基于无线传感技术的智能环网柜调控仪的设计

张 静,胡 翔,李题印,姚海燕（.浙江群里电气有限公司; .国网杭州市余杭区供电公司,杭州 300）



基于无线传感技术的智能环网柜调控仪的设计

张 静1,胡 翔1,李题印2,姚海燕2
（1.浙江群里电气有限公司; 2.国网杭州市余杭区供电公司,杭州 311100）

摘 要：为解决由于开闭所内空气潮闷、通风效果差、电缆沟积水等原因而造成的环网柜内湿度大、电气设备易出现凝露、站内臭氧浓度高、电晕放电严重、绝缘被破坏、设备易被氧化等问题，本文设计研发了一款智能环网柜内置环境调控仪。该仪器由高精度数字传感器、数据采集模块、控制系统和参数调节执行机构组成，通过控制系统，对运行环境参数进行调节，从而起到对环网柜内运行环境进行实时监测的作用，进而有效地提高了环网柜的运行稳定性。

关键词：智能环网柜；环境调控仪；控制系统

0 引言

环网柜作为电力系统中线路开合、电力设备控制和保护的重要设备，在发电、输电和配电的各环节中广泛运用，环网柜的安全运行将直接影响用户供电的可靠性。目前，环网柜正朝着通信网络功能强大，通信协议标准化，软件配置先进，自动化程度高，可靠性高，安全性强，结构模块化，可组成综合自动化控制系统等方向发展。然而，现阶段我国环网柜内部存在缺少对内温度、湿度和腐蚀性气体浓度进行监测的系统；开闭所、变电站内空气潮闷、通风效果差、电缆沟积水等原因造成的环网柜内湿度大、电气设备易出现凝露、站内臭氧浓度高、电晕放电严重、绝缘被破坏、设备易被氧化等问题[1,2]。同时，环网柜检测的传统方法是采取定期巡检的方式，以单独使用故障指示器为手段，并没有早期故障检测这类功能，更没有形成配套的相关系统。若突发故障，只能在发生故障后使用人力逐个排查；即使涉及故障诊断也仅限于针对环网柜的某个单项性能指标，不能同时从绝缘、机械和温升等多个角度全面判别环网柜的健康状况，这种不全面的检测方法极有可能由于各种原因造成误判[3-4]。

1 智能环网柜内置调控仪总体设计思路

本智能环网柜内置环境调控仪通过高精度数字传感器、信号采集模块，对环网柜内温度、湿度和腐蚀性气体浓度进行监测；可以有效的改善由于开闭所、变电站内空气潮闷、通风效果差、电缆沟积水等原因造成的环网柜内湿度大、电气设备易出现凝露、站内臭氧浓度高、电晕放电严重、绝缘被破坏、设备易被氧化等问题，提高电气设备的使用寿命和使用安全性。

首先采集各项环境参数，并进行判断处理，当运行环境参数超过设定的阈值时，调节执行机构（加热器、轴流式风扇）进行调节；采用分级调节的方式，具有一定的节能功能。监测环境参数的信息可以就地显示，也可通过便携式数据采集终端传送至后台管理系统。

环网柜电气设备运行环境监测调控技术可改善RM6型环网柜的内部环境，运行环境监测调控模块能够采集柜内环境温度、湿度等参数，同时通过控制系统对运行环境参数进行调节，当运行环境参数超过阈值时控制执行机构进行调节，通过设计有效的人工环流（通过机械机构设计解决）解决可能出现的环网柜及电气设备凝露、温度过低（高）等问题；同时，监控系统具有标准的数据通信接口，用于数据的就地显示和上传。

2 智能环网柜内置环境调控仪具体实施步骤

2.1 机械功能的实现

（1）机械架构。本智能环网柜内置环境调控仪选用线切割机下料，采用卡尺、万能角度尺进行“三检”，保证下料尺寸的准确性以及各板件开孔位置的准确性。

本智能环网柜内置环境调控仪采用折弯机及相关模具，保障零件加工后的尺寸精度及装配后产品外观质量。例如背板及左、右侧板的折弯加工；左、右侧板、顶板及前面板采用焊接加工，在焊接过程中为了提高效率，防止焊接变形及各板件的垂直度，设计了内模工装。各板件的开孔均在焊接前完成。焊接完成后对焊缝进行打磨清理，从工艺上保障了焊角的外观质量；背板及底板在产品调试完成后，最后安装。

（2）关键部件结构。本智能环网柜内置环境调控仪各关键部件如图1和图2所示。

1）测温传感器。测温传感器是用于监测环网柜内的温度的无线传感器。

2）多级调节风扇。本调控仪多级调节风扇是用来降低柜内温度的，一旦监测到环网柜内运行温度达到或超过预警值，就启动风扇并对风扇转速进行调节，从而保证环网柜在适宜的温度下运行。

3）拨码器。本智能环网柜内置调控仪在使用之前要根据当地环境设置相应参数，对其拨码进行以下四个参数的设置：

①温度限值：-20℃～+60℃；

②温度控制：设置调控仪开始运行所达到的温度限值；

③站地址：设置调控仪所对应的环网柜的地址；

④设备地址：设置调控仪编号。

本调控仪在第一次使用的时候，应保证调控仪的参数与所在配电系统现场所需参数的一致性，否则会出现测量数据不正确的情况。

2.2 控制电路功能的实现

本智能环网柜内置环境调控仪控制电路功能的实现，采用了ATmega64作为主控芯片，在线监测电缆负荷电流等参数与环网柜内各设备的运行状态；利用数字式温度传感器和湿度传感器机对运行温度和实时进行实时采集；通过液晶、LED数码和LED指示灯显示各温湿度情况和各设备运行状态。另外，柜体智能操控主机可以通过RS485总线与其他设备进行接口。

2.3 智能环网柜内置调控仪功能描述

本次设计的智能环网柜内置电气设备运行环境监测调控仪的基本功能是，可通过高精度数字传感器和信号采集模块实时监测柜体内环境温度、湿度等参数，即当柜体内温、湿度超出合适的运行范围时，控制加热装置、通风装置调节柜体内温、湿度到合理的范围，其中，调控参数阀值可手动设定；同时，当运行参数超出设定值时，具有报警功能；并能够实现对监测数据的存储，存储时间长达30天。 同样的，该调控仪也应具有通信功能，通过通信接口，将监测到的环境参数送到就地显示模块，进行数据显示；同时，还可将监测环境参数传送至便携式数据采集终端和后台系统；另外，通过通信接口，还可利用便携式数据采集终端对该模块进行基本参数设置和控制。另外，该仪器还具备扩展功能，第一，设计预留标准通信接口和通信协议，本仪器可以和以后扩展的其他监控模块进行对接；第二，根据不同类型高低压环网柜的具体应用情况，可以对该仪器结构和控制方式进行调整，能够应用于各种类型的室内或室外高低压环网柜。

3 性能分析

本智能环网柜内置环境调控仪与以往的环境调控仪相比，其具体的性能优势体现在以下五个方面：

（1）智能环网柜环境调控仪具有多级调节功能，能根据不同安装地的具体情况，有效控制风扇转速和多级加热片，环境调节模式多和调节改善效率高，可实时保障柜内环境处于正常状态，有效杜绝了引发故障的诱因产生；

（2）在监测系统的参数设定方面，智能环境调控仪也做了相应改进，脱离了以往只可手动设定的局限（待确定），可根据实际情况通过手动面板设定或者数据采集终端设定，并实现运行参数超出设定值时，自动报警的功能，为设备安全运行增加了一道可靠的保障；

（3）相对以往简化甚至没有数据存储的缺陷，智能环境调控仪实现对监测数据长达30天自动本地实时存储，对故障检测的原因分析提供了客观详实的依据；

（4）以往环境调控仪功耗过高造成故障频发的问题早已亟待解决，通过流体力学实验设计的18%的倾角和物理结构使功耗比最高，是以往环境调控仪难以企及的优势所在。

4 结语

本课题所研究设计的环网柜电气设备运行环境监测调控模块能够解决可能出现的环网柜及电气设备凝露等问题，从而提高开闭所内电气设备的使用寿命和运行可靠性。调控模块由高精度数字传感器、数据采集单元、控制系统和参数调节执行机构组成，首先采集各项环境参数，同时通过控制系统，对运行环境参数进行调节，当运行环境参数超过一定值参数调节执行机构（加热器、轴流式风扇）进行调节；控制系统一方面要调节运行参数在合适的范围，同时具有节能功能。其本质为环网柜智能辅助模块，模块安装后可提高环网柜的智能性，形成智能型环网柜产品予以推广。

参考文献：

[1]俞曙江.开闭所内部运行环境监测与控制技术应用研究[J].电气应用,2012,21(31):88-90.

[2]熊兰,徐敏捷,杨子康等.基于翅片散热和ZigBee的开关柜触头温度测控系统[J].电力自动化设备,2014,7(34):157-162.

[3]孙晓雅,李永倩,李天等.基于光纤光栅的开关柜温度在线监测系统设计[J].电力系统通信,2012,33(05):6-10.

[4]王华学.基于无线传感网的高压开关柜温湿度测控系统设计[J].电子测试,2015(04):9-10.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.109