一種溫濕度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)控制算法及其應(yīng)用

李逸榮 孟浩杰 任新卓 徐寅飛 趙中偉

（1.浙江大有集團(tuán)有限公司 浙江省杭州市 310009 2.杭州電力設(shè)備制造有限公司 浙江省杭州市 310018）

（3.浙江工商大學(xué)信電學(xué)院 浙江省杭州市 310018）

開關(guān)柜是電力系統(tǒng)保電設(shè)備的重要的組成部分，該設(shè)備運(yùn)行良好直接影響電網(wǎng)供電的可靠性。除濕器作為讓開關(guān)柜可以在濕熱環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的一種重要二次器件，正越來越受到電力公司運(yùn)檢部門的重視。

傳統(tǒng)的除濕器按照工作原理可分為加熱型、排風(fēng)型、加氮?dú)庹龎盒统凉衿鱗1]。上述的各種除濕器雖然有一定的除濕效果，但都存在弊端。以加熱型除濕器為例，這種除濕器的原理是對(duì)空氣進(jìn)行加熱，將液態(tài)水分變成氣態(tài)，隨氣流從空間內(nèi)排出，從而降低濕度。但是如果外部環(huán)境溫度驟降，又會(huì)導(dǎo)致水蒸氣凝露成液態(tài)，無法有效的起到除濕的作用。除此之外，加熱型除濕器一旦用于開關(guān)柜時(shí)還存在另一個(gè)致命的缺陷：由于開關(guān)柜柜內(nèi)有一些大型的電纜，電纜通高壓電時(shí)產(chǎn)生很高的溫度，常年工作后，電纜老化嚴(yán)重，加熱型除濕器進(jìn)一步升高了柜內(nèi)的溫度，會(huì)減少電纜的使用壽命[2-6]。再舉排風(fēng)型除濕器為例子，這種除濕器的原理是通過風(fēng)扇通風(fēng)或者換氣的方式，將空間內(nèi)的潮濕空氣排出并引入干燥的空氣。但是一旦整個(gè)環(huán)境中的空氣濕度都很大時(shí)，無法有效降低空氣濕度[7]。此外還容易將大量灰塵帶入到柜體內(nèi)部，一旦灰塵過多，很容易導(dǎo)致運(yùn)行出錯(cuò)。目前比較新型的一種除濕器是半導(dǎo)體除濕器，采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)將潮濕空氣中的溫度降低，然后將水蒸氣凝結(jié)成水滴再排出開關(guān)柜，進(jìn)而達(dá)到除濕目的。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)半導(dǎo)體除濕器功能比較單一，即只支持用戶手工設(shè)置溫濕度值，設(shè)置完成后開啟除濕器開始降溫除濕，一旦達(dá)到設(shè)定的溫濕度值，就關(guān)閉除濕半導(dǎo)體冷凝片，無法做到對(duì)開關(guān)柜內(nèi)部的溫度進(jìn)行自適應(yīng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，同時(shí)，幾乎所有半導(dǎo)體除濕器都沒有聯(lián)網(wǎng)集控功能，都采用分布式控制模式，在比較大型的變電站內(nèi)，開關(guān)柜比較多的情況下，維保人員需要打開柜門，對(duì)每一臺(tái)除濕器逐個(gè)進(jìn)行設(shè)置，效率很低。同時(shí)另外一個(gè)方面，目前市場(chǎng)上幾乎所有除濕器的處理器等核心元件都是國(guó)外芯片，在目前中美兩國(guó)關(guān)系不明朗情況下，存在非常大的不安全性[8]。

本文提出了一種具有溫濕度自反饋動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)控制功能的算法，并利用該算法，設(shè)計(jì)了一套基于全國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的智能半導(dǎo)體冷凝式除濕器，通過實(shí)際部署和測(cè)量證明，利用該算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能半導(dǎo)體冷凝式除濕器具有濕度控制精準(zhǔn)，操作方便，同時(shí)還可以通過電力無線物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中式控制，具有較強(qiáng)的邊緣獨(dú)立數(shù)據(jù)處理功能，從而使智能半導(dǎo)體除濕器的使用范圍更加廣泛，增強(qiáng)了開關(guān)柜環(huán)境抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，提高了使用過程中的安全性。

1 半導(dǎo)體除濕器原理

帕爾貼效應(yīng)是由法國(guó)科學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)的，即熱電致冷和致熱現(xiàn)象，又叫溫差電效應(yīng)。由N、P型材料組成一對(duì)熱電偶，當(dāng)熱電偶在通入電流的方向不同時(shí)，會(huì)在熱電偶兩種材料節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)吸熱和放熱的現(xiàn)象，稱這種現(xiàn)象為帕爾帖效應(yīng)。通過大量的實(shí)驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)上的溫度與通過電流成正比，即半導(dǎo)體制冷片應(yīng)用于開關(guān)柜的除濕[9]。

圖1是帕爾貼效應(yīng)示意圖，原理如下：半導(dǎo)體制冷片通直流電后，一端會(huì)吸收外界的熱量，稱為冷端，而另一端會(huì)向外界釋放熱量，稱為熱端。使用風(fēng)扇增強(qiáng)裝置內(nèi)的空氣流動(dòng)，當(dāng)潮濕的空氣接觸到冷端時(shí)，空氣中的水蒸氣會(huì)凝露成液態(tài)。之后收集凝結(jié)成液態(tài)的水，再排出開關(guān)柜。除此之外，風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)熱端，可以降低熱端的溫度，將多余的熱量除去，這就是整個(gè)除濕的過程[10]。

圖1：帕爾貼效應(yīng)示意圖

得益于帕爾貼效應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中，具有優(yōu)秀的熱電性能的材料往往被用作為半導(dǎo)體除濕裝置。市面上擁有種類繁多的半導(dǎo)體材料比如碲化鉍等。近年來，半導(dǎo)體除濕裝置被應(yīng)用于各行各業(yè)[11]。

半導(dǎo)體制冷除濕的原理如下：利用凝露效應(yīng)，將潮濕空氣中的水凝露成液態(tài)，收集后排出開關(guān)柜柜體。如圖2所示，半導(dǎo)體制冷片通直流電后，一端會(huì)吸收外界的熱量，稱為冷端，而另一端會(huì)向外界釋放熱量，稱為熱端。使用風(fēng)扇增強(qiáng)裝置內(nèi)的空氣流動(dòng)，當(dāng)潮濕的空氣接觸到冷端時(shí)，空氣中的水蒸氣會(huì)凝露成液態(tài)。之后收集凝結(jié)成液態(tài)的水，再排出開關(guān)柜。除此之外，風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)熱端，可以降低熱端的溫度，將多余的熱量除去。從而使柜內(nèi)的濕度達(dá)到安全值。

圖2：半導(dǎo)體制冷除濕的示意圖

2 溫濕度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)算法

算法原理如圖3所示。

根據(jù)圖3，算法原理主要分為兩個(gè)過程，第一個(gè)過程是計(jì)算出限定條件下開關(guān)柜內(nèi)最佳的濕度值，第二個(gè)過程是以這個(gè)最佳濕度值作為最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在當(dāng)前限定條件下（開關(guān)柜面積、環(huán)境溫濕度值、半導(dǎo)體制冷功率最大最小輸出功率值），設(shè)計(jì)一個(gè)電壓恒定條件下線性電流驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)的功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器，將高精度溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)作為輸入值，以最佳濕度值與采樣得到的濕度值的最小均方誤差和去控制電流輸出，不斷調(diào)節(jié)修準(zhǔn)半導(dǎo)體制冷片的輸出功率（為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們這里假定輸出電流和功率的調(diào)節(jié)在Tco時(shí)間范圍內(nèi)屬于線性調(diào)節(jié)方式），使得最終傳感器采集到的值逼近開關(guān)柜內(nèi)的濕度最佳值，從而做到最佳制冷除濕效果。

圖3：溫濕度自適應(yīng)動(dòng)平衡校準(zhǔn)算法原理

2.1 限定條件下柜內(nèi)最佳濕度值確定

設(shè)定在半導(dǎo)體制冷片制冷功率為Pco，輸出控制采用恒定電壓下的電流調(diào)節(jié)方式，公式如下（1）所示：

工作時(shí)間為Ta時(shí)間周期的條件下，制冷做功Wco=PcoTco；從上可以看出只需要控制調(diào)節(jié)輸出電流就可以獲取輸出功率，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，我們假定電流的輸出在時(shí)間域?yàn)榫€性控制。假定經(jīng)過Tco時(shí)間，熱對(duì)流和熱輻射做的總功W1=ΦconvTco+ΦTherTco[12]，式中：Φconv、ΦTher分別為對(duì)流、熱輻射系數(shù)，為了計(jì)算方便，在恒壓供電情況下，我們假定對(duì)流、熱輻射系數(shù)隨時(shí)間變化極小，可以忽略。

在半導(dǎo)體除濕器工作Tco時(shí)間周期之后，根據(jù)下式可以計(jì)算得到箱內(nèi)濕空氣焓的變化ΔS=Wco-W1。在Tco時(shí)間之后，箱內(nèi)的焓變化值為：Sx=S1–ΔS，式中：S1為初始焓值；Sx為當(dāng)前焓值；ΔS=mah[14]，其中

其中，理想氣體狀態(tài)方程推出干空氣密度的計(jì)算公式為：

上式中，Ra為干空氣氣體常數(shù)287J/(kg·K)；K為對(duì)應(yīng)的當(dāng)前開氏溫度；B為大氣壓力；Pv為水蒸氣分壓力[15]。單位濕空氣的焓值h的計(jì)算公式為：

將上述公式（1）～（4）聯(lián)立，除濕器在工作一段時(shí)間Tco之后，可以求得開關(guān)柜內(nèi)部的濕度與變化的焓值ΔH之間的關(guān)系如下式所示：

上式中，Ra為干空氣氣體常數(shù)287J/(kg·K)；K為對(duì)應(yīng)當(dāng)前開氏溫度；t為對(duì)應(yīng)當(dāng)前攝氏溫度；V為開關(guān)柜的體積；H為開關(guān)柜內(nèi)部當(dāng)前對(duì)應(yīng)的焓值。

根據(jù)上述（1）～（5）的理論模型，計(jì)算得到適合當(dāng)前開關(guān)柜的最佳濕度值φ。

2.2 溫濕度自反饋動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)控制算法

設(shè)定在Tco時(shí)間周期內(nèi)，傳感器采集到的濕度值為：

這里j=1,2,…,N，表示在Tco周期內(nèi)，時(shí)間點(diǎn)分為N個(gè)時(shí)刻。每個(gè)時(shí)刻采樣濕度值為k個(gè)。同時(shí)，在每個(gè)時(shí)刻，計(jì)算得到限定條件下的最佳濕度值φ，如下式（7）所示：

對(duì)（6）和（7）兩個(gè)公式，在每個(gè)時(shí)刻，對(duì)每一個(gè)樣本點(diǎn)取均方差值，得到（8）和（9）：

假定每段時(shí)間內(nèi)的電流為Ij(k)為：

將均方誤差對(duì)電流求導(dǎo)得到ΔIj(k)，ΔIj(k)定義為功率補(bǔ)償因子。

利用功率補(bǔ)償因子去動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體冷凝片的輸出功率，功率計(jì)算公式如下（12）所示：

將（6）～（12）進(jìn)行循環(huán)，利用圖3所示的原理，通過線性調(diào)節(jié)半導(dǎo)體冷凝片輸出功率，使得當(dāng)前柜內(nèi)的溫濕度無限畢竟理論計(jì)算得到的最佳值，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的目的。

3 新型半導(dǎo)體除濕器軟硬件設(shè)計(jì)

為了充分的驗(yàn)證上述提出的溫濕度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡控制算法的創(chuàng)新性，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于全國(guó)產(chǎn)芯片具有分離式架構(gòu)的新型半導(dǎo)體除濕器，除濕器的硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4：半導(dǎo)體除濕器硬件架構(gòu)

根據(jù)圖4所示，新型半導(dǎo)體除濕器采用分離式結(jié)構(gòu)，由顯示面板與主機(jī)模塊兩部分組成。顯示面板模塊安裝在開關(guān)柜柜門外，表面有帶觸摸功能的顯示屏，操作方便。內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括顯示面板、MCU處理器（型號(hào)為HC32F170 Cortex-M0，品牌為華大半導(dǎo)體，內(nèi)部集成64K SRAM，128KB FLASH）、RS485、DC/DC電路、按鍵和LED燈；主機(jī)模塊部分安裝在開關(guān)柜柜內(nèi)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括MCU處理器（型號(hào)為RT106X，品牌為NXP，內(nèi)部集成128K SRAM，256KB FLASH，用于數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、處理、控制和傳輸）、高精度數(shù)字溫濕度傳感器，（型號(hào)為廣州奧松的AM2320）、LoRa無線模塊、AC/DC+DC/DC轉(zhuǎn)換電路、RS485、碲化鉍半導(dǎo)體材質(zhì)制冷器、散熱風(fēng)扇、繼電器控制的功率輸出電路。顯示面板與主機(jī)模塊的內(nèi)部PCB結(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。

圖5：顯示模塊內(nèi)部的PCB圖

圖6：主機(jī)模塊PCB圖

在上述硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合溫濕度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)控制算法，本文設(shè)計(jì)了新型半導(dǎo)體除濕器的軟件，它的基本流程如圖7所示。

圖7：半導(dǎo)體除濕器軟件流程圖

（1）啟動(dòng)各個(gè)電柜除濕裝置，程序初始化，包括系統(tǒng)初始化和各個(gè)變量、鏈表值初始化。初始化無線LoRa模塊，查詢鏈表里面的注冊(cè)狀態(tài)值，如果已經(jīng)在本地集控器注冊(cè)過，向本地集控器發(fā)送初始化后的第一條心跳包，如果除濕裝置沒有在集控器注冊(cè)，向集控器發(fā)送注冊(cè)報(bào)文，注冊(cè)成功后，修改鏈表注冊(cè)狀態(tài)值，并向集控器發(fā)送第一條心跳包。

（2）初始化結(jié)束后，各除濕裝置進(jìn)入第一定時(shí)器中斷，等待集控器發(fā)送各個(gè)柜子要求達(dá)到的溫濕度的定值，如果收到該值，表明當(dāng)前除濕裝置受集控器控制，將集控器下發(fā)的溫濕度值替換鏈表里面的濕度變量值，將鏈表里面的集控控制狀態(tài)值置為ON狀態(tài)，將分布式控制狀態(tài)值和自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡控制狀態(tài)值置為OFF。

（3）如果除濕裝置沒有收到該值，表明當(dāng)前除濕裝置不受集控器控制，將鏈表里面的集控控制狀態(tài)值置為缺省OFF狀態(tài)。如果不受集控器控制，除濕裝置將開啟第二定時(shí)器中斷，等待用戶在顯示屏上手工設(shè)置溫濕度值，如果手工設(shè)置了溫濕度值，那么將鏈表里面分布式控制狀態(tài)值置為ON（缺省為OFF），自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡控制狀態(tài)值置為OFF（缺省為ON），同時(shí)將手工輸入的溫濕度值替換鏈表里面的溫濕度值。如果在定時(shí)器中斷時(shí)間內(nèi)，沒有手工操作，那么將分布式控制狀態(tài)值置為缺省OFF狀態(tài)，自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡控制狀態(tài)值置為ON，開始啟動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡控制算法程序，將計(jì)算得到的溫濕度值替換鏈表里面的溫濕度值。

（4）啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片開始降溫除濕，實(shí)時(shí)讀取溫濕度傳感器的值，判斷傳感器的溫濕度值和鏈表里面的溫濕度值的均方誤差是否超過閾值，如果超過，加大半導(dǎo)體冷凝片的輸出制冷功率和散熱風(fēng)扇功率，如果小于，調(diào)小輸出制冷功率，并調(diào)小散熱風(fēng)扇功率。

（5）返回到第3步，如果定時(shí)器中斷結(jié)束，開啟第二次循環(huán)，由此不斷循環(huán)，確保降溫除濕裝置在不停電情況下的全天候工作。

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)新型半導(dǎo)體的硬件架構(gòu)及算法程序，將設(shè)計(jì)出來的除濕器在不同環(huán)境下的開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試認(rèn)定，測(cè)試在南方梅雨天氣也就是5月份具有較高濕氣濃度的季節(jié)進(jìn)行。實(shí)際測(cè)試的開關(guān)柜柜型為10kV中置柜。測(cè)試是在實(shí)際的變電站內(nèi)進(jìn)行，中置柜跟外界發(fā)生產(chǎn)生熱對(duì)流、熱輻射和空氣交換。測(cè)試時(shí)候，設(shè)定除濕器定時(shí)器為2分鐘，即每隔2分鐘記錄下當(dāng)前傳感器測(cè)得的濕度，在上述假定的條件下，連續(xù)進(jìn)行5組測(cè)試，將測(cè)試得到的溫濕度值通過無線Lora傳感器自動(dòng)上報(bào)到云臺(tái)，在云臺(tái)以統(tǒng)計(jì)方式記錄顯示。在初始環(huán)境（溫度、濕度）、制冷片功率、運(yùn)行時(shí)間已知的情況下，通過確定最佳理論計(jì)算得到在除濕器工作一段時(shí)間之后模擬開關(guān)柜內(nèi)的濕度，將理論值與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比，得到如圖8所示。

圖8：理想條件下測(cè)量值與理論計(jì)算值的比較

圖8中可以明顯看出，理論計(jì)算得到的最佳濕度值和除濕器上報(bào)的測(cè)量值在開始時(shí)間內(nèi)差異比較大，但是隨著時(shí)間的不斷推進(jìn)，差異值開始顯著變小，最后幾乎達(dá)到重合地步，這個(gè)也證明了在理想條件下，本文提出的溫濕度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡控制算法及除濕器軟硬件具有較強(qiáng)的修準(zhǔn)擬合能力，并具有較強(qiáng)的除濕能力。

5 結(jié)論

本文提出了一種可應(yīng)用于電柜半導(dǎo)體除濕器的新型溫濕度自反饋動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)控制算法，并基于該算法說了一套利用全國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的智能半導(dǎo)體冷凝式除濕器軟硬件方案。將新型半導(dǎo)體除濕器在實(shí)際的10kV中置柜為主的變電站進(jìn)行了試用，測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用了溫濕度自反饋動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)控制算法的新型半導(dǎo)體除濕器能夠在非常短的時(shí)間范圍內(nèi)完成設(shè)定的理想濕度標(biāo)定值，并且根據(jù)環(huán)境要求會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)定值，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡降溫除濕的效果。相比較傳統(tǒng)的除濕器與一般的除濕方法，該裝置不僅提升了除濕效率，還大大提高了開關(guān)柜內(nèi)除濕裝置的智能化控制水平。