變電站戶外箱柜防潮監控系統設計

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、潮濕環境下，變電站戶外箱柜會發生低溫帶電運行、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控系統對變電站戶外箱柜進行遠程監控。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現，影響設備穩定運行?，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控系統的設計方案。

1 系統硬件設計

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控器和負載，監控器與負載電連接形成加熱驅潮回路。監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 監測遙控裝置設計

1.2.1 裝置組成

監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控器電連接，用于獲取監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測遙控裝置，每一監測遙控裝置可以使用一個第一控制終端，也可以多個監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境狀態。

1.2.2 裝置傳輸設計

監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、箱體運行環境的溫濕度實時監測、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及工況、箱體內運行環境溫濕度情況。同時，控制終端和監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端將信息發送至監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送的控制指令發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 監測遙控裝置連接

2 系統軟件設計

根據系統功能需求，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境狀態。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，此次設計0和1兩種狀態，其中0表示加熱驅潮設備為關閉狀態，1表示加熱驅潮設備為開啟狀態；?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與傳統系統對該變電站戶外箱柜進行防潮監控，準備了8個加熱驅潮設備和1個監測遙控裝置，每個箱柜內安裝1個加熱驅潮設備，由監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，監測溫濕度與實際情況基本一致，監測數據精度較高。為了進一步檢驗兩種系統的性能，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，說明設計的系統可以精準控制加熱驅潮設備對戶外箱柜進行驅潮；傳統系統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。實驗結果證明，設計系統具有較高的監控精度，且優于傳統系統，更適用于變電站戶外箱柜防潮監控。

4 結束語

文章在傳統系統的基礎上進行了優化和創新，設計了新的變電站戶外箱柜防潮監控系統，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。