户外端子箱智能温、湿度控制系统设计

戴宇

摘要：为提高二次电缆绝缘性能，维持户外端子箱内良好的温、湿度环境非常必要。文章利用单片机内的PID算法作为温度控制的调节手段，用单片机控制晶闸管导通角度来控制加热器两端电压，从而使端子箱内温、湿度保持在最佳状态，晶闸管的使用确保了该系统不易损坏。实践证明：文章设计的户外端子箱智能温、湿度控制系统具有良好的推广前景。

关键词：单片机；户外端子箱；晶闸管；PID算法；温度；湿度 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）35-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.003

1 概述

变电站户外端子箱是一次设备与继保小室内保护、测控等设备的中间环节，电流回路、电压回路、控制回路、测量回路等多种重要二次回路都在户外端子箱内转接。户外端子箱内的温、湿度环境与二次回路的绝缘性能以及老化速度直接相关，在雨季潮湿环境下户外端子箱内凝露积水情况下，二次回路绝缘下降，直流接地或短路；端子箱内长期处于潮湿环境，也会加快端子螺丝、连片生锈，造成二次回路接触不良、发热或开路，存在导致保护拒动或误动的风险。为维护户外端子箱内二次回路的安全运行，维持端子箱内良好的温、湿度环境，对户外端子箱采取防凝露措施具有重要意义。

为解决户外端子箱容易受潮的问题，在户外端子箱内装设温、湿度控制系统是最常用的技术手段。温、湿度控制系统检测端子箱内温、湿度的情况，当端子箱内凝露以及温度过低时，控制器启动加热器运行提高端子箱内温度防止凝露产生。当户外端子箱内温、湿度条件不满足时，加热器自动停止加热，控制器继续对户外端子箱内部温、湿度进行监测。在实际运行中发现，从厂家购买的驱潮设备普遍存在易坏且损坏后需整块更换的问题。本文提出设计一款户外端子箱智能温、湿度控制系统，目标是采用严谨的控制算法以及高可靠性的控制器，研发一套效果良好，不易损坏的温、湿度控制系统。

2 设计思路

根据凝露形成机理，一般采用两种方法来控制凝露形成：第一种是通过热交换器将端子箱内空气的水蒸气冷凝成水珠，排出端子箱；第二种是加热端子箱内空气温度，降低相对湿度防止凝露。本文选用第二种方式进行控制。该户外端子箱智能温、湿度控制系统以单片机作为主控制器，以编程的方法实现数字PID控制算法，控制器将温湿度传感器反馈量通过算法处理后，输出给执行器（晶闸管）进行加热或凝露任务。不间断的反馈与不间断的任务执行，形成一个闭环的控制系统，确保端子箱内温、湿度保持在最佳状态。采用严谨的控制算法以最少的动作次数达到最优的控制效果，同时改用晶闸管作为执行器解决继电器触头拉弧损坏的问题。

3 实现方案

3.1 智能温、湿度控制系统结构

智能温、湿度控制系统包括单片机微控制器、箱内温湿度传感器、地址编码器、A/D转换模块、显示接口、驱动接口、加热器组件等，其系统结构图如图1所示：

设计一个电源模块将端子箱内的220V交流转换成系统所需的工作电源，为系统各个模块供电。箱内温湿度传感器经光电隔离后接入单片机微控制器经过A/D转换后，采集到端子箱内温度、湿度数据。显示接口与单片机相连，将单片机微控制器采集到的温度、湿度数据显示出来。单片机微控制器根据温度、湿度数据以及设定值驱动加热器进行加热，以实现防止端子箱内凝露。

3.2 PID控制算法

将系统检测到的温、湿度实测值与程序设定值进行比较，通过单片机编程的方法实现数字PID控制，调节实测值与程序设定值之间的偏差以及偏差值作为控制依据，控制晶闸管的导通角的大小以调整加热器两端的电压，达到控制加热器输出功率进行温度控制的目的。

PID控制是一种比例、积分、微分控制模型，该方法结构简单、鲁棒性好，其原理控制框图如图2

所示：

如图2比例项，主要控制加热的响应速度，积分项主要消除温、湿度实测值与程序设定值之间的偏差，微分项用于提高系统的稳定性和动态性。

3.3 加热器组件

由驱动接口、执行器（晶闸管）以及加热电阻组成的加热器组件是PID调节的控制端。由箱内温湿度传感器实测得到的温度、湿度数据与程序设定值进行比较后，经PID算法调节单片机微控制器会输出控制信号，该信号控制晶闸管导通角度，作用于加热电阻两端电压。当户外端子箱内温度过高，则晶闸管不导通；如果户外端子箱内温度偏低，晶闸管则导通，其导通角的大小与温度偏差值呈反比。

3.4 工作原理

该系统控制工作原理如下：（1）单片机微控制器设定目标温度T；（2）箱内温湿度传感器检测温、湿度信号并经光耦传送给单片机微控制器，单片机比较温、湿度实测值与程序设定值，得到偏差值；（3）偏差值进行PID控制算法，经过比例、积分、微分运算，输出控制信号；（4）控制信号控制晶闸管导通角，加热电阻两端电压变化，进行加热，改变户外端子箱内温度；（5）不断重复步骤2到步骤5，通过改变加热电阻两端电压来控制温度。实践证明，使用本文设计的户外端子箱智能温、湿度控制系统，在保持端子箱内温、湿度处于最佳状态的情况下，通过控制算法具有最优的控制效果，同时改用晶闸管作为执行器使系统不易损坏，达到了预期目标。

4 结语

在湛江局变电管理所管辖的变电站户外端子箱都装上智能温、湿度控制系统，能够提高端子箱驱潮的稳定性，防止端子箱内二次电缆受潮锈蚀或短路，同时大大减少采购驱潮设备的费用以及减少继保人员的检修任务。此外，户外箱不仅在变电中广泛使用，在配网中也存在大量的户外配电箱、配电柜等，该智能温、湿度控制系统也可往配网中进行推广。

参考文献

[1] 姜毅，周成华，郭俊峰，等.智能端子箱防凝露控制器的研制与试验研究[J].高压电器，2010，46（8）.

[2] 刘广清.对SM6系列开关柜凝露问题的分析[J].自动化博览，2006，23（3）.

[3] 周丰群，张义民，何超，等.电气设备用温度凝露控制器的研制[J].电力自动化设备，2002，22（3）.

[4] 周强强，李津.变电站智能端子箱防凝露控制系统的研究与应用[J].广东电力，2013，26（8）.

[5] 杜崇杰，范庆池.500kV HGIS汇控柜凝露原因分析及改进措施[J].河北电力技术，2009，28（6）.

[6] 周军，周文越.开关柜防凝露控制技术浅谈[J].科技创新导报，2010，（1）.

[7] 闫晓明，闫晓亮.变电站室外端子箱加热系统改造[J].科技与企业，2014，（23）.

[8] 谢亮.变电站户外端子箱智能加热器的研发[J].江苏电机工程，2011，30（3）.

[9] 乔军，宾哲，唐林峰，等.变电站智能型温湿度控制器的技术改造[J].广西电力，2015，38（5）.

[10] 周兴福，徐卫，王传洪，等.变电站室外端子箱凝露原因分析及改进措施[J].山东电力技术，2015，42（5）.

（责任编辑：黄银芳）