凝露水浸監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

蔣威 方揚 童佳明 吳邦

摘 要：隨著社會用電量的大幅增加，對電力系統(tǒng)供電可靠性的要求越來越高。本文分析了變電站戶外設(shè)備箱出現(xiàn)凝露的原因，針對凝露出現(xiàn)可能會造成的危害，利用水浸檢測線原理，設(shè)計了一款基于STM32微處理器的凝露水浸檢測報警系統(tǒng)，能夠準確及時檢測到設(shè)備箱體內(nèi)凝露進水現(xiàn)象，并實時進行數(shù)據(jù)傳輸及報警，有效地避免了設(shè)備箱因凝露進水造成的嚴重故障。

關(guān)鍵詞：凝露;變電站;水浸檢測線

變電站戶外設(shè)備受環(huán)境條件影響很大，夏季的雷雨過后或秋冬季氣溫驟降導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)外溫差過大，設(shè)備箱體內(nèi)壁、頂部、端子排上往往會出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，遇到暴雨或者防雨罩漏水，還可能在柜體底部形成積水，極易造成設(shè)備絕緣或銹蝕，嚴重時則可能引起直流接地或端子短路，造成保護誤動或拒動[1-3]。因此如何及早發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備內(nèi)部的凝露或進水的情況，并及時地向運行檢修人員報警以安排處理尤為關(guān)鍵。

有基于此，本文利用水浸檢測線原理，設(shè)計了一款基于STM32微處理器的凝露水浸檢測報警系統(tǒng)，能夠準確及時檢測到設(shè)備箱體內(nèi)凝露進水現(xiàn)象，并實時進行數(shù)據(jù)傳輸及報警，有效地避免了設(shè)備箱因凝露進水造成的嚴重故障[4-6]。

1 設(shè)備箱凝露形成的原因

1.1 凝露形成的原理

凝露簡單的說就是凝結(jié)的露珠，是空氣中的水蒸氣達到飽和度的程度時，在溫度相對較低的物體上凝結(jié)成小水珠的一種現(xiàn)象;而當雨水或凝露順著柜體流入柜中形成積水，這種現(xiàn)象稱為水浸[7]。電力工程凝露多發(fā)于箱體內(nèi)壁、頂部、端子排等部位，多發(fā)于夏季雷雨后或冬季氣溫驟降清晨;而水浸大多發(fā)生于大雨天氣和梅雨季節(jié)。

1.2 凝露的危害

設(shè)備箱端子排上形成的凝露會對端子排上的金屬導(dǎo)電部位造成腐蝕，腐蝕較重或混入灰塵等其他雜質(zhì)后易造成直流接地，更嚴重的甚至造成端子排短路引起開關(guān)誤動作，造成停電事故;在開關(guān)或刀閘上形成的凝露會腐蝕內(nèi)部的金屬部件，影響設(shè)備的使用壽命，嚴重時則會導(dǎo)致開關(guān)或刀閘在分合時設(shè)備不能運行到位，如果因此使得開關(guān)動靜觸頭慢分慢合，則會釀成極大的電力事故。

2 系統(tǒng)設(shè)計要求

2.1 目標設(shè)定

結(jié)合實際需求，系統(tǒng)設(shè)計要滿足以下目標：

1. 進水/凝露發(fā)生時，能夠及時檢測到;

2. 本地設(shè)備有指示標記;

3. 進水/凝露故障及時傳遞到后臺服務(wù)并能及時通知運維人員;

4. 數(shù)據(jù)傳輸安全可靠;

5. 故障消除后通知到運維人員;

6. 后臺數(shù)據(jù)可追溯并且能可視化展示;

7. 后臺設(shè)備管理，權(quán)限管理合理可靠;

2.2 系統(tǒng)框架

變電站凝露水浸報警系統(tǒng)前端采用傳感器檢測進水、凝露;中央處理器負責采集傳感器輸入，傳感器數(shù)據(jù)分析，連接數(shù)據(jù)傳輸單元;數(shù)據(jù)傳輸單元負責連接移動互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_;平臺負責設(shè)備管理，用戶管理，權(quán)限管理，報警管理，數(shù)據(jù)存儲與展示等功能。系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1 方案選擇

進水凝露檢測方案選擇水浸檢測傳感器，該檢測原理是利用水的導(dǎo)電性。當有水接觸時，傳感器的兩根感應(yīng)線便會短接，形成兩個回路，從而發(fā)生電流的變化，控制器通過快速處理，可以確認出是否有水浸入，從而觸發(fā)報警。該方案穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強。

由于DSP電路抑郁集成實現(xiàn)，但研發(fā)成本高，續(xù)航能力差;FPGA可編程電路研發(fā)成本低，但電源要求高且邏輯性較弱。因此中央處理器選擇了結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強，功能強、處理速度較快的單片機電路。

數(shù)據(jù)傳輸方案選擇市面上普遍成熟的4G通訊技術(shù)，該技術(shù)通信速度快，價格在可接受范圍，數(shù)據(jù)傳輸可靠，實用性高。

平臺選擇云服務(wù)平臺，成本低，隨時可用，穩(wěn)定性高且服務(wù)豐富。

3.2 總體設(shè)計

3.2.1監(jiān)測模塊

系統(tǒng)對水浸線電流值進行實時采樣，通過換算為阻抗值來判斷是否發(fā)生凝露或進水，當判斷為故障時本地指示燈提示，并通過4G模塊連接到服務(wù)器，同時能將設(shè)備進水、凝露、溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)平臺。系統(tǒng)檢測模塊電路原理圖如圖3所示。

檢測模塊包括水浸監(jiān)測、凝露監(jiān)測以及溫濕度監(jiān)測三部分。水浸監(jiān)測部分如圖3（a）所示，將可變電容C_HUMIDITY_1作為水浸傳感器，當變電站設(shè)備箱體沒有進水時，可變電容C_HUMIDITY_1的電介質(zhì)為空氣，當箱體內(nèi)部有進水時，可變電容C_HUMIDITY_1的兩極之間的電介質(zhì)由于進水情況而發(fā)生改變，導(dǎo)致電容發(fā)生變化。將可變電容C_HUMIDITY_1和電阻R165并聯(lián)作為一個可變阻抗，WATER_AD_IN_1端口測量可變阻抗與電阻R174串聯(lián)處的分電壓值，該分電壓值作為采集信息傳送給控制芯片U1處理，進而通知工作人員設(shè)備箱體的水浸情況。

凝露監(jiān)測電路如圖3（b）所示，分為兩個電路結(jié)構(gòu)相同的模塊，采用電容式傳感器進行進水和凝露的監(jiān)測，電容式傳感器具有穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強以及靈敏度高的特點，符合變電站設(shè)備箱體進水凝露監(jiān)測報警裝置的需求。

多個凝露監(jiān)測電路的設(shè)計可以提高凝露監(jiān)測的可靠性，不僅可以在其中一個凝露監(jiān)測電路出現(xiàn)故障時能夠及時使用另外備用的凝露監(jiān)測電路繼續(xù)監(jiān)測，同時也可以兩個凝露監(jiān)測電路，取兩者監(jiān)測結(jié)果的平均值來提高監(jiān)測準確性。通過水浸監(jiān)測電路和凝露監(jiān)測電路，實現(xiàn)既能夠監(jiān)測到箱體內(nèi)部進水情況，又能監(jiān)測到箱體表面凝露情況，使變電站箱體的監(jiān)測更加全面，進一步提高了變電站設(shè)備的運行穩(wěn)定性。

溫濕度監(jiān)測電路，用于對變電站設(shè)備的溫濕度環(huán)境進行監(jiān)測，如圖3（c）所示， 溫濕度傳感器芯片U8采集溫濕度信息，并通過芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫濕度信息的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并通過SDA引腳發(fā)送給控制芯片U1進行處理，通過SCL引腳實現(xiàn)溫濕度傳感器芯片U8和控制芯片U1之間的通訊同步。

通過溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過控制模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行算法處理，得到變電站設(shè)備所處環(huán)境的溫度與濕度值，并于工作人員及時了解變電站設(shè)備的工作情況，對進水凝露的監(jiān)測起到輔助作用。

3.2.2控制模塊

控制模塊電路如圖4所示，

控制模塊包括：控制芯片U1的OSC_IN/PD0引腳經(jīng)電容C11接地，控制芯片U1的OSC_OUT/PD1引腳經(jīng)電容C12接地，同時晶振Y1和電阻R9分別并聯(lián)在OSC_IN/PD0引腳和OSC_OUT/PD1引腳之間;控制芯片U1的VSS_1引腳、VSS_2引腳、VSS_3引腳和VSSA引腳均接地，控制芯片U1的BOOT0引腳經(jīng)電阻R2接地，控制芯片U1的VBAT引腳、VDD_1引腳、VDD_2引腳、VDD_3引腳、VDDA引腳均連接電源模塊中的3.3V供電端，同時控制芯片U1的VBAT引腳與VDD_1引腳相連，控制芯片U1的NRST引腳經(jīng)電阻R1連接電源模塊中的3.3V供電端;控制芯片U1的VDDA引腳經(jīng)電容C9接地，電容C9的兩端還并聯(lián)有電容C10，控制芯片U1的VDD_1引腳經(jīng)電容C14接地，控制芯片U1的VDD_2引腳經(jīng)電容C15接地，控制芯片U1的VDD_3引腳經(jīng)電容C16接地，控制芯片U1的NRST引腳經(jīng)電容C13接地。

通過8MHz的晶振Y1為控制芯片U1提供時鐘信號，控制芯片U1接收來自監(jiān)測模塊的采集信息，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的處理，得到反映進水和凝露監(jiān)測結(jié)果的數(shù)字信號，根據(jù)處理結(jié)果控制報警模塊。

3.2.3 通信模塊

系統(tǒng)通信模塊電路圖如圖5所示，包括串口通信電路和無線通信電路，其中串口通信電路包括：RS485收發(fā)器U12的1引腳連接控制芯片U1的PA10引腳，RS485收發(fā)器U12的2引腳和3引腳相連，RS485收發(fā)器U12的3引腳連接控制芯片U1的PA11，RS485收發(fā)器U12的4引腳連接控制芯片U1的PA9引腳，RS485收發(fā)器U12的5引腳接地，RS485收發(fā)器U12的6引腳經(jīng)電阻R301連接電源模塊中的3.3V供電端，RS485收發(fā)器U12的7引腳經(jīng)電阻R303接地，RS485收發(fā)器U12的6引腳和7引腳之間還并聯(lián)有電阻R302，RS485收發(fā)器U12的8引腳連接電源模塊中的3.3V供電端，還經(jīng)電容C306接地。無線通信電路包括：4G模塊U3的VCC引腳連接電源模塊的直流5V供電端，4G模塊U3的GND引腳接地，4G模塊U3的485_A引腳連接RS485收發(fā)器U12的6引腳，4G模塊U3的485_B引腳連接RS485收發(fā)器U12的7引腳，4G模塊U3的OUT引腳連接TCP/IP接口。

通過RS485收發(fā)器U12和4G模塊U3實現(xiàn)信息傳輸，并且相比其他數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，4G無線通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、實時性高的特點，能夠?qū)⒆冸娬驹O(shè)備箱體的進水和凝露信息實時發(fā)送給工作人員，例如工作人員可通過手機短信提醒變電站設(shè)備箱體出現(xiàn)進水或凝露情況。

3.2.4 報警模塊

系統(tǒng)報警模塊電路圖如圖6所示。

通過LED接口控制LED燈，當出現(xiàn)進水和凝露情況是開啟LED指示燈報警，具體包括：LED接口的GND引腳接地，LED接口的KEY1引腳連接控制芯片U1的PA15/JTDI引腳，LED接口的DS1_CON引腳連接控制芯片U1的PC14-OSC32_IN引腳，LED接口的DS2_CON引腳連接控制芯片U1的PB7引腳，LED接口的DS3_CON引腳連接控制芯片U1的PB6引腳，LED接口的DS4_CON引腳連接控制芯片U1的PB5引腳，LED接口的DS5_CON引腳連接控制芯片U1的PB4/JNTRST引腳，LED接口的DS6_CON引腳連接控制芯片U1的PB3/JTDO引腳。

控制芯片U1根據(jù)對采集信息的處理結(jié)果，控制DS1_CON引腳、DS2_CON引腳、DS3_CON引腳、DS4_CON引腳、DS5_CON引腳和DS6_CON引腳的電平高低，進而控制不同的LED燈導(dǎo)通亮起，指示該區(qū)域的變電站設(shè)備箱體有進水或凝露情況，需要工作人員前往維護。

3.2.5 電源模塊

系統(tǒng)電源模塊電路圖如圖7所示。

電源模塊包括交流轉(zhuǎn)直流電路和穩(wěn)壓電路，分別為監(jiān)測報警裝置提供5V供電端和3，3V供電端，具體包括：交流轉(zhuǎn)直流芯片VR1的VIN引腳連接交流220V電源，交流轉(zhuǎn)直流芯片VR1的VOUT引腳引出直流5V供電端。穩(wěn)壓芯片VR2的Vin引腳連接直流5V供電端，穩(wěn)壓芯片VR2的Vout引腳連接3.3V供電端，穩(wěn)壓芯片VR2的Vin引腳接地，穩(wěn)壓芯片VR2的Vin引腳還經(jīng)電解電容C91接地，穩(wěn)壓芯片VR2的Vout引腳還經(jīng)電解電容C92接地。

通過交流轉(zhuǎn)直流芯片VR1的VIN引腳接入220V交流電源，經(jīng)交流轉(zhuǎn)直流芯片VR1轉(zhuǎn)換出5V直流電源，5V直流電源為通信模塊130中的4G模塊供電。再將5V直流電源經(jīng)過穩(wěn)壓芯片VR2轉(zhuǎn)換出3.3V直流電源，3.3V直流電源為控制芯片U1、溫濕度傳感器芯片U8以及通信模塊130中的RS485收發(fā)器供電。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

杭州處在南方雨水充足地區(qū)，由于開關(guān)柜密封條老化以及年久失修，大量變電站的開關(guān)柜內(nèi)存在一定的水浸和凝露的問題，其中以寧圍變最為嚴重。頻繁的現(xiàn)場視察消耗大量的人力以及物力，杭州供電公司急需凝露和水浸監(jiān)控設(shè)備。本課題組在220千伏寧圍變的開關(guān)柜內(nèi)試點安裝了凝露水浸報警機。

通過該裝置工作人員只需通過云服務(wù)平臺即可查看每個開關(guān)柜的歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)，即溫度、濕度、是否進水、是否凝露等;當檢測到故障時，系統(tǒng)還可對相關(guān)人員進行短信告知，不僅提升了缺陷處理的效率，增強了電網(wǎng)運行的可靠性，而且節(jié)約了大量的人力和物力成本。

圖8-10為該凝露水浸報警機云平臺上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)。其中圖8為正常情況下開關(guān)柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)情況;圖9為發(fā)生凝露情況下開關(guān)柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)情況（注：系統(tǒng)在02：50發(fā)出凝露報警，檢修人員于05：10左右處理完畢，告警復(fù)歸）;圖10為發(fā)生進水情況下開關(guān)柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)情況（注：系統(tǒng)在18：30左右發(fā)出水浸報警，檢修人員于19：40左右處理完畢，告警復(fù)歸）。

由此可見，通過該裝置可以充分減少運維檢修人員到現(xiàn)場進行勘察的次數(shù)，極大地提升進水、凝露故障的處理效率，有效地避免發(fā)生因凝露進水造成的嚴重故障。通過裝置上傳的數(shù)據(jù)，僅對頻繁發(fā)生凝露進水的箱體進行治理，避免無差別治理，極大節(jié)約了企業(yè)成本，提升了運維效益。

5 結(jié)語

箱體進水凝露檢測系統(tǒng)投入使用后實現(xiàn)了由定期人工開箱檢查到自動化7*24小時不間斷實時監(jiān)測的轉(zhuǎn)變，保障了作業(yè)人員人身安全，極大地提高了工作效率。運行實踐表明，箱體凝露進水檢測系統(tǒng)能防患于未然，在凝露進水安全線之前就發(fā)出告警，提示故障處理，其提供的數(shù)據(jù)準確、及時且可靠，有效地避免發(fā)生因凝露進水造成的嚴重故障，箱體凝露進水檢測系統(tǒng)的應(yīng)用達到了預(yù)期目的。

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作者簡介：

蔣威（1993），男，助理工程師，從事變電檢修一次工作。