用于县域配电网的温湿度监控成套装置开发与应用

郭灵丰

（内蒙古电力（集团）有限责任公司包头供电局达茂分局，内蒙古 包头 014500）

0 引言

随着我国“十四五”规划开始实施，经济不断地发展，人民生活水平不断提高，对电力供应的需求量也呈现出逐年不断递增的趋势。区域电网系统中的变电站如何安全稳定的运行，成为供电企业需要综合考虑的问题[1]。而变电站、开闭站、箱变中许多设备，如SF6 断路器、端子箱等一般均安装在户外，受天气影响较大，温度过高或过低、湿度过大等均可能影响到设备的安全运行，为此需要增加加热和除湿等温湿度控制辅助设备，让主设备的温湿度保持在合理的范围内。一旦温湿度控制辅助设备发生故障，比如加热装置出现故障，就不能维持主设备正常运行需要的温度，可能会使SF6 断路器内部的SF6 气体产生液化现象，导致其绝缘性能严重下降，可能造成分合闸回路闭锁故障。再比如除湿吹风装置故障，夏季会造成端子箱内湿气增加，冬季会造成端子箱内结霜，均可能造成箱内端子受潮短路[2]。总之会引起外部、内部故障情况下的主设备烧损或越级跳闸等事故，扩大了停电范围，增加了经济损失，给供电企业带来更大的负面影响。

1 成套装置总体设计

为及时发现和消除温湿度控制辅助设备的故障，设计一种电力系统中温湿度监控成套装置，能够更加直观、快捷、高效的排查出温湿度监控成套装置控制回路中的加热器或除湿风机等设备出现的故障，方便现场运维人员及时掌握设备运行情况，快速进行故障点定位并及时解决故障，避免造成更大损失[3]。

温湿度监控成套装置包括温湿度控制模块和智能逻辑分析电路模块两部分。温湿度控制模块分别连接温度传感器、湿度传感器和外部220V 交流电源。智能逻辑分析电路模块包括处理器MCU、I/O 控制继电器、电路控制继电器、通信模块、断线监测模块和有源交流220V 控制输出模块。设有加热器和除湿风机设备接口，用于反馈测量采集电信号，并连接蜂鸣器、告警灯和无线通信设备。处理器MCU 内部可预设用于检测温度和湿度的阈值。成套装置总体设计如图1 所示。

图1 温湿度监控成套装置总体设计示意图

2 温湿度控制模块设计

温湿度控制模块包括电源模块、温度传感器、湿度传感器等。

电源模块输入为交流220V 电压输入，通过一系列降压以及转变，使输出的电压和电流能够满足实际系统的一般要求和系统使用过程中的可能出现的特殊要求。需要注意的一点就是如果想提高输出电压和电流的稳定性，选择带有滤波技术的电源，滤波技术可以做到消除多余的杂波，并且还能够降低一些不利的影响，提高系统在使用过程中的安全性和稳定性[4]。

监控系统主要是监控环境中的温湿度的具体变化情况，需要去采集环境中具体的温湿度和它们的变化情况，将采集到的温湿度信号由模拟信号转换成数字信号，便于传送、分析和记录。温湿度传感器要具有比较高的精度，产品性能的稳定性要高。

3 智能逻辑分析电路模块设计

传统变电站、开闭站、箱变中温湿度控制器正常运行时，当温、湿度测量采集的数据达到启动加热器或除湿风机设备的限值时，温湿度控制器的加热、吹风输出控制回路中的（以下简称控制回路）两端有电压和电流输出；反之当温、湿度测量采集的数据未达到启动加热器或除湿风机设备的定值时，温湿度控制器的加热、吹风输出控制回路中无电压和电流输出；而当加热器或除湿风机设备发生断路故障时，同时温湿度控制器达到加热器或除湿风机设备的启动定值时，控制回路有电压无电流。温湿度控制器拒动，造成设备失温或凝露、结霜，导致变电站运行设备发生故障，产生运行事故。针对此类故障，可在温湿度控制器的控制回路中加入一种智能逻辑分析电路，通过其控制回路中的电压和电流的有无情况来智能分析判断外回路中的加热器或除湿风机设备的运行状况。温湿度监控成套装置中带有蜂鸣器、告警指示灯，当加热器或除湿风机设备发生断路故障时可主动发出声光报警，新型温湿度控制器内部应具有RS485 通信及无线通信功能，结合LORA 无线通信技术、Wi-Fi 技术、5G通信技术将采集的温度、湿度的实时数据和加热器或除湿风机设备的运行状态上传至大数据云端、当地、调度监控平台或移动APP 终端等，从而方便了现场运维人员及时掌握加热器或除湿风机设备的运行状况。智能逻辑分析电路模块原理逻辑图如图2 所示。

图2 温湿度监控成套装置原理逻辑图

3.1 温湿度采集控制逻辑

通过连接温湿度传感器，由装置MCU 计算出温湿度值，根据预设的温度上下限值和湿度上限值判断装置是否启动加热或吹风设备，具体逻辑见表1。

表1 出口动作逻辑

温度低于预设的下限温度时或湿度高于预设的上限湿度同时温度低于预设的上限温度5℃时启动加热设备。温度高于预设的下限温度10℃时或湿度低于预设的上限湿度15%RH 时加热设备停止工作。

温度高于预设的上限温度时或湿度高于预设的上限湿度同时温度高于预设的下限温度10℃时启动吹风设备。温度低于预设的上限温度5℃时或湿度低于预设的上限湿度15%RH 时吹风设备停止工作。

3.2 智能逻辑分析电路控制逻辑

通过监测控制回路中电压和电流的输出情况，来判断出口是否启动及出口启动后外接设备是否运行正常。具体逻辑见表2。

表2 出口判断逻辑

出口处有电压输出说明出口已启动，反之则未启动，有电压输出同时也有电流输出，说明外接设备运行正常，仅有电压输出而无电流输出则说明外接设备运行出现故障，进行报警，提示运维人员进行检查修理。

3.3 通信模块设计

温湿度监控成套装置设有RS485 通信模块及无线通信模块，可以联接RS485 总线通信接口和无线通信设备。利用LORA 无线通信技术、Wi-Fi 技术、5G 通信技术将温度传感器和湿度传感器采集转化成的温度、湿度的实时数据和加热器或除湿风机设备的运行状态等信息进行传输，可以将数据通过网络上传至大数据云端、当地电脑、调度监控平台等，也可以通过专用App 传输到手机等移动终端，现场运维人员通过手机等移动终端可以及时掌握各监控现场的温湿度和加热器或除湿风机设备的运行状况，根据监控数据进行及时检查维修。

4 关键技术及创新点

温湿度监控成套装置可以根据不同地区用户的不同要求，在程序中预设温度下限值、温度上限值和湿度上限值，便于不同现场环境下使用。

温湿度监控成套装置在温湿度控制器的控制回路中加入一种智能逻辑分析电路，通过其控制回路中的电压和电流的有无情况来智能判断外回路中的加热器或除湿风机设备的运行状况。

温湿度监控成套装置中带有蜂鸣器和告警指示灯，当加热器或除湿风机设备发生断路故障时可主动发出声光报警。

温湿度监控成套装置设有通信模块，通过Mod-bus 规约RS485 通信接口，可以将实时监测参数利用通过网络进行远程传输，传输到运维班组，实现远程监控。也可以通过无线通信模块，采用Wi-Fi 技术将实时监控数据传输到手机等移动通信设备上。

在环网柜中安装了温湿度监控成套装置之后，环网柜内未出现过因温度过高或湿度过大的原因而引起的相关故障。温湿度监控成套装置实时监测环网柜环境中的温湿度参数及加热和吹风设备的工作状态，当加热和吹风设备出现故障时，温湿度监控成套装置会发出声光报警信号，提示运维人员及时进行检查修理，提高了运维效率，保证了供电可靠性。

5 研究成果实际应用及效果

5.1 避免因温度过高、湿度过大引发的环网柜故障

采用温湿度监控成套装置可以避免因温湿度引发的多种环网柜故障，具有以下特点：（1）智能控制吹风设备，避免了环网柜内温度过高的问题出现，提高了环网柜的安全性和稳定性。（2）智能控制除湿技术，实时监控现场环境的湿度，在环境湿度达到预设的湿度上限时启动加热或吹风设备，避免凝露产生造成设备故障，还可以延长环网柜内电子器件的寿命[5]。可以实现闭环反馈，快速及时反应。（3）综合故障报警，报警方式有声音报警和灯光报警。（4）可以根据现场具体环境设置温湿度阈值和加热除湿设备启停逻辑，满足不同地区，不同环境的要求。（5）可以将测得的实时温湿度数据和加热或除湿吹风设备的运行状态按时间进行记录，便于维护和统计分析及查找原因。

5.2 实现了环网柜远程环境参数监控

环网柜中温湿度监控成套装置采用了设备监控设备的方式，实时监控环境中的温湿度，可感知因导体过热产生的高温，预警柜内火灾；可以通过控制加热和吹风设备，实现环网柜内露点控制，防止凝露的产生。温湿度监控成套装置通过Mod-bus 规约RS485 通信接口，可以将实时监测参数利用通过网络进行远程传输，传输到运维班组，运维人员在值班室就可以掌握环网柜内的温湿度及加热和吹风设备的运行状态，实现远程监控。

5.3 提高运维工作效率

采用温湿度监控成套装置可以提高运维工作效率，具体表现在以下两方面：（1）环网柜温湿度监控成套装置采用Mod-bus 规约RS485 通信接口，将实时监测数据远程传输到运维班组，也可以通过无线传输模块采用Wi-Fi 技术将监测数据传输到手机等移动通信设备上，便于运维人员根据监测到的环境参数开展运维工作，测试设备是否运行正常或维修好，提高了运维人员的工作效率。（2）环网柜温湿度监控成套装置能够智能控制投切加热和吹风设备，当环网柜内温度低至设定温度下限时或湿度高至设定湿度上限时，会立即启动加热或吹风设备，防止设备低温运行或产生凝露[6]。只有当加热或吹风设备发生故障，不能正常工作时，才需要运维人员进行检修，减少了运维人员的巡检次数，提高了巡检效率。

5.4 降低了运维成本

采用温湿度监控成套装置可以从以下两方面降低运维成本：（1）环网柜温湿度监控成套装置的采用，可以有效减少运维人员的巡检次数，巡检次数减少，下站和出车的次数同步减少，车辆的损耗和油耗也同时减少，降级了运维成本。（2）温湿度监控成套装置能够帮助实现环网柜无人值守，减少运维人员的数量和巡检的次数，降低人工成本。与没有安装温湿度监控成套装置的环网柜相比，安装了温湿度监控成套装置的环网柜具有更高的可靠性和稳定性，能够有效降低因环境温湿度影响造成的各种事故和经济损失。

6 结语

温湿度监控成套装置具备自检功能并主动发出故障告警，能够更加直观、快捷、高效地排查出变电站、开闭站、箱变中的运行中温湿度控制器外控制回路中的加热器或除湿风机设备出现的断路故障，方便现场运维人员及时掌握设备运行情况，消除事故隐患，快速进行故障点定位并及时消除故障、缺陷，避免造成重大事故隐患带来的经济损失及给供电企业带来负面影响。有利于供电企业优化营商环境，满足广大客户享受一站式“获得电力”的服务。