配电环网柜防潮控温系统的设计与实现

曾繁祎，何仁川，张璐璐

（海南电网有限责任公司三亚供电局，海南三亚 572000）

配电环网柜防潮控温系统的设计与实现

曾繁祎，何仁川，张璐璐

（海南电网有限责任公司三亚供电局，海南三亚 572000）

针对配电环网柜凝露的成因及对配电可靠性的影响，提出了基于多要素相互作用的配电环网柜的防凝露控制算法，并构建了配电环网柜防潮控温的远程实时集散监控系统。该系统有效保证了设备的安全稳定的运行，提高了自动化水平，减少了安全隐患。

环网柜；凝露；控制算法；远程监控

在中压配电网中，环网柜是最常用的终端配电方式，一般安装在户外，内部容易出现凝露。凝露会加速柜内设备的金属结构件的锈蚀，降低设备操作可靠性及机械强度，电气件的绝缘性能也会大大降低，造成电气设备爬电、闪络和跳闸等事故，从而给企业生产和居民生活带来不良的影响。针对防凝露措施，王阳[1]提出了一种基于环网柜结构的各种开孔处理方法，目的是为了增加柜内外的自然换气，但该方法无法从根本上根除凝露的发生。沈学良等[2]主要采取排风的措施，方法单一，而且环网柜内各开关柜体独立，难以有效排气。汪李忠等[3]采取除湿排水措施，其方法也偏于单一，因信息化不足柜体内的状态无法透明。

本文提出的解决方案，能根据环网柜工作的各种环境条件，综合应用除湿、加热升温和启动排气扇等方法，尽最大程度保证环网柜不出现凝露。根据环网柜PT的负载能力，合理选取除湿器、加热器和排气扇等装置的工作模式，尽量降低系统运行的能耗，实现均衡负载，降低对原系统投切操作的影响，并且对电缆仓和二次仓采用不同的控制策略。利用远程测控技术，实现对环网柜运行的远程测控，实时掌握环网柜运行的情况，及时排除环网柜运行的安全隐患。可保存各环网柜运行的相关数据，为各环网柜的管理和维护提供科学的依据。

1 系统构成

该系统由控制终端、通信管理机、温湿度远程调节及管理平台等3个部分组成，系统结构框图如图1所示。控制终端与通信管理机间基于ZigBee无线通信进行数据与命令的交互，以减少环网柜内的配线[4]，通信管理机与远程后台间基于GPRS通信，从而实现远程对环网柜运行环境的实时监控。

控制终端可实时监测箱内的温湿度情况，根据传感器测量的温湿度信息，通过凝露算法，智能控制加热器、排气扇和半导体除湿装置进行驱潮，破坏发生凝露的条件。终端还配置有限位传感装置，用于监测环网柜柜门是否打开，当柜门状态异常时，发出报警信息，提醒工作人员到现场进行维护、检修。通信管理机实现各种集约、高效、智能的信息汇总、信息标准化和信息安全接入技术，从控制终端接收数据并向其发送控制命令，采用TCP/IP向上位机软件平台的应用服务器主动上传监测数据、向web服务器接收和发送命令。温湿度远程调节与管理平台软件采用B/S及C/S混合方式，基于NET标准多层应用架构的Web框架开发平台搭建，监控数据由上位机后台处理并形成图形表报提供给管理人员，预警信息以短信方式发送给维护人员，从而减轻维护人员的工作量也降低了设备故障率。

图1 系统构成框图Fig.1 System structure diagram

整个系统提供实时、可视化的监测、控制。实时监测各配电环网柜的环境温湿度、排气扇、温湿度调节控制终端运行情况。具有数据采集，数据库管理，信息显示，报警发布以及历史信息查询等功能。是一款集成有实时监测和在线控制功能的软件平台，包括应用服务器、web服务器、数据库服务器和本地客户机。应用服务器主动接收通信管理机发送的监测数据，并保存到数据库服务器；数据库服务器用于保存台账信息、实时数据、历史数据；web服务器为本地客户机提供web服务器、向通信管理机接收和发送操作命令；本地客户机通过浏览器访问web服务器呈现台账数据、实时数据、历史数据和向web服务器发送接收监控命令。值班人员可以通过该平台，向各个无线温湿度调节控制终端发送指令，包括主动查询当前各环网柜运行环境及各设备的在网状态和工作状态、手动控制终端除湿模块、智能防潮控温方式的切换等等。与此同此，软件平台可将大量的数据信息绘制成图表，进行存储，记录，方便专业人员查询、分析。

2 控制终端与通信管理机设计

环网柜内根据各个开关柜对除湿、加热、换气的需要，配置相应数量的控制终端。为了柜体内外通信的可靠性、通信规约转换、安全性以及GPRS接入费用等诸多因素考虑，环网柜内设置了一台通信管理机中继各控制终端的通信需求，链接各控制终端和远程监控管理中心间的双向通信。

2.1 控制终端与通信管理机的硬件设计

控制终端主要功能包括限位开关检测、温湿度检测、凝露判别算法、设定工作模式、指示报警、控制除湿、加热和换气等执行机构以及通过通信管理机接收监控控制平台的指令与发送自身的状态与数据。依据这些功能需求系统选择80C52单片机作为控制终端的控制核心，以满足运算、存贮、I/O接口、通信的需求，其电路连接框图如图2所示。环网柜内每个控制终端都有一个唯一的地址码以及与之对应的柜体信息，都可以独立与监控管理平台进行远程信息交互。

图2 控制终端硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the control terminal hardware

通信管理机主要功能包括与各控制终端的状态与数据接收汇总、来自监控管理平台指令的转发、规约转换、采用TCP/IP协议实现与远程监控管理平台的双向通信、信息安全处理等。同时通信管理机还具有门锁限位检测，当环网柜门打开之后会有告警信息发送至服务器端，以便检修和判断是否为非法开启。在上述功能处理中，为了确保一定的实时性以及数据安全考量，选择具有ARM核的STM32F407处理器。该处理器主频达到168MH，具有192K的片上内存，便于扩展TCP/IP协议接口。通信管理机运行μC/OS-Ⅱ嵌入式实时多任务操作系统，满足与控制终端以及与远程监控管理平台间的并发通信请求与数据及协议处理。

该系统主要应用于现有环网柜的改造，系统的供电来源于PT互感器，其电能输出存在一个极限值。因此，在控制终端与通信管理机的硬件设计与选型以及除湿、加热和换气等执行机构的工作模式上，都必须综合考虑其耗电量，必须采用低功耗设计与低功耗工作方式。特别是执行机构的耗电处理，以不发生凝露为前提，通过软件算法优化执行机构的协调运行。

2.2 防凝露控制算法分析

控制终端通过温湿度传感器实时地检测柜体的温度与相对湿度。绝对湿度为单位空气在一定压力及温度下所含的水汽的质量。饱和湿度为单位空气在该条件下所能包含的最大水汽质量，一般来说温度越高，空气中所能包含的水汽越多，饱和湿度越大。绝对湿度与饱和湿度的比值为相对湿度。如果湿度不变，当温度低至一定值后，水蒸气的分压力达到所对应温度的饱和压力，空气中的水汽就达到饱和。如果温度进一步降低，水汽就会从空气中冷凝析出形成露滴。此现象即为“凝露”。因此，温度和湿度的变化是凝露产生的重要因素[5-8]。

由以上分析可知，当环网柜周围环境温度较低而柜内的空气湿度接近饱和值时，则首先应通过提高柜内环境温度的方式快速降低空气相对湿度，再通过加速抽湿的方式防止凝露产生；而当周围环境温度较高时，通过加热降低环网柜内相对湿度则会对设备运行造成不良影响，因在相对湿度达到某一设定阈值后进行抽湿，防止凝露现象的产生；而当柜内相对湿度高于其环境湿度时则可主要通过通风的方式降低环网柜内的空气湿度，因此整个系统除湿控制算法在以保证不产生凝露现象的前提下以最经济的方式运行。

2.3 控制终端与通信管理机的软件设计

控制终端CPU采用单任务封闭循环工作方式，其程序由顺序执行与中断两个部分，程序框图如图3所示。通信管理机采用多任务实时操作系统，程序框图如图4所示。

图3 控制终端程序框图Fig.3 Block diagram of the control terminal program

图4 通信管理机程序框图Fig.4 Program block diagram of communication management machine

3 远程监控管理平台设计

温湿度远程调节与管理软件采用B/S及C/S混合方式，基于NET标准多层应用架构的Web框架开发平台搭建，具有较高的灵活性、健壮性、扩展性、安全性以及并发处理能力。提供与上一级自动化系统对接的接口，以标准的电力系统通信规约将数据上传；具有短信报警功能。在系统中可查询历史数据、报警信息等；具有通信断线报警、快速地理定位功能。

3.1 平台架构

温湿度远程调节与管理软件系统平台主要由WEB服务器、应用服务器、数据库服务器构成，使用GPRS或者VPN网络，通过通讯管理主机对控制终端进行数据获取和控制，系统的总体架构如图5所示。

图5 系统功能结构图Fig.5 System function structure diagram

应用服务器方面，在Windows平台以服务方式运行，能够在系统重启后未登录的情况下，也能正常的启动服务。与通讯管理机采用基于TCP协议的Socket进行网络通信，双方采用一致的具有校验功能的通信指令格式，保证数据的准确性。通讯管理机先与应用服务器连接，之后定时把采集到的控制终端的实时信息成批发送给应用服务器，应用服务器接收到数据后及时更新内存中的实时信息，并定时存入数据库，作为历史数据。当应用服务器接收到WEB端发送的控制指令时，通过通讯管理机把指令发送到对应的终端上。

WEB服务器方面，WEB服务器上部署了基于ASP.NET技术的网站系统，通过远程调用技术从应用服务器获得内存中的实时信息，或者把控制指令发送给应用服务器，其他部分的数据通过访问数据库服务器来实现。用户交互界面以及各种数据统计功能都用WEB技术实现，客户端只需要有浏览器就能进行访问。

数据库服务器方面，采用ORACLE数据库系统，在稳定性和安全性方面比其他数据库系统更好。

3.2 主要功能模块

防潮控温系统由系统管理、台账信息建立与维护、实时数据显示、历史数据呈现、SOE事件管理及系统帮助等6个模块组成。系统功能结构图如图5所示。

系统管理：包括用户管理、角色管理、模块管理、用户权限分配、部门管理等功能，为系统提供灵活的权限配置，及可靠的安全性。

台帐管理：进行建立、维护、更改和查询变电站、通信管理机、线路和环网柜设备信息等功能。

环网柜监控：实时显示当前环网柜的温湿度并能够通过web控制环网柜的工作模式及工作状态。

历史数据：能查看环网柜监控的历史信息；提供历史数据报表生成及打印功能；提供不用环网柜历史数据对比曲线图。

SOE事件：能查看各类设备数据异常情况；确认数据异常并填写原因。

系统帮助模块：提供系统使用说明。

3.3 关键技术

3.3.1 多层技术架构

平台软件采用多层技术架构搭建，以提高系统的灵活性、可扩展性、安全性以及并发处理能力，适应集约化管理和业务发展的需要。采用B/S及C/S混合方式，按层次分成4层：表示层、业务逻辑层、数据访问层、数据库层。系统采用基于NET标准的多层应用架构Web框架的开发平台，采用分层式设计。这种设计方式具有松散耦合、逻辑复用、标准定义等优点，使系统具有较好健壮性、扩展性、可维护性，多层技术架构如图6所示。

图6 多层数据架构Fig.6 Multi-layer data frame

3.3.2 数据加密技术

目前流行的加密算法有MD5，MARS，SHA等。考虑到数据库被非法入侵后可能导致所有的密码泄露问题，因此决定采用不可逆的MD5加密算法作为本系统的加密方案。

系统使用MD5算法对用户密码加密后存储在数据库文件中，当用户登录时，系统把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和保存在数据库中的MD5值进行比较，进而确定输入的密码是否正确。通过这样的步骤，系统在并不知道用户明文密码的情况下就可以确定用户登录的合法性。这样不但可以避免普通用户的密码被系统管理员知道，而且还在一定程度上增加了密码被破解的难度。

3.3.3 数据通信技术

以太网通信有UDP和TCP两种通信协议。UDP协议具有协议简单、开销小以及传输速度快等特点，但是可靠性较低，常常应用在速度和性能比可靠性要求更高的应用程序中。而TCP中提供了有保证的传输、错误校正和缓冲，保证了数据传输的可靠性，因此在设计中选用了TCP为传输层协议。

SuperSocket是一个使用C#开发的开源的轻量级，跨平台而且可扩展的.Net/Mono Socket服务器程序框架。应用服务器底层的数据通信部分采用了SuperSocket框架，采用十六进制的指令格式，以BYTE数组形式进行数据通信。系统具备高性能的事件驱动通信，能够通过会话并发的发送数据，并保持高性能和可控性，自动进行粘包处理

3.3.4 远程过程调用

RPC（Remote Procedure Call Protocol）——远程过程调用协议，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的协议。RPC协议假定某些传输协议的存在，如TCP或UDP，为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中，RPC跨越了传输层和应用层。RPC使得开发包括网络分布式多程序在内的应用程序更加容易。

Apache Thrift是Facebook实现的一种高效的、支持多种编程语言的远程服务调用的框架。应用服务器与WEB服务器之间采用Thrift进行进程间的通信，WEB的实时信息都是从应用服务器的内存获取，控制指令也能通过RPC调用应用服务器的发送指令接口，最终把指令发送给对应的终端设备

3.3.5 WEB前端界面设计

WEB前端界面主要采用流行的BootStrap框架，界面简洁、美观，能够兼容不同的分辨率以及不同的移动设备，如图7所示。设备实时信息的显示采用AngularJS技术来实现，把数据和界面层进一步在前端分离，能够支持更高效的动态数据刷新。

历史数据曲线图如图8所示，采用了ECharts可视化图表组件，能够在WEB端展示出直观、生动以及可交互性的曲线图。

图7 系统功能结构图Fig.7 System function structure diagram

4 总结

基于无线传输的配电环网柜防潮控温远程监控与管理系统的优势在于其能实现网络化的非接触式数据传输，不需要布线，不需要改变现有的配电环网柜结构，具有更强的环境适用能力和更高的性价比。

通过科学、合理的控制方法，有效破坏柜内的凝露条件，使环网柜远离因凝露带来的损害，提高供电质量，减少由凝露现象造成的经济损失。

通过对户外环网柜的运行环境的实时监控，运行人员可远程获知配电环网柜的温湿度信息及关键点温度，不需要再安排专人对环网柜进行定期巡检，减少了工作量，简化了工作流程，提高了自动化水平，减少了安全隐患，保证了设备的安全稳定的运行。

图8 基于ECharts技术的历史数据曲线图Fig.8 Historical data curve based on ECharts technique

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[4]俞曙江.基于CPLD和ZigBee技术的环网开关柜运行环境监控装置的研究和开发.华北电力大学2014硕士论文.

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（编辑 徐花荣）

Design and Realization of the Moisture and Temperature Control System in Ring Main Units

ZENG Fanyi，HE Renchuan，ZHANG Lulu
（Sanya Power Supply Bureau，Hainan Power Grid Company Limited，Sanya 572000，Hainan，China）

In view of the cause of dew condensation in the ring main unit and the influence of the dew on the distribution reliability，this paper presents an anti-condensation algorithm for the ring main unit based on multi-factors and constructs a remote real-time distributed monitoring system for dehumidification and temperature control of the ring main unit.The system proposed in the paper can effectively ensure the safe and stable operation of the equipment，improve the level of automation，reduce the security risks.

ring main unit；condensation；control algorithm；remote monitoring

1674-3814（2016）08-0067-06

TM727

A

2016-06-05。

曾繁祎（1980—），男，助理工程师，长期从事变电站自动化系统运行、配电管理工作；

何仁川（1973—），男，助理工程师，长期从事配电运维管理工作；

张璐璐（1990—），女，助理工程师，长期从事变电站自动化运维管理工作。