi)，這是很難做到的。一般而言，由于需要大量的數(shù)據(jù)來測試，所以在濕度傳感器出廠前，均需要進(jìn)行長時間重復(fù)測試，其穩(wěn)定性會隨著統(tǒng)計完成數(shù)值回歸。

2.3 環(huán)境溫濕度PID控制

PID作為一種控制方法，可用于可建模系統(tǒng)或者無建模系統(tǒng)，具備廣泛的適用性。對于可建模系統(tǒng)，由于具備準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，PID控制對系統(tǒng)S函數(shù)的影響是可以進(jìn)行準(zhǔn)確估算的。表達(dá)式可知：

Gt=kp×ERROR＋ki×ΣERROR＋kd×?ERROR

表達(dá)式實際上是三種反饋控制：比例控制，積分控制與微分控制的集合。根據(jù)不同系統(tǒng)反饋，可以靈活對P、I、D三個變量進(jìn)行組合，通常情況下只采用三個變量中的2個或者1個，這些從原理上都叫做PID控制。采用這種控制理論的控制器，統(tǒng)稱為PID控制器。得到廣泛應(yīng)用。

比例P參數(shù)能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度,抑制擾動對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響。但由于實際系統(tǒng)經(jīng)常存在調(diào)節(jié)死區(qū)，所以純P控制并不能達(dá)到準(zhǔn)確的控制目標(biāo)，存在穩(wěn)態(tài)誤差現(xiàn)象。此類現(xiàn)象本質(zhì)是因為參考信號的階次大于系統(tǒng)自身階次，無論如何選取純比例P值都無法使得穩(wěn)態(tài)誤差消除。

積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用對于高階的參考信號和擾動是無效的。積分控制并不一定是必須的，應(yīng)當(dāng)視系統(tǒng)的型號、輸入和干擾類型決定。積分控制的常數(shù)根據(jù)系統(tǒng)所需的動態(tài)進(jìn)去選取，并不會影響消除誤差的效果，具有一定的魯棒性[5]。

溫濕度的傳遞存在滯后性。一般有純滯后、容量滯后。前者一般指工藝段物料傳輸需要時間引起的，后者一般指被控對象的熱交換、物料連續(xù)經(jīng)過多個容器才能建立一個穩(wěn)定信號需要時間引起的。

環(huán)境溫濕度控制過程的響應(yīng)速度慢，其傳遞函數(shù)的慣性很大。調(diào)節(jié)過程中可以通過動態(tài)法進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置不同參數(shù)查看控制效果，通過定性分析來嘗試得到最優(yōu)解。用實驗的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，一般首先由比例P參數(shù)開始進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整開始階段設(shè)置保守參數(shù)，防止系統(tǒng)超調(diào)自激。根據(jù)實際反饋逐漸加大比例P參數(shù)。直到系統(tǒng)控制得到較理想的越階響應(yīng)。而后慢慢添加積分I參數(shù)，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。在跟蹤控制性能中進(jìn)行取舍，可根據(jù)實際需要，加入一定的微分D參數(shù)來進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的控制策略

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有兩項關(guān)鍵技術(shù)，分別是傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)分層模型

在實際應(yīng)用中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐δ芎驮O(shè)備位置，一般將物聯(lián)網(wǎng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層[6]。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)終端獲取自身信息和外界信息的主要手段。類似生物的皮膚和感知器官，物聯(lián)網(wǎng)終端需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，集成一種或多種傳感器來進(jìn)行感知。對于高級的物聯(lián)網(wǎng)終端，還可集成攝像頭來實現(xiàn)高層次環(huán)境感知。感知層主要用于獲取必要的原始數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。

網(wǎng)絡(luò)層又分為支撐層和數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是由多個數(shù)據(jù)庫構(gòu)成（同時包括公安、交通等部門現(xiàn)有的涉車管理平臺所采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)），是涉車信息的存儲層，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義最為關(guān)鍵。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化。

物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級強(qiáng)大的中心計算機(jī)群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實施實時的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。

3.2 氣象數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，可解決傳統(tǒng)溫控器缺乏感知手段，無法智能調(diào)節(jié)控制閾值的弊端。對接當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)，對被控箱動態(tài)控制。及時切換動作閾值，達(dá)到期望的自適應(yīng)控制策略。

氣象數(shù)據(jù)的來源，主要為高精度的再分析資料。高精度的再分析資料在實時性上存在一定延遲，但隨著我國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)升級，目前已經(jīng)可以提供逐小時觀測資料，可以滿足要求[7]。為避免因?qū)崟r數(shù)據(jù)的誤差導(dǎo)致的控制策略研究難度增加，采用高精度再分析資料進(jìn)行研究。

中國地面氣象站逐小時觀測資料是國家氣象科學(xué)中心提供的一項數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)的獲取流程是：注冊用戶，獲取數(shù)據(jù)接口Token令牌；調(diào)用接口，接口一般以WEB API的方式提供；請求數(shù)據(jù)，按照經(jīng)緯度向平臺請求；解析數(shù)據(jù)，回文數(shù)據(jù)采用JSON格式。

獲取數(shù)據(jù)應(yīng)按照定時進(jìn)行獲取，緩存在服務(wù)器中的等待物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備調(diào)用的方式進(jìn)行。可以有效提高設(shè)備讀取氣象數(shù)據(jù)效率，并降低接口請求頻次，顯著避免因頻繁調(diào)用造成數(shù)據(jù)費用過高。

3.3 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化策略

對箱內(nèi)環(huán)境控制，主要是環(huán)境的溫濕度控制。箱體安裝在室外，各控制參數(shù)同氣象關(guān)系緊密，例如箱體傳導(dǎo)系數(shù)、大氣濕度指標(biāo)、日照強(qiáng)度等。傳統(tǒng)溫控器，無法獲取豐富的數(shù)據(jù)。控制采用固定閾值，恒定參數(shù)的控制率。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，溫控器通過與云平臺進(jìn)行交互，可以實時獲取氣象數(shù)據(jù)。此時對控制率進(jìn)行優(yōu)化，將恒定的PID控制，同氣象數(shù)據(jù)結(jié)合。動態(tài)優(yōu)化動作閾值、調(diào)節(jié)參數(shù)等可測量變量。達(dá)到箱內(nèi)環(huán)境控制更穩(wěn)定的目標(biāo)。

當(dāng)前運維作業(yè)，溫控器的閾值采用人工現(xiàn)場設(shè)定的方法。按照運維檢修方案安排人員隨季節(jié)交替進(jìn)行閾值維護(hù)，這樣會帶來運行隱患。當(dāng)例如寒流或冰凌等極端天氣，配電箱內(nèi)結(jié)露風(fēng)險驟然提高卻無能為力；特定溫度閾值附近會出現(xiàn)加熱器啟停振蕩，極易造成二次損害。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可當(dāng)發(fā)生此類極端情況時，遠(yuǎn)程修正閾值，提高箱內(nèi)環(huán)境抵抗外界干擾的能力。

在晝夜溫差大的地區(qū)，箱外環(huán)境改變給控制傳遞函數(shù)S帶來不可忽略的改變。不具備控制率調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致采用較保守的控制率參數(shù)。保守控制參數(shù)可確保控制器穩(wěn)定工作，但對環(huán)境的控制能力將減弱。維持環(huán)境穩(wěn)定過程存在較大誤差與延遲，并非最優(yōu)解。對控制策略精細(xì)化管理，按照不同地域?qū)刂七M(jìn)行精準(zhǔn)管控。同時按照時間段下發(fā)最優(yōu)控制參數(shù)，確保在時段控制效果。

傳統(tǒng)控制器的繼電器接通負(fù)載后，對負(fù)載工作情況無監(jiān)控。無法將控制失效的信號上報。可經(jīng)物聯(lián)交采芯片對動作裝置的電流實時采集，對工作狀態(tài)進(jìn)行推斷。設(shè)備投入工作后，對裝置運行的功率、電量進(jìn)行測量。非正常運行發(fā)生時，通過電流采樣值異常進(jìn)行判定，上送到監(jiān)控主站。主站可將異常信息推送到大屏或檢修責(zé)任人，及時排除故障。

當(dāng)無法適應(yīng)天氣變化，季節(jié)更替需現(xiàn)場設(shè)定，極端情況發(fā)生振蕩時，需對接天氣數(shù)據(jù)實時修訂，物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程對閾值進(jìn)行及時正確設(shè)定，對環(huán)境控制策略優(yōu)化結(jié)果有優(yōu)勢；當(dāng)PID參數(shù)設(shè)定保守，箱體環(huán)境變化無法保障溫濕度控制效果時，需根據(jù)PID控制原理按照時段進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，對環(huán)境控制策略優(yōu)化效果有益；當(dāng)加熱器、排風(fēng)扇運行無監(jiān)測，控制器自身控制不閉環(huán)，無法自診斷時，需增加交流測量傳感器對被控器進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)異常上送物聯(lián)主站，對環(huán)境控制策略優(yōu)化結(jié)果有優(yōu)勢。

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助下，對箱內(nèi)環(huán)境的控制已由傳統(tǒng)被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃涌刂啤κ彝馀潆娤洌瑐鹘y(tǒng)運維成本高。物聯(lián)網(wǎng)控制下，針對不同地點的配電箱可精準(zhǔn)控制。進(jìn)一步結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對閾值動態(tài)整定，達(dá)到智能控制的運維要求。將交采傳感器置入新型溫控器，實現(xiàn)閉環(huán)控制，為優(yōu)化配電箱環(huán)境控制策略提供新思路。

4 有效性驗證與測試結(jié)果

4.1 物聯(lián)網(wǎng)溫控器應(yīng)用方案

物聯(lián)網(wǎng)溫控器同傳統(tǒng)溫控器一樣，需安裝在配電箱內(nèi)。控制器接入配電箱內(nèi)環(huán)境溫度探頭、伴熱帶溫度探頭；箱內(nèi)220V交流電源接入控制器電源端子；加熱裝置與排風(fēng)扇接入控制器輸出端子；連接負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)通信的天線。實現(xiàn)場站端安裝。

物聯(lián)主站部署于物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，通過物聯(lián)網(wǎng)通信運營商的服務(wù)同溫控器實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。物聯(lián)主站還承擔(dān)了氣象數(shù)據(jù)接入、設(shè)備控制接入，臺賬記錄接入和異常告警推送等功能，配合分布式終端形成物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

在控制器的實現(xiàn)中，采用AIR724UG型4GCat1通信模塊作為主控制模塊。可通過Lua腳本進(jìn)行功能開發(fā)，非常合適應(yīng)用于溫控器、采集器等物聯(lián)網(wǎng)裝置中。對評估方案、加速研發(fā)效果積極。

在現(xiàn)場部署研究中，在同一變電站內(nèi)部署8個物聯(lián)網(wǎng)溫控器終端，并抓取6月至12月的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)對配電箱內(nèi)環(huán)境大數(shù)據(jù)的采集與記錄。配合物聯(lián)主站的展示功能，完成數(shù)據(jù)可視化與智能分析。實現(xiàn)了系統(tǒng)對于箱內(nèi)環(huán)境的自動控制。

4.2 結(jié)果分析

測試地點位于我國華北地區(qū)。華北平原屬溫帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，冬季寒冷干燥，部分地區(qū)兩年三熟。華北平原大部分屬于溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候。冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。春季旱情較重，夏季常有洪澇。年均溫和年降水量由南向北隨緯度增加而遞減。

圖3 現(xiàn)場環(huán)境控制測試統(tǒng)計圖

測試安排實驗組與對照組：實驗組即本研究的基于5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫控終端。對照組為箱內(nèi)原裝傳統(tǒng)溫控終端，為解決數(shù)據(jù)采集問題，使用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫控終端對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并上傳到云平臺作為對照記錄。在配電網(wǎng)環(huán)境控制中，溫度控制較濕度控制更具備測量條件，所以在環(huán)境控制的試驗中，選取溫度作為主要測試項。測試數(shù)據(jù)共有三類：傳統(tǒng)溫控器的箱內(nèi)溫度變化；物聯(lián)網(wǎng)控制器的箱內(nèi)溫度變化；依據(jù)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)化控制的物聯(lián)網(wǎng)控制器的箱內(nèi)溫度變化。數(shù)據(jù)分析場景，包括周期性交替變化、單調(diào)性穩(wěn)定變化、爆發(fā)性劇烈變化三個典型情景。分別對應(yīng)晝夜變化，季節(jié)交替和寒潮等惡劣天氣來襲時這些配電箱環(huán)境控制需面對的情況。

典型場景一：晝夜交替變化，一般溫控器根據(jù)箱內(nèi)傳感器值，可做出正確動作。當(dāng)白天溫度高于設(shè)定閾值時，正確關(guān)閉加熱器電源。夜間，隨著環(huán)境溫度整體降低，箱體至環(huán)境散熱能力加強(qiáng)。箱內(nèi)環(huán)境溫度被打破平衡，開始降溫。當(dāng)達(dá)到動作閾值時，箱內(nèi)控制器啟動加熱器。箱內(nèi)環(huán)境溫度開始回升。在這個場景下，傳統(tǒng)溫控器控制動作觸發(fā)可靠，但隨著溫度回升，部分溫控器在高溫閾值存在狀態(tài)振蕩，頻繁通斷加熱器的情況。在控制準(zhǔn)確性方面。三種溫控器控制效果無明顯差異。

典型場景二：隨著季節(jié)變化，日均氣溫的漲落趨勢是單調(diào)的。在華北地區(qū)，從夏天至冬天的過程，氣溫的變化逐月遞減，部分地區(qū)日均氣溫可降至溫控器動作閾值以下，全天開啟溫控器。因為環(huán)境溫度引起的散熱能力不同，需要在季節(jié)變化時對溫控器閾值進(jìn)行預(yù)設(shè)置。夏秋兩季因為氣溫較高，為防止溫控器動作造成意外升溫，一般會通過調(diào)低閾值或者直接關(guān)閉的方法將箱內(nèi)溫控器進(jìn)行處理，避免意外加熱導(dǎo)致高溫運行發(fā)生；春冬兩季因為氣溫較低，需要再對溫控器的閾值設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，調(diào)到比較高的動作閾值，保障箱內(nèi)溫度及時補(bǔ)充。避免低溫運行發(fā)生。所以在春秋兩季氣候變化明顯的時候，溫控器閾值設(shè)定不恰當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生較多。這時，基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境控制終端可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置，顯著減輕此類情況發(fā)生。

典型場景三：當(dāng)惡劣天氣出現(xiàn)時，傳統(tǒng)固定閾值溫控器無法適應(yīng)劇烈變化的氣候，部分測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度存在超出安全工作區(qū)域的情況發(fā)生。并且隨著天氣進(jìn)一步惡化，超出設(shè)定值的情況時有發(fā)生。基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境控制終端可通過云主站動態(tài)下發(fā)指令來達(dá)到適應(yīng)突發(fā)情況，但不夠智能，且需要大量人力進(jìn)行監(jiān)控。對接氣象數(shù)據(jù)后，可根據(jù)每小時氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行控制優(yōu)化。實現(xiàn)溫度準(zhǔn)確控制，取得明顯效果。

綜上所述，基于5G物聯(lián)網(wǎng)的配電箱溫濕度控制對于傳統(tǒng)溫濕度控制方法有較高提升。在應(yīng)用中，可以顯著提高對箱內(nèi)環(huán)境控制準(zhǔn)確度，降低因箱內(nèi)環(huán)境越限造成設(shè)備故障風(fēng)險，降低維護(hù)周期。同時又因為具備數(shù)據(jù)采集和實時上送云主站的功能，提高了配電箱運維技術(shù)水平。具備遠(yuǎn)程設(shè)置閾值、遠(yuǎn)程更新控制策略的功能，降低了偏遠(yuǎn)地區(qū)變電站內(nèi)配電箱溫控器周期維護(hù)壓力。在應(yīng)用過程中得到現(xiàn)場人員肯定。具備技術(shù)推廣價值。