變電站端子箱智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

蔣嬪，李睿

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司超高壓公司，甘肅蘭州，730070）

1 目的和意義

變電站戶外端子箱、機(jī)構(gòu)箱的作用是將變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器的狀態(tài)、二次電流、二次電壓轉(zhuǎn)接到保護(hù)室里的測(cè)控及保護(hù)裝置上，另一方面也為一次設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)提供相應(yīng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)和電源。在變電設(shè)備正常運(yùn)行過程中，端子箱和機(jī)構(gòu)箱起著至關(guān)重要的作用。影響其運(yùn)行狀態(tài)的因素主要有以下兩點(diǎn)：一是自然環(huán)境的影響，在雨水較多的夏季以及寒冷的冬季，安裝于戶外的端子箱和機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部二次接線易發(fā)生潮濕霉變，影響電氣絕緣性能；細(xì)微沙塵進(jìn)入機(jī)構(gòu)箱或者端子箱形成集塵效應(yīng)，影響控制設(shè)備的正常功能；若二次接線腐蝕破損，可能引起電流回路端子發(fā)熱，造成端子箱起火，保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。其二是若因檢修作業(yè)中誤碰或人員誤操作導(dǎo)致端子排、分合閘線圈等異常發(fā)熱，運(yùn)維人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，若持續(xù)發(fā)熱甚至跳火產(chǎn)生電弧導(dǎo)致燒毀，將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。

2022 年某變電站發(fā)現(xiàn)7531、7532、7541 開關(guān)端子箱內(nèi)線纜燒毀。后對(duì)事故原因進(jìn)行查找，發(fā)現(xiàn)由于750kV 三、四串加熱回路環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，0 號(hào)、2 號(hào)站用變并列運(yùn)行，兩臺(tái)站用變電壓角度不一致，同相之間存在相角差，使同相之間存在電壓差，在電壓差作用下產(chǎn)生環(huán)流，引起回路過熱、燒毀。此時(shí)750kV 三、四串加熱回路燒毀短路，造成上級(jí)電源跳閘。以上異常工作狀況的發(fā)生皆在箱體內(nèi)部，目前變電站內(nèi)常規(guī)的人工巡查和視頻監(jiān)控相結(jié)合的巡視方式無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)此類異常事件，機(jī)構(gòu)箱和端子箱的運(yùn)行環(huán)境和實(shí)時(shí)狀況只能靠運(yùn)行人員在現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)打開檢查。若有疏漏或未及時(shí)發(fā)現(xiàn)的異常設(shè)備會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。所以需要一種可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箱內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，控制加熱器和空調(diào)的工作狀態(tài)和啟停閾值，自主判斷故障事件并報(bào)警的裝置，以減輕人員巡視的工作量，提高工作效率，保證設(shè)備監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和故障處理的及時(shí)性。

2 理論和實(shí)踐依據(jù)

■2.1 原理

該智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以傳感器、單片機(jī)等設(shè)備為硬件基礎(chǔ)，以NI 公司的LabVIEW 編程語(yǔ)言為軟件基礎(chǔ)，以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為傳輸載體，嵌入式技術(shù)為手段，物聯(lián)網(wǎng)思維為指導(dǎo)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)系統(tǒng)先進(jìn)行總的框架布局，再進(jìn)行模塊化劃分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，項(xiàng)目落地后易于維護(hù)；該系統(tǒng)由環(huán)境信息采集部分、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分及智能化告警及響應(yīng)部分三個(gè)部分組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

環(huán)境信息采集部分由若干布置在戶外機(jī)構(gòu)箱和端子箱內(nèi)的環(huán)境信息采集點(diǎn)構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集箱體的環(huán)境信息和狀態(tài)信息，通過數(shù)據(jù)總線上送給智能化處理及告警部分和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分。

智能化處理及告警部分接收環(huán)境信息t 和狀態(tài)信息s 作為其告警及響應(yīng)處理的判據(jù)，若通過邏輯判斷得出現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境異常并進(jìn)行以下處理：（1）將異常情況相應(yīng)的告警信號(hào)a 發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分；（2）自動(dòng)動(dòng)作，根據(jù)異常狀態(tài)作出響應(yīng)，例如啟動(dòng)加熱器加熱驅(qū)潮，啟動(dòng)風(fēng)扇降溫排煙，發(fā)送短信到手機(jī)提醒人員和現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警等。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分是使用者與系統(tǒng)交互的人機(jī)接口，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分使用無(wú)線傳輸方式與移動(dòng)端進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互。它將接收到的環(huán)境信息t，狀態(tài)信息s 和告警信息a 通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)顯示在移動(dòng)設(shè)備端的APP 上，同時(shí)接收移動(dòng)端發(fā)送的遠(yuǎn)程調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)和動(dòng)作閾值的命令。

■2.2 關(guān)鍵和難點(diǎn)

2.2.1 項(xiàng)目研究的關(guān)鍵

（1）無(wú)線傳輸方式應(yīng)可靠，有一定抗干擾能力；

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)；

（3）自動(dòng)響應(yīng)及告警功能的實(shí)現(xiàn)；

（4）系統(tǒng)的響應(yīng)準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度要求較高；

（5）硬件模塊的選擇應(yīng)綜合考慮適用性，穩(wěn)定性和性價(jià)比。

2.2.2 項(xiàng)目研究的難點(diǎn)

（1）不同的硬件模塊之間的連接電路調(diào)試；

（2）研究出符合需求的軟件特點(diǎn)并且能夠讓變電站端子箱溫度濕度數(shù)據(jù)處理部分高效運(yùn)行的程序結(jié)構(gòu)；

（3）將溫濕度數(shù)據(jù)和告警信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、打印、備份、刪除及模擬量曲線繪制等功能。

3 內(nèi)容和實(shí)施方案

■3.1 總體設(shè)計(jì)

該智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境信息采集部分（包括溫度傳感器，濕度傳感器，煙霧傳感器，火警傳感器，LCD 屏幕，人體紅外傳感器）、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分（包括Wi-Fi 模塊，移動(dòng)端和PC 端監(jiān)控程序，能接收短信的手機(jī)）及智能化告警及響應(yīng)部分（包括STM32 單片機(jī)，加熱板，風(fēng)扇，聲光報(bào)警裝置，手機(jī)短信告警模塊TC35i）組成，圖2 是智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖。

圖2 智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

圖3 傳感器的組成框圖

■3.2 環(huán)境信息采集部分

3.2.1 主要硬件設(shè)備選擇

數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。采用專用的溫濕度采集技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度集成測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能微處理器相連接。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N 型半導(dǎo)體。處于200℃～300℃時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。

釋電紅外線傳感器是利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器。主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2mm×1mm 的探測(cè)元件。人體都有恒定的體溫，一般在37℃，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μm 左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm 左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

紅外熱釋電火焰?zhèn)鞲衅骼脽後岆娦?yīng)，采用鉭酸鋰單晶作為敏感元材料。鉭酸鋰晶體材料的居里溫度在600℃以上，相對(duì)介電常數(shù)小，比探測(cè)率高，在很寬的室溫范圍內(nèi)，材料的熱釋電系數(shù)隨溫度的變化很小，輸出信號(hào)的溫度變化率只有1～2‰，傳感器性能的溫度穩(wěn)定性非常好，并且在1～20μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)一致性非常好。

3.2.2 功能及邏輯設(shè)計(jì)

環(huán)境信息采集部分其主要功能及邏輯有：

（1）采集溫濕度數(shù)據(jù)t 上送給智能化處理及告警部分和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分；

（2）監(jiān)測(cè)運(yùn)行環(huán)境中是否有煙霧和明火的出現(xiàn)，若有將狀態(tài)信息位s 置位為1 并上送給智能化處理及告警部分和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分；

（3）監(jiān)測(cè)端子箱，機(jī)構(gòu)箱前是否有人工作，若有將人員信息位h 置位為1 上送給智能化處理及告警部分和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分。

■3.3 智能化處理及告警部分

3.3.1 主要硬件設(shè)備選擇

該系統(tǒng)短信高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)選用了西門子工業(yè)GSM 模塊，該模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM 模塊，可以工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，工作電源為3.3～4.8V，推薦值是4.2V，功耗低，可選通訊波特率0.3～115Kb/s，支持Text和PDU格式的SMS（ShortMessageService，短信息），可通過AT 命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟或故障恢復(fù)。TC35I 模塊由供電模塊、閃存、ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座）連接器、天線接口等6 部分組成。共有40 個(gè)引腳通過ZIF 連接器引出，共分為5 類引腳：電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制。TC35i 模塊的數(shù)據(jù)輸入和輸出通過其串行異步通訊接口—RS232 和單片機(jī)連接，由單片機(jī)控制其啟動(dòng)、停止和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 GSM 模塊電路圖

3.3.2 功能及邏輯設(shè)計(jì)

（1）比較工作環(huán)境的溫濕度t 和預(yù)設(shè)的啟停閾值T，自動(dòng)控制加熱器和風(fēng)扇的啟停和功率；

（2）記錄溫度的變化情況，若一個(gè)設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)溫度t 變化范圍過大，則認(rèn)為箱體內(nèi)疑似出現(xiàn)溫度突變，將告警信息a置為“箱內(nèi)溫度突變”，發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并自動(dòng)發(fā)送短信“環(huán)境溫度突變”，提醒人員注意；

（3）判斷狀態(tài)信息位s 的值，若為1，則認(rèn)為箱體內(nèi)疑似出現(xiàn)火情，將告警信息a 置為“箱體內(nèi)疑似出現(xiàn)火情”，發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)聲光報(bào)警并自動(dòng)向移動(dòng)端發(fā)送提醒短信；

（4）判斷人員信息位h 的值，若為1，則認(rèn)為端子箱或機(jī)構(gòu)箱前有人工作，將告警信息a 置為“xxxx 號(hào)端子箱/機(jī)構(gòu)箱有人工作”，發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分；

（5）執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分上送的改變?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和修改響應(yīng)動(dòng)作閾值的命令。

■3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制部分

3.4.1 主要硬件設(shè)備選擇

ATK-ESP8266WiFi 模塊是ALIENTEK 推出的一款高性能的UART-WiFi（串口－無(wú)線WiFi）模塊，ATK-ESP8266板載AI-Thinker 公司的ESP8266 模塊，該模塊通過FCC，CE 認(rèn)證。ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi 之間的轉(zhuǎn)換。ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V 和5V 單片機(jī)系統(tǒng)，可以很方便地與產(chǎn)品進(jìn)行連接。模塊支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP 和WiFi STA+WiFiAP的模式，從而快速構(gòu)建串口-WiFi 數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)整體框架圖

3.4.2 功能及邏輯設(shè)計(jì)

（1）從環(huán)境信息采集部分收集環(huán)境信息t，從智能化處理及告警部分收集告警信息a 和人員信息h，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至移動(dòng)端設(shè)備并顯示在移動(dòng)設(shè)備端的APP 上；

（2）接收移動(dòng)端發(fā)送的改變?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和修改響應(yīng)動(dòng)作閾值的命令并上送給智能化處理及告警部分；

（3）APP 支持查詢各遠(yuǎn)端系統(tǒng)當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)，并支持歷史數(shù)據(jù)查詢、模擬曲線繪制等功能；

（4）用戶管理，設(shè)定轉(zhuǎn)發(fā)短信的人員名單及手機(jī)號(hào)碼。

4 總結(jié)

本文提出一種可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)箱內(nèi)運(yùn)行環(huán)境，控制加熱器和空調(diào)的工作狀態(tài)和啟停閾值，自主判斷故障事件并報(bào)警的裝置，該成果推廣后的直接效益體現(xiàn)在：該裝置通過安裝在柜體內(nèi)的高精度傳感器采集柜體內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)和PC，以減輕人員巡視的工作量，提高工作效率，保證設(shè)備監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和故障處理的及時(shí)性。

變電站端子箱智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)的邏輯判據(jù)進(jìn)行明火告警、煙霧告警、高/低溫告警和溫度突變告警，通過手機(jī)短信、聲光報(bào)警、APP 彈窗等方式提醒運(yùn)行人員，可以保證發(fā)現(xiàn)故障的可靠性和故障處理的及時(shí)性；在箱體內(nèi)環(huán)境異常時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整加熱器和空調(diào)的啟停和工作功率，進(jìn)行加熱驅(qū)潮，去除凝露，在箱體內(nèi)起火時(shí)，通過啟動(dòng)配置的微型自動(dòng)干粉滅火裝置能夠快速的將火災(zāi)控制于早期，同時(shí)運(yùn)行人員可以遠(yuǎn)程手動(dòng)控制加熱器、空調(diào)的和聲光報(bào)警裝置的工作狀態(tài)，調(diào)整告警事件和故障處理的啟停閾值，避免了就地對(duì)運(yùn)行中的機(jī)構(gòu)箱和端子箱內(nèi)加熱器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)誤碰端子排、二次接線造成信號(hào)誤報(bào)、誤動(dòng)作事件的發(fā)生，保證了響應(yīng)故障的可靠性，提高了運(yùn)行人員工作的安全系數(shù)，減少了因事故的發(fā)展造成重大經(jīng)濟(jì)損失的可能性。

綜上可見，端子箱和機(jī)構(gòu)箱的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有巨大的時(shí)間效益、安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。