通信可视化综合智慧柜的研发及其应用

赵加利，金烂聚，刘顺孝，李跃新

（国网温州供电公司，浙江 温州 325000）

0 引 言

进入21世纪以来，信息通信技术已深入人类生产、生活的方方面面，人们对智能化、自动化的需求越来越大[1]。设备集成化、精密化程度日益加深，对运行环境也提出了越来越高的要求[2]。

本次温州信通公司研究的通信可视化综合智慧柜，结合了一体化机柜的户外部署特性和智能机柜的功能性。除了具备防沙尘、防雨防晒功能，它还具有改进的供电系统、温湿度控制、远端环境信息和设备信息的采集及监控、柜门防盗等功能，而且创新性地加入了远程视频监控功能，并采用阻燃隔热涂层材料技术，最终实现了对设备的保护及对运行环境、运行参数的全面监测和控制。

1 现状分析

近年来，电力系统部署了变电所图像监控、远程动环监控等系统，实现了对机房环境信息的远程实时监控[3]。但是，随着变电站智能化、自动化水平的日益提高，对现场运行信息的采集深度和广度有了更高要求[4]。现有的图像和动环监控系统无法监控机柜内情况，需依靠定期的现场巡视补充必要信息。在部分站点，如电力开闭所、电力营业（供电）所、街边、楼顶、山区等，运行环境较差，相关设备不易部署。传统的户外用机柜温控效果差，影响柜内设备使用寿命，也缺乏必要的远程监控手段，无法及时全面掌握设备的运行情况。这些机柜功能单一，已不能满足使用需求，急需改进。随着新材料的应用、音视频压缩技术的成熟及设备日益小型化，以上问题的解决成为可能[5]。

2 通信可视化综合智慧柜的基本结构

通信可视化综合智慧柜由模块电源、蓄电池、视频系统、温控系统、门禁、通信装置和各类传感器构成。它通过智能软件平台实现对运行设备的视频图像、运行状态、环境信息的实时监测，进而实现对空调、柜门和电源等的远程控制。整体结构如图1所示。

图1 系统结构图

3 通信可视化综合智慧柜的功能实现

通信可视化综合智慧柜对于故障判断和信息采集具有十分敏锐的优势，原因在于其实现了诸多功能。

3.1 视频监控

通信可视化综合智慧柜内置可活动的摄像头，图像通过内网或外网传输至中心站监控系统平台，实现了对现场设备的实时可视化监控。它通过系统平台和柜内机械装置，实现了柜内摄像头的灵活控制。利用安装在底座的交流电机及相关的传动装置，实现了机械手臂的钟摆动作。结构如图2、图3所示。

图2 机械装置整体结构

图3 机械手臂

同时，屏柜内置LED灯光照明，方便摄像头采集图像信息及检测人员夜间或恶劣环境下进行作业。

3.2 环境信息采集与监测

通信可视化综合智慧柜通过在柜内内置环境检测模块来实现柜内电源智能控制，以有效检测系统的短路故障。它可采集柜内的电压、电流、环境温湿度、报警信号接入、空调、门禁柜内环境信息等，实现故障的自管理功能。同时，检测到的电压、电流、温度、风机、模块、高低温等信息，通过检测模块标准的RS232和RS485接口上传至中心站供监控用，提高了工作人员的工作效率。

3.3 温湿度控制

本机柜将新风与温度调节、除湿设备相互联动，实现了柜内环境恒温、恒湿，节约能耗的同时，延长了设备的使用寿命。

通信可视化综合智慧柜在屏柜内置直流驱动精密半导体空调，通过PWM调制控制，实现柜内自动微电子空调控制。它可以自动实现柜内的温湿度调节和微电子空调控制，内部温度可以达到±0.5 ℃的控制精度。同事，半导体制冷器不含运动部件，没有压缩机和制冷剂，环保、高效[6]。

新风机与空调互相协作运行。当室外温度低于25 ℃时，新风机工作，空调不工作；当室外温度大于25 ℃时，新风机不工作，空调工作，最大程度降低机柜能耗[7]。

如图4所示。为使机柜内保持在合适的温度，新风机与空调的散热功率必须大于机柜内设备产生的热量与室外传到机柜内的热量的和[8]。由此，可得：

图4 机柜气流示意图

其中，C为新风散热功率或空调制冷功率，A为机柜内设备热功率，B为环境传导至机柜内的热功率。

其中，X为机柜外环境温度。

已知设计机柜设备的热功率为1 500 W，新风最大散热功率为1 600 W，空调最大制冷功率为2 500 W，得出：

①当环境温度小于25 ℃时，使用新风机散热，符合机柜散热需求：

②当环境温度大于25 ℃小于60 ℃时，使用空调散热，符合机柜散热需求：

采用喷涂式阻燃保温材料对机柜柜体进行隔热处理，使柜体实现良好的保温绝缘性能。降低机柜的热传导性能，减少室外环境温度对机柜内的影响，使信息通信综合智能柜的运行更加绿色节能。

最后，通信可视化综合智慧柜通过软、硬件的结合，实现了柜内空调、新风系统间的切换。当柜内空调出现故障时，柜内自动启动新风系统，以保证柜内设备正常运行，进一步保障了柜内设备的正常运行，提高了柜内设备的使用寿命。

3.4 传输系统

该智慧柜采用有线和无线相结合的通信方式，实现了监控信号的传输。正常状态下，通过内网传输设备传输各类监控信号；当传输设备发生故障，屏柜自动切换为无线通信，通过公共的4G网络传输视频等监控信号，实现了故障情况下的有效监控。通信系统如图5所示。

图5 双网络自动切换系统图

其中，4G内外网转换器是一入二出的以太网转4G和以太网的设备，一端接智能设备，一端接路由器。不仅能够通过网络直接收发数据，还能通过4G网络进行数据传输。中心处理器采用MT7688芯片，具有体积小、支持有线+无线路由器方案、板载64 MB DDR2、内存8 MB FLASH的特点，适合用于有线和4G之间的转换[9]。

采用以上组网方式，可实现有线和无线传输方式的无缝切换，做到各类监控信号的可靠传输。

3.5 供电系统

通信可视化综合智慧柜采用质量优秀的电源配件，支撑上述诸多设备的长时间稳定用电，使其顺利实现各项功能。

3.5.1 充电式模块电源

采用的电源模块具有体积小、转换效率高、性能稳定和隔离强度高的优点。电源采用220 V标称输入，可在较宽输入电压范围内工作，对电网的适应能力强。另外，电源模块具有智能充电功能，可对外接的48 V电池充电。在交流断电时，电池可不间断对负载供电。同时，具有防止电池过放电的保护功能和电池活化功能，可手动或通过外部信号自动对电池进行活化维护。

3.5.2 蓄电池

本机柜选用磷酸铁锂电池，相比铅酸电池，具有体积小、高能量密度、长寿命、高温性能良好、快速充电和环保等优势[10]。能量密度见表1。

表1 不同种类电池能量密度对比

电池具有故障自检测自管理功能，以及低压、短路和过压保护等功能。它实现了完全密封，防护级别达到IP65以上，确保电池内部电子设备得到了完好保护。

3.5.3 改进的供电电路

为保证电池具有更充足的容量，采用了16串制式的磷酸铁锂电池。该类电池相比当前应用的铅酸电池（56.4±0.5 V）具有更高的充电电压（57.6±0.5 V）。通信设备正常运行电压要求在57.6 V以下，长期运行在上限电压对负载设备有一定影响。因此，有必要对柜内供电电路做相应改进，降低其输出电压，以保护负载设备。

传统的线性稳压电源支持的工作电流小，而开关稳压电源体积重量大、成本高，且在工作时发热量大。由于只需要实现降压功能，考虑体积、能耗和经济方面，采用电阻串联以降低输出电压。根据欧姆定律，为了将电压控制在合理区间，需要在不同工作电流采用不同阻值的压降电阻。档位及压降效果如表2所示。

表2 不同工作电流下的电阻值选择

因此，在模块电源至PDU侧，增加自动调节电阻装置，实时监控工作电压、电流等信息，并自适应调节电阻大小，将输出电压控制在合理区间，以更好地保护负载设备。同时，该装置具有故障自检功能，在电阻故障时自动接通旁路开关以防止设备断电，同时上报告警，结构如图6所示。

图6 改进的供电电路

3.6 智能门禁

通信可视化综合智慧柜通过对柜门改造，实现了柜门智能化。柜门开启权限授予设备主人，只能通过设备主人的授权卡或手机APP密码对柜门进行操作，或通过设备主人授权密码后，才能远程对柜门进行操作。柜门门磁和震动传感器联动，当机柜门被非法打开或者暴力打开时，将产生告警，有效防盗。

3.7 户外防护

空气中的尘埃是造成设备故障的罪魁祸首[11]。智慧柜为全封闭空间，可以做到有效的防尘。此外，采用IP65防水等级设计，可用于室外或者露天场所，避免设备进水损坏。

3.8 管理平台

本地端，通信综合智慧柜在柜门嵌入10寸液晶显示屏，并接入各类监控信号，实现对柜内环境和装置的直观监控。

在远端（工作站），通信综合智慧柜提供标准RS232和RS485接口，可直接连接串口设备；提供功能强大的中心管理软件，方便设备管理；具有短信与拨号两种工作模式，使用更加方便、灵活。

4 通信可视化综合智慧柜的优势及其在电网中的应用

相比传统机柜，通信可视化综合智慧柜具有柜内温湿度调节、自动化程度高、远程监控等优势，且不需要对机房环境进行改造，适用范围广，部署更快速、经济。只要站点具备相应的传输手段，可部署在变电站、开闭所、偏远地区和临时保供电场所等。利用智慧柜丰富的信息采集手段获取相关运行信息，可大大提高通信设备日常维护、故障排查、巡检和台帐整治等工作的效率。

5 结 论

综上所述，在研究通信可视化综合智慧柜的过程中，部门人员始终以提高通信运维的效率和水平为目标。运用“物联网”思维，使用摄像头和各类传感器采集运行信息，通过对远程视频监控、智能门禁等新技术的灵活应用，大大增加了机柜的功能性和可靠性，有力保证了柜内设备的安全运行，减少了各项通信作业的工作量，切实提高了通信网运维管理的智能化水平。