变电站端子箱智能环境监测系统的研究与应用

蒋嫔，李睿

（国网甘肃省电力公司超高压公司，甘肃兰州，730070）

1 目的和意义

变电站户外端子箱、机构箱的作用是将变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器的状态、二次电流、二次电压转接到保护室里的测控及保护装置上，另一方面也为一次设备运转提供相应的动力机构和电源。在变电设备正常运行过程中，端子箱和机构箱起着至关重要的作用。影响其运行状态的因素主要有以下两点：一是自然环境的影响，在雨水较多的夏季以及寒冷的冬季，安装于户外的端子箱和机构箱内部二次接线易发生潮湿霉变，影响电气绝缘性能；细微沙尘进入机构箱或者端子箱形成集尘效应，影响控制设备的正常功能；若二次接线腐蚀破损，可能引起电流回路端子发热，造成端子箱起火，保护拒动或误动。其二是若因检修作业中误碰或人员误操作导致端子排、分合闸线圈等异常发热，运维人员无法及时发现异常现象，若持续发热甚至跳火产生电弧导致烧毁，将严重威胁电网运行安全。

2022 年某变电站发现7531、7532、7541 开关端子箱内线缆烧毁。后对事故原因进行查找，发现由于750kV 三、四串加热回路环网运行，0 号、2 号站用变并列运行，两台站用变电压角度不一致，同相之间存在相角差，使同相之间存在电压差，在电压差作用下产生环流，引起回路过热、烧毁。此时750kV 三、四串加热回路烧毁短路，造成上级电源跳闸。以上异常工作状况的发生皆在箱体内部，目前变电站内常规的人工巡查和视频监控相结合的巡视方式无法及时发现此类异常事件，机构箱和端子箱的运行环境和实时状况只能靠运行人员在现场逐个打开检查。若有疏漏或未及时发现的异常设备会带来很大的安全隐患。所以需要一种可以远程监测箱内运行环境，控制加热器和空调的工作状态和启停阈值，自主判断故障事件并报警的装置，以减轻人员巡视的工作量，提高工作效率，保证设备监测的实时性和故障处理的及时性。

2 理论和实践依据

■2.1 原理

该智能环境监测系统以传感器、单片机等设备为硬件基础，以NI 公司的LabVIEW 编程语言为软件基础，以移动通信网络为传输载体，嵌入式技术为手段，物联网思维为指导，采用模块化设计思想，对系统先进行总的框架布局，再进行模块化划分，结构简单，项目落地后易于维护；该系统由环境信息采集部分、远程监测与控制部分及智能化告警及响应部分三个部分组成，如图1 所示。

图1 系统总体设计图

环境信息采集部分由若干布置在户外机构箱和端子箱内的环境信息采集点构成，负责采集箱体的环境信息和状态信息，通过数据总线上送给智能化处理及告警部分和远程监测与控制部分。

智能化处理及告警部分接收环境信息t 和状态信息s 作为其告警及响应处理的判据，若通过逻辑判断得出现场运行环境异常并进行以下处理：（1）将异常情况相应的告警信号a 发送给远程监测与控制部分；（2）自动动作，根据异常状态作出响应，例如启动加热器加热驱潮，启动风扇降温排烟，发送短信到手机提醒人员和现场的声光报警等。

远程监测与控制部分是使用者与系统交互的人机接口，系统通过远程监测与控制部分使用无线传输方式与移动端进行数据和信息交互。它将接收到的环境信息t，状态信息s 和告警信息a 通过无线网络显示在移动设备端的APP 上，同时接收移动端发送的远程调整系统工作状态和动作阈值的命令。

■2.2 关键和难点

2.2.1 项目研究的关键

（1）无线传输方式应可靠，有一定抗干扰能力；

（2）远程监测功能的实现；

（3）自动响应及告警功能的实现；

（4）系统的响应准确率和响应速度要求较高；

（5）硬件模块的选择应综合考虑适用性，稳定性和性价比。

2.2.2 项目研究的难点

（1）不同的硬件模块之间的连接电路调试；

（2）研究出符合需求的软件特点并且能够让变电站端子箱温度湿度数据处理部分高效运行的程序结构；

（3）将温湿度数据和告警信息存储在数据库中，并实现历史数据查询、打印、备份、删除及模拟量曲线绘制等功能。

3 内容和实施方案

■3.1 总体设计

该智能环境监测系统由环境信息采集部分（包括温度传感器，湿度传感器，烟雾传感器，火警传感器，LCD 屏幕，人体红外传感器）、远程监测与控制部分（包括Wi-Fi 模块，移动端和PC 端监控程序，能接收短信的手机）及智能化告警及响应部分（包括STM32 单片机，加热板，风扇，声光报警装置，手机短信告警模块TC35i）组成，图2 是智能环境监测系统总体设计图。

图2 智能环境监测系统总体设计图

图3 传感器的组成框图

■3.2 环境信息采集部分

3.2.1 主要硬件设备选择

数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。采用专用的温湿度采集技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N 型半导体。处于200℃～300℃时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。

释电红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器。主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2mm×1mm 的探测元件。人体都有恒定的体温，一般在37℃，所以会发出特定波长10μm 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm 左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm 左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

红外热释电火焰传感器利用热释电效应，采用钽酸锂单晶作为敏感元材料。钽酸锂晶体材料的居里温度在600℃以上，相对介电常数小，比探测率高，在很宽的室温范围内，材料的热释电系数随温度的变化很小，输出信号的温度变化率只有1～2‰，传感器性能的温度稳定性非常好，并且在1～20μm 波长范围内光谱响应一致性非常好。

3.2.2 功能及逻辑设计

环境信息采集部分其主要功能及逻辑有：

（1）采集温湿度数据t 上送给智能化处理及告警部分和远程监测与控制部分；

（2）监测运行环境中是否有烟雾和明火的出现，若有将状态信息位s 置位为1 并上送给智能化处理及告警部分和远程监测与控制部分；

（3）监测端子箱，机构箱前是否有人工作，若有将人员信息位h 置位为1 上送给智能化处理及告警部分和远程监测与控制部分。

■3.3 智能化处理及告警部分

3.3.1 主要硬件设备选择

该系统短信高级功能的实现选用了西门子工业GSM 模块，该模块是一个支持中文短信息的工业级GSM 模块，可以工作在EGSM900 和GSM1800 双频段，工作电源为3.3～4.8V，推荐值是4.2V，功耗低，可选通讯波特率0.3～115Kb/s，支持Text和PDU格式的SMS（ShortMessageService，短信息），可通过AT 命令或关断信号实现重启或故障恢复。TC35I 模块由供电模块、闪存、ZIF（ZeroInsertionForce，零阻力插座）连接器、天线接口等6 部分组成。共有40 个引脚通过ZIF 连接器引出，共分为5 类引脚：电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制。TC35i 模块的数据输入和输出通过其串行异步通讯接口—RS232 和单片机连接，由单片机控制其启动、停止和数据的传输。

图4 GSM 模块电路图

3.3.2 功能及逻辑设计

（1）比较工作环境的温湿度t 和预设的启停阈值T，自动控制加热器和风扇的启停和功率；

（2）记录温度的变化情况，若一个设定的时间段内温度t 变化范围过大，则认为箱体内疑似出现温度突变，将告警信息a置为“箱内温度突变”，发送至远程监测与控制部分，同时现场启动声光报警，并自动发送短信“环境温度突变”，提醒人员注意；

（3）判断状态信息位s 的值，若为1，则认为箱体内疑似出现火情，将告警信息a 置为“箱体内疑似出现火情”，发送至远程监测与控制部分，同时现场启动声光报警并自动向移动端发送提醒短信；

（4）判断人员信息位h 的值，若为1，则认为端子箱或机构箱前有人工作，将告警信息a 置为“xxxx 号端子箱/机构箱有人工作”，发送至远程监测与控制部分；

（5）执行远程监测与控制部分上送的改变设备运行状态和修改响应动作阈值的命令。

■3.4 远程监测与控制部分

3.4.1 主要硬件设备选择

ATK-ESP8266WiFi 模块是ALIENTEK 推出的一款高性能的UART-WiFi（串口－无线WiFi）模块，ATK-ESP8266板载AI-Thinker 公司的ESP8266 模块，该模块通过FCC，CE 认证。ATK-ESP8266 模块采用串口（LVTTL）与MCU（或其他串口设备）通信，内置TCP/IP 协议栈，能够实现串口与WiFi 之间的转换。ATK-ESP8266 模块支持LVTTL 串口，兼容3.3V 和5V 单片机系统，可以很方便地与产品进行连接。模块支持串口转WiFi STA、串口转AP 和WiFi STA+WiFiAP的模式，从而快速构建串口-WiFi 数据传输方案，方便设备使用互联网传输数据。

图5 系统整体框架图

3.4.2 功能及逻辑设计

（1）从环境信息采集部分收集环境信息t，从智能化处理及告警部分收集告警信息a 和人员信息h，通过无线网络传输至移动端设备并显示在移动设备端的APP 上；

（2）接收移动端发送的改变设备运行状态和修改响应动作阈值的命令并上送给智能化处理及告警部分；

（3）APP 支持查询各远端系统当前的温湿度数据，并支持历史数据查询、模拟曲线绘制等功能；

（4）用户管理，设定转发短信的人员名单及手机号码。

4 总结

本文提出一种可以远程监测箱内运行环境，控制加热器和空调的工作状态和启停阈值，自主判断故障事件并报警的装置，该成果推广后的直接效益体现在：该装置通过安装在柜体内的高精度传感器采集柜体内的环境数据，通过无线网络将数据传输到移动和PC，以减轻人员巡视的工作量，提高工作效率，保证设备监测的实时性和故障处理的及时性。

变电站端子箱智能环境监测系统通过预设的逻辑判据进行明火告警、烟雾告警、高/低温告警和温度突变告警，通过手机短信、声光报警、APP 弹窗等方式提醒运行人员，可以保证发现故障的可靠性和故障处理的及时性；在箱体内环境异常时可以自动调整加热器和空调的启停和工作功率，进行加热驱潮，去除凝露，在箱体内起火时，通过启动配置的微型自动干粉灭火装置能够快速的将火灾控制于早期，同时运行人员可以远程手动控制加热器、空调的和声光报警装置的工作状态，调整告警事件和故障处理的启停阈值，避免了就地对运行中的机构箱和端子箱内加热器进行调节时误碰端子排、二次接线造成信号误报、误动作事件的发生，保证了响应故障的可靠性，提高了运行人员工作的安全系数，减少了因事故的发展造成重大经济损失的可能性。

综上可见，端子箱和机构箱的智能环境监测系统的推广应用具有巨大的时间效益、安全效益和经济效益。