變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)設計

王 浩

國網寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750000

0 引言

在低溫、潮濕環(huán)境下，變電站戶外箱柜會發(fā)生低溫帶電運行、凝露現象，箱柜內出現凝露后，很容易使柜內一些重要電氣設備和線路發(fā)生氧化和銹蝕，不僅會縮短其使用壽命，嚴重情況會直接引發(fā)柜內設備短路、機構卡澀、故障跳閘等事故。目前，為了防止變電站戶外箱體凝露產生，保持箱體內設備運行溫度適宜，變電站普遍采用的措施是利用防潮監(jiān)控系統(tǒng)對變電站戶外箱柜進行遠程監(jiān)控。由于安裝工藝和產品質量等，變電站大部分戶外箱體（或老舊變電站的全部戶外箱體）內的驅潮加熱裝置采用人工就地開箱開柜檢查、操作控制的方式。該方式在實際應用中存在許多問題，如當環(huán)境潮濕時，由于人體感知偏差、未及時投入等，造成戶外箱體銹蝕、設備異常，加熱驅潮裝置損壞時無法及時發(fā)現，影響設備穩(wěn)定運行?，F有技術無法根據真實情況進行控制，為此，文章提出變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 加熱驅潮設備設計

加熱驅潮設備安裝在變電站戶外箱體內，用于對變電站戶外箱體的內部進行加熱驅潮。加熱驅潮設備采用現有技術，具體安裝結構如圖1所示。

圖1 加熱驅潮設備安裝結構

加熱驅潮設備包括監(jiān)控器和負載，監(jiān)控器與負載電連接形成加熱驅潮回路。監(jiān)控器包括溫濕度控制器和溫濕度傳感器，可集成在一個電路板上。溫濕度傳感器用于監(jiān)測變電站戶外箱體內的溫濕度，溫濕度控制器可以根據溫濕度傳感器監(jiān)測的溫濕度對負載通電，使得負載加熱，以對變電站戶外箱體內進行加熱驅潮。

1.2 監(jiān)測遙控裝置設計

1.2.1 裝置組成

監(jiān)測遙控裝置包括遙控開關模塊、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網絡信號轉換模塊、網絡傳輸模塊和第一控制終端。遙控開關模塊、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網絡信號轉換模塊可安裝在變電站戶外箱體內[1]；網絡傳輸模塊可安裝在變電站戶外箱體的外表面上，通過磁吸、粘貼或螺栓固定等方式安裝；第一控制終端為工作人員持有，可以安裝在移動終端，如手機、平板電腦等。

（1）遙控開關模塊包括遙控開關和遙控開關控制器。遙控開關串聯在加熱驅潮回路中，只有當遙控開關導通時，監(jiān)控器才能對負載通電。遙控開關的控制端與遙控開關控制器的輸出端電連接，遙控開關控制器用于控制遙控開關的通斷。（2）電流采集模塊的輸入端與加熱驅潮回路電連接，用于采集加熱驅潮回路中的電流，以便確定加熱驅潮設備是否正常工作[2]。電流采集模塊可以采用多回路電流信號采集器。（3）溫濕度采集模塊的輸入端與監(jiān)控器電連接，用于獲取監(jiān)控器的溫濕度傳感器采集的溫濕度。（4）網絡信號轉換模塊的各端分別與遙控開關控制器的輸入端、電流采集模塊的輸出端和溫濕度采集模塊的輸出端電連接，具體可通過網絡信號線連接。網絡信號轉換模塊是網絡信號電流采集器，將電流信號、溫濕度信號轉換為網絡信號。（5）網絡傳輸模塊是無線網絡傳輸設備，用于將網絡信號傳輸到第一控制終端。當網絡傳輸模塊是無線網絡傳輸設備時，其可以采用如下的至少一種傳輸方式：藍牙、4G、LoRa、ZigBee和 Wi-Fi。（6）每一加熱驅潮設備均可安裝上述的一個監(jiān)測遙控裝置，每一監(jiān)測遙控裝置可以使用一個第一控制終端，也可以多個監(jiān)測遙控裝置共用一個第一控制終端。第一控制終端用于判斷加熱驅潮設備是否故障，根據采集到的溫濕度數據確定變電站戶外箱柜環(huán)境狀態(tài)。

1.2.2 裝置傳輸設計

監(jiān)測遙控裝置連接如圖2所示。加熱驅潮設備控制終端包括主機和顯示器。主機分別與網絡傳輸模塊和第一控制終端通信連接，顯示器與主機電連接?？刂平K端的主機可通過有線或無線的方式與網絡傳輸模塊連接，因此，網絡傳輸模塊可以包括具有有線傳輸功能和無線傳輸功能的組件[3]。當多個監(jiān)測遙控裝置共用一個控制終端時，可實現全站所有箱體的加熱驅潮設備、箱體運行環(huán)境的溫濕度實時監(jiān)測、智能調控等功能，通過顯示器顯示變電站所有箱體的加熱驅潮設備的運行狀態(tài)及工況、箱體內運行環(huán)境溫濕度情況。同時，控制終端和監(jiān)測遙控裝置第一控制終端之間可以進行信號、指令等互傳?？刂平K端將信息發(fā)送至監(jiān)測遙控裝置第一控制終端；如需遠程控制，控制終端可以將接收的第一控制終端發(fā)送的控制指令發(fā)送到指定箱體的網絡傳輸模塊，以便通過遙控開關模塊控制加熱驅潮設備啟動或停止。

圖2 監(jiān)測遙控裝置連接

2 系統(tǒng)軟件設計

根據系統(tǒng)功能需求，在軟件方面設計了數據預處理模塊、凝露控制模塊。系統(tǒng)采集到的戶外箱柜溫度、濕度等數據含有較大的噪聲，并且存在一些不完整數據和重復數據，需要利用數據預處理模塊對采集到的戶外箱柜環(huán)境數據進行降噪和冗余處理。

假設待處理數據包為M，該數據包中含有數據n個，利用平均濾波法對數據進行濾波，隨機選取兩組相鄰的數據，計算出平均噪聲幅值：

式中：h為數據平均噪聲幅值；mine為兩組數據中最小幅值；maxe為兩組數據中最大幅值。

以平均噪聲幅值為標準，刪除超過該標準的噪聲，再從數據列表中抽取兩組數據，按照上述流程操作，直到所有數據均得到降噪處理。

采用滑動塊對數據進行消冗處理，創(chuàng)建一個固定大小的滑動窗口，滑動窗口長度要根據數據期望長度確定，其計算公式為

式中：u為滑動窗口長度；w為期望數據序列長度；p為實際數據序列最大長度。

根據式（2）計算滑動窗口長度參數，隨機選擇一組數據序列，將滑動窗口從數據頭向后滑動，如果數據長度超出滑動窗口，則說明該數據塊為冗余數據，將其刪除，并繼續(xù)向后滑動，直到滑動窗口對整組數據遍歷完為止[4]。

應用模糊數學算法分析處理后的數據，確定當前戶外箱柜實際環(huán)境狀態(tài)。為了方便綜合分析，對數據歸一化：

式中：d(x)為歸一化后的數據；xmin為數據中最小溫度或者濕度值；xmax為數據中最大溫度或者濕度值；ρ為歸一化系數，通常情況下取值為0.1。

當空氣中水蒸氣露點溫度達到一定數值時，就會形成凝露，而露點溫度與空氣中的溫度和濕度有直接關系，因此根據現場溫度和濕度計算出箱柜內露點溫度：

式中：c為箱柜內露點溫度；maxq為當前箱柜內最高溫度；maxy為當前箱柜內最高濕度；k為當前箱柜內空氣飽和度[5]。

將其與凝露形成條件進行比較，確定柜內是否形成凝露，如果形成凝露，驅動加熱驅潮設備進行驅潮處理，用公式表示為

式中：v為加熱驅潮設備開關狀態(tài)，此次設計0和1兩種狀態(tài)，其中0表示加熱驅潮設備為關閉狀態(tài)，1表示加熱驅潮設備為開啟狀態(tài)；?為凝露形成最低露點溫度。

利用式（5），根據柜內實際情況控制加熱驅潮設備，保證變電站戶外箱柜始終處于良好的環(huán)境。

3 實驗驗證

以某變電站為實驗對象，該變電站有8個戶外箱柜，變電站所處區(qū)域空氣濕度較高，戶外箱柜內容易形成凝露，影響其正常運行。實驗利用設計的系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)對該變電站戶外箱柜進行防潮監(jiān)控，準備了8個加熱驅潮設備和1個監(jiān)測遙控裝置，每個箱柜內安裝1個加熱驅潮設備，由監(jiān)測遙控裝置控制多個加熱驅潮設備。將遙控開關控制器、電流采集模塊、溫濕度采集模塊、網絡信號轉換模塊和供電電源集成在一塊電路板上，采用市電供電。實驗中，將溫濕度傳感器掃描頻率設定為3.16 MHz，掃描范圍設定為0～2.5 m，掃描周期設定為30 s，實驗時間為6 h，共采集到0.26 GB數據，具體數據如表1所示。

從表1可以看出，監(jiān)測溫濕度與實際情況基本一致，監(jiān)測數據精度較高。為了進一步檢驗兩種系統(tǒng)的性能，以凝露感知偏差作為實驗指標，當感知的凝露露點溫度偏差超過0.3 ℃時，會影響到加熱驅潮設備控制效果。利用IHI軟件對兩個系統(tǒng)凝露感知偏差進行檢測，使用電子表格記錄實驗數據，具體如表2所示。

表1 變電站戶外箱柜溫濕度對照表

表2 兩種系統(tǒng)的箱柜凝露感知偏差對比

從表2數據可以看出，文章設計系統(tǒng)對于凝露感知偏差較低，基本可以控制在0.3 ℃以下，說明設計的系統(tǒng)可以精準控制加熱驅潮設備對戶外箱柜進行驅潮；傳統(tǒng)系統(tǒng)對于凝露的感知偏差均超過最大限值（0.3 ℃），并且高于設計的系統(tǒng)。實驗結果證明，設計系統(tǒng)具有較高的監(jiān)控精度，且優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，更適用于變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控。

4 結束語

文章在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎上進行了優(yōu)化和創(chuàng)新，設計了新的變電站戶外箱柜防潮監(jiān)控系統(tǒng)，有利于降低變電站戶外箱柜維修成本，延長箱柜內電氣設備使用壽命，具有較好的現實意義。