10 kV环网柜温湿度综合智能监控系统的研究与实践

田 浩，邢 军，杨 敏

（1.岐山县供电分公司，陕西 宝鸡 722400；2.宝鸡供电分公司，陕西 宝鸡 721004）

0 引 言

目前，现场运行的环网柜中均未安装温控和除湿远程监控系统。随着负荷的增大，环网柜内部曾发生过因温度过高而造成柜子故障甚至烧毁。在潮湿季节，还曾发生过柜内电缆隔室潮湿凝露、绝缘降低、放电异常等情况，严重时发生过绝缘击穿导致柜子烧毁的事故。为了解决环网柜温度过高、潮湿凝露问题，消除本身缺陷带来的安全隐患，实现具有云处理的远程监控系统，需要在现有建成的环网柜中安装智能环境监控和远程预警系统。智能环网柜环境监控系统，可以将环网柜内温湿度等环境工况实时传至运维班，根据工况数据及时开展运行维护工作，确保设备安全可靠运行。

该项目研究主要通过环境监控系统解决环网柜现场因为过温、潮湿凝露而造成的设备故障。同时，通过基于无线专网与云处理实现远程监控，一旦出现异常，远程监控的值班室或手机APP就能发出报警信息，告诉人员具体异常的环网柜。同时，环网柜内加装的除湿加热器及冷却风扇根据定值自动投切运行，保障了环网柜运行的稳定性和安全性，也便于运检人员及时准确处理异常状况，最大限度降低故障率。

该项目研究解决了环网柜内部过温过热无法预知报警问题，防止凝露产生，保障封闭式开关柜安全稳定运行，实现了环网柜的无人值班和远程监控，促进了环网柜设施的智能化监控建设，同时大大降低了环网柜的故障率，保障其安全稳定运行，维护了用电安全，提高了电力系统服务信誉，节省了运行维护人力和生产成本，且有效监视了环网柜环境工况。

1 项目研究主要技术内容

1.1 项目主要研究内容采用的技术手段和方法

为了加强远程辅助监控系统的建设，经多方论证，将如何监控环网柜中的环境参数作为研究方向，以建立环网柜内的温湿度监控为目的，进行了以下项目的技术研究。

陕西属于温带大陆性季风型半湿润气候，年温差较大，四季分明，降雨集中，昼夜温差明显，易导致环网柜内出现凝露现象，形成安全隐患。夏季日照强，温度高，易造成环网柜内过温，导致熔断室熔丝烧毁、柜子烧毁等故障。电缆沟易积水，空气潮湿，易造成环网柜内潮湿并产生凝露，造成安全隐患。环网柜多位于户外，虽然运维人员可以定期巡检，但不能做到24小时值守。如没有柜内环境监视和控制，没有远程实时预警系统，将不能及时排除封闭式开关柜内的安全隐患。随着电力系统的不断发展，运维工作量不断加大，环网柜运行环境单靠人员定期现场跟踪检查已不能达到确保安全运行的要求，且不能实现实时监控，给安全运行带来了巨大隐患。

针对以上情况，建立环网柜内湿度监控系统和远程预警系统已经是必然趋势。该系统分现场设备层、专网通信层和应用层。现场设备层能够有效解决环网柜内部过温问题，除湿防凝露，预警柜内火灾，保障环网柜的安全稳定运行。通信层通过专网系统进行数据的无线远程传输。应用层是基于通信层建立的专网，与现场设备层进行数据交换，在显示终端如计算机、手机的应用软件上进行远程监控，实现了人机交互和环网柜彻底的无人值守。

1.1.1 现场设备层技术手段和方法

环网柜的现场设备层采用的温湿度监控系统，包含了控制器、系统模块、除湿加热器和封闭良好的冷却风扇。它可以监测环境中的温度、湿度、露点温度和烟雾浓度，还能够根据当前环境的状况，通过远程云服务器智能控制启停加热器和冷却风扇，分别解决潮湿凝露的产生和过温现象的发生。它能感应环境中的烟雾浓度来预警柜内火灾。当柜内有烟雾产生时，能自动关闭加热器和风扇[1]，避免事故扩大，便于及时处理。

环网柜中每个隔室的环境参数因运行状态、外界因素的不同，存在一定的差异。温湿度监控系统通过环网柜间隔中的每个系统模块，实现对环网柜的温度、湿度、露点温度和烟雾浓度数据的采集，通过Modbus规约RS485通信接口连接智能终端模块，进而将数据上传至云服务器上[2]。云服务器会通过专业的算法或用户的指令将控制命令下达至环网柜中的控制器，进而控制除湿加热器和冷却风扇，实现对环网柜的环境治理。

1.1.2 专网通信层技术手段和方法

通信系统由智能终端、基站和智能云平台组成，如图1所示。系统成本低、功耗小，支持星形拓扑结构，可扩展性和可伸缩性好，能很好地解决目前环网柜建设过程中面临的设施分散、不利于集中监测的问题。

图1 通信系统组成图

（1）监控节点与基站通信

温湿度及烟雾传感器采集环境数据，然后监测节点以扩频的433 MHz无线链路方式传送至基站。

（2）基站与后台服务器通信

基站通过3G/4G网络或者有线网络将数据上传到云端服务器，实现远端对环网柜运行状态实时监控。

1.1.3 应用层手段和方法

整个系统由前端数据采集终端、无线通信终端、无线通信基站、云端服务器、APP交互界面、PC端、控制系统和执行系统组成。用户端可以通过APP交互界面或者PC端的管理页面进行设备管理。

本着对系统不断增加设备和扩容的考虑，系统设计时采用模块化设计，方便在不同阶段增加、修改、删除设备功能。系统客户端灵活配置，极大地避免了传统软件系统全部定制的弊端，避免了系统软件大规模的开发工作，减小了人力成本。

1.2 项目实施过程、结果及技术分析

为了解决环网柜过温、潮湿凝露等引起的故障问题，实现远程值班室实时监控，在环网柜内部安装了温湿度监控系统，并组建了通信专网，实现了值班室对环网柜的实时监控。该系统可以很好地解决开关柜内部过温问题，防止凝露产生，并可以预警柜内火灾，保障封闭式环网柜安全稳定运行。环网柜无人值班和远程监控的实现，极大地促进了环网柜生产智能化监控建设，大大节约了运行维护人力及生产成本，并有效监视了环网柜运行环境工况。

在一组环网柜中，如二进四出的环网柜，应配置一套电源系统和一套温湿度监控系统。电源系统可采用光伏发电系统、CT取电系统或PT取电系统，根据每组环网柜特点，采取三种取电方式的一种。

温湿度监控系统包含1台控制器、6块系统模块、6块加热器和1台过滤风扇。控制器通过系统模块获取到温度、湿度或烟雾浓度等数据，经过云处理后得出对应模块的露点温度，并发送相应的指令给温湿度监控系统，进行相应的除湿或冷却处理。同时，通过本身配置的RS485通信接口，将状态数据和报警数据上传给通信层。温湿度监控系统通过露点来控制除湿技术智能投切加热器，进而解决柜内凝露问题，智能开停加热器，避免加热器长时间过热造成安全隐患，在实现实现节能的同时，延长其使用寿命。露点控制技术是根据当前环境中的温度、湿度动态实时得出凝露点温度，并在达到凝露温度前启动加热器[3]，以此实现柜内无凝露，有效延长了柜内电子元器件的使用寿命。柜内温湿度监控系统可以感知导体过热导致的烟雾，当烟雾浓度高于设定值时会进行烟雾报警，防止柜内发生火灾。该系统可将监测数据通过环网柜监控系统传输至运维班，实现远程监控。

安装有温湿度监控系统的环网柜从安装完成至今一直安全稳定运行，在此期间柜内未出现凝露。实时监测环境中的温湿度、凝露温度、烟雾浓度等环境参数，并将监测到的数据远程传输至控制中心。位于值班室的值班人员在控制室便可掌握开关柜中的环境信息，减少运维人员的巡检次数，有效降低了人力资源成本，且设备监控设备的方式也更加准确有效。生产运行安全问题讲究“防消结合，以防为主”。机柜环境的局部过温解决方案和凝露点控制方案着眼于防，烟雾报警方案着眼于火灾萌芽期的消，防消结合，可保障设备更加智能化和高安全化运行。

1.3 项目研究的关键技术及创新性研究内容

环网柜环境监控及远程预警系统在现场设备层、专网通信层以及应用层都采用了国内外领先的技术。

1.3.1 现场设备层的关键技术及创新性研究内容

安装在环网柜中的温湿度监控系统可解决开关柜内部过温问题，防止凝露产生，预警柜内火灾，保障封闭式开关柜安全稳定运行，实现环网柜的无人值班和远程监控，提高环网柜的智能化监控建设，同时大大节省了运行维护人力和生产成本，有效监视环网柜环境工况。

环网柜中的温湿度监控系统的露点控制除湿技术、烟雾监测预警和防止烧毁故障以及配置的RS485接口通信功能都国内外领先。众所周知，凝露主要与温度和湿度的动态变化相关，是两个参数相互作用的结果，只依据温度或湿度除湿是不科学的。温度越高，空气中含有的最大水蒸气量越多，温度越低则越少。即便水蒸气量恒定，如果温度变化，湿度也会变化，如图2所示。如果从温度为20 ℃、相对湿度为60%的状态下，仅使温度降到15 ℃，那么相对湿度就会上升到82%。如果温度进一步降低，湿度超过100%，空气中的水蒸气就会呈水滴状态。此时的湿度称之为露点，该水滴为结露的主体。例如，温度20 ℃、湿度60%的空气露点为12 ℃，如图2所示。12 ℃以下时，就会发生结露。可见，产生凝露的温度即露点温度主要是由环境中的温度、湿度两种因素共同决定的。

图2 温度和湿度的动态变化图

普通的电子式温湿度传感器只能机械地感知温湿度，在温度或湿度达到设定值时启动加热器。单纯根据环境中的温湿度而不是最准确的露点温度启停加热器，可避免产生凝露。这种方式没有最准确的防止凝露的依据。

温湿度监控系统根据数据库得出的露点温度，在产生凝露前启动加热器，有效避免了凝露的产生，真正做到了有据可依，同时大幅降低了柜内元器件被凝露侵蚀的可能性，有效延长了其使用寿命。

温湿度监控系统采用智能投切加热器解决柜内低温问题。不同隔室中，温湿度和露点温度会有差异。当某一隔室需要启动加热器时，其他隔室不一定需要启动，此时系统只启动需要进行升温隔室的加热器。与普通电子式温湿度监控器相比，能够有效节能，消除加热器本身带来的安全隐患。

环网柜在发生烧毁故障时，往往先有过温时的烟雾产生，因此监测环网柜烟雾可有效预警环网柜的烧毁故障。此外，一旦环网柜发生烧毁先兆时，温度往往过高，此时传统的温控器会在此状况下启动风扇冷却，反而起到了助燃作用。NPT的温湿度监控系统利用烟雾监测发现发生烟雾时，可自动停止风扇和加热器运行，及时预警，最大限度降低故障带来的危害。

温湿度监控系统采用Mod-bus规约RS485通信接口，可将监测的温湿数据通过专网通信系统传输至运维班。运维人员在班部即可掌握开关柜内部温湿度、露点温度、烟雾浓度，实现远程监控。温湿度监控系统由控制器（简称EMC）和系统模块组成，系统模块主要有TH模块、GAII模块等。控制器与系统模块通信采用RS485接口/自定义规约，控制器是主机，系统模块是从机，控制器最多带15个系统模块。控制器与上位机通信采用RS485接口/Modbus-RTU规约，上位机是主机，控制器是从机。

该系统采用闭环控制，在反馈控制系统中不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性，根据控制结果不断调整控制信号，使控制精度更高。

1.3.2 专网通信层的关键技术及创新性研究内容

（1）组网灵活，大容量

自主开发中间件可兼容多种通信模式，实现不同通信协议异构物联网网络的接入和访问，组成一个可连接各种感知终端的有机通信网络平台。特有承载力较高，一般一个站点可接入数千个终端。

（2）长距离，低功耗

基于低功耗、长距离扩频通信技术的物联网解决方案，具有高达+157 dB接收灵敏度，大范围的长距离通信，覆盖范围大于15 km，且具有极小的设备工作功率，电池使用寿命大于5年。

（3）模块化，分布式

智能系统基于通用网管的思想，在通用管理功能的基础上，可提供特殊行业的管理功能，实现对终端设备的模块化和分布式管理。本系统可大可小，可深可浅，可单独使用，也可联合使用，可在后续部署中实现无缝升级、合并和扩容。

（4）易部署，低成本

可在免费频段部署低成本、长距离、大容量的基站。市区覆盖5 km，郊区最远可达15 km，建网时可使用更少的设备，节约硬件成本，节约人工成本，使得建设成本非常低廉。

（5）通信模块价格低廉，传输距离大

可以替代传统物联网的各种通信技术，如Zigbee、蓝牙、GPRS等，无需复杂的整合设计，降低了开发、部署成本。

（6）易使用，集中化管理

同时支持移动和固定节点，适用性更广。系统将多种管理功能集成到一个平台，可以对数据和设备进行更有效的管理，提高管理效率和服务质量，还可以节约资源，实现低碳低污染的智能环保型经济模式。

1.3.3 应用层的关键技术及创新性研究内容

应用层使用APP实现主要的功能，如故障定位、查看等，并逐步以使用微信企业号的形式将有效信息及时发送相关责任人，使用最主流的通信模式，使得一线工作人员快速接收。

2 研究成果实际应用及效果

在环网柜中安装温湿度监控系统后，柜内未出现过温、凝露，也未发生过相关故障。该系统实时监测环网柜环境中的温湿度、凝露温度、烟雾浓度等环境参数，并将监测到的数据远程传输至控制中心，提高了运维效率。

2.1 避免因过温、凝露、火灾引发的环网柜故障

（1）智能控制冷却风扇，解决了柜内过温问题，有效节能的同时，增强了环网柜运行的稳定性和安全性。

（2）露点控制技术除湿，根据当前温度、湿度和大气压计算出凝露点温度，在达到凝露温度前启动加热器，实现无凝露和闭环反馈，实效性好，且有效延长了柜内电子元器件的使用寿命。

（3）烟雾分析和报警，实现柜内电气火灾预警。

（4）综合故障报警，方式有蜂鸣器和无源触点，如过温、低温、凝露和烟雾报警。

（5）目标启动温度（可设置），解决柜内其他设备启动温度的要求。

（6）带时间戳的柜内环境记录，便于维护和分析。

2.2 实现了环网柜远程环境参数监控

环网柜中温湿度监控系统采用设备监控设备的方式，实时监测环境中的温湿度、露点温度和烟雾浓度，可感知导体过热导致的烟雾，预警柜内火灾；可以通过控制加热器，实现机柜露点控制，防止凝露产生。温湿度监控系统通过Mod-bus规约RS485通信接口将监测参数通过环网柜辅助监控系统传输至运维班，运维人员在班部即可掌握柜内温湿度、露点温度、烟雾浓度，实现远程监控[4]。

2.3 提升工作效率

（1）环网柜温湿度监控系统采用Mod-bus规约RS485通信接口可将监测参数通过环网柜辅助监控系统传输至运维班，运维人员在班部即可掌握柜内的环境参数，增强了运维人员的巡检效率。

（2）环网柜温湿度监控系统能够智能控制投切加热器，当柜内温度低或即将到达露点温度时，会立即启动加热器，防止设备低温运行或产生凝露。发现问题会及时解决问题，减少运维人员巡检次数，有效提高效率。

2.4 运营维护成本降低

（1）减少人员下站和出车频次，降级车辆损耗和车辆油耗，即降级了生产成本。

（2）温湿度监控系统能够助力环网柜无人值守，减少运维人员人数及巡检次数，节约人力资源成本。

与没有配置该系统的环网柜相比，配置该系统的环网柜可靠性和稳定性更高，可有效避免因环境问题造成的各种隐患和损失。

3 创新点

采用可视化监控平台和高度灵敏的温湿度报警装置，基于FPGA技术，实现了对环网柜环境的实时监控和温湿度智能化报警，可实时掌握设备运行环境状态。对温湿度、烟雾浓度等参数设定定值，当环境因素超过设定的状态值时，自动启动报警系统并发送信息给相关运维人员，极大地提高了运维效率，降低了人工成本。

基于Verilog HD高级语言，结合PID控制技术，实现了远程逻辑控制及温湿度自动化投切，实现了对环网柜环境的自动化调节。若环网柜运行环境状态出现异常，柜内安装的除湿加热器和冷却风扇等设备就会自动投切运行，直到温湿度达到预设范围。环境定值也可以根据季节、工作需要等远程调整，极大地缩短抢修工作时长，满足用户的供电需求。

采用基站网络架设技术，应用Mod-bus规约RS485通信及高度加密技术，实现了可靠性网络联络。环网柜无线传输方式选择了基站传输模式，即基站范围内所维管设备通过高级加密设置连接至系统，避免了通过手机通信联络方式可能产生的异动侵入，保障了传输信号质量和安全，满足了配网自动化网络的要求。

4 结 论

通过现场应用，该成果有效解决了环网柜温湿度数据监测及实时控制的难题，实现了预期目标。一是运维人员能通过APP和PC端实时了解环网柜的温湿度及烟雾数据；二是利用云处理技术能对数据实时分析并下达指令；三是根据指令完成对环网柜温湿度、凝露的有效治理，改善了环网柜运行环网，确保了用电安全。