基于多传感器信息融合的汇控柜环境综合治理策略

张记飞，邹立升，郭 源，李增贺，陈 玉

（国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276002）

0 引言

汇控柜目前已在电力系统中广泛应用。汇控柜为封闭式设计，在内部封闭部分易产生潮湿空气，引发电气短路、受潮设备放电、内部元器件霉变等问题，存在安全隐患［1-7］。由于电缆沟与汇控柜电缆进线处封堵不严，潮湿空气易进入柜内，柜外温度剧烈变化，当柜内相对湿度较高、柜内外温差较大时，柜体内环境空气中不饱和水蒸气瞬间饱和，形成凝露［8-9］。

为解决汇控柜凝露问题，专家学者进行了相应研究。文献［10］提出了温度控制法和湿度控制法联合防凝露的方案；文献［11］给出了2种加强通风防凝露的方案；文献［12］通过比较目前常用的3种柜体加热防凝露方案的优缺点，设计了一种改进型中置柜加热除湿装置；文献［13］采用低功率远红外加热器配合小排量风扇的方式达到端子箱防凝露的目的；文献［14］采用升高柜内温度防凝露的方法。综上所述，增加柜内温度尤其是内壁的表面温度以及加强柜内通风是现阶段较为常用的防凝露方案。但是，上述装置和模型缺乏对每种方案实际应用效果的定量研究。

研究凝露发生机理，分析温湿度变化对露点温度的影响和凝露发生原因，提出一种基于多传感器信息融合的汇控柜环境综合控制策略，并通过现场测试验证控制策略的有效性。

1 凝露原理

凝露现象是指物体表面温度下降至低于露点温度时，内壁表面会发生水珠凝结现象。凝露与柜外和柜内的温度、相对湿度和露点温度等因素有关［15-16］。露点温度是指在水蒸气含量以及气压均不改变情况时，空气冷却至饱和空气时的温度。相对湿度是指在一定时间内，某处空气中所含水蒸气量与该气温下饱和水蒸气量的百分比。计算公式为［2］：

式中：EW为水上饱和水蒸气的压力；RH为相对湿度；Dp为露点温度；T为温度。

1.1 温湿度对露点温度影响程度分析

相对湿度、温度以及露点温度之间的关系如图1所示。相对湿度不变时温度与露点温度的关系、温度不变时相对湿度与露点温度的关系分别如图2和图3所示。

图1 相对湿度、温度与露点温度关系

由图2 和图3 可知，温度不变时露点温度随相对湿度增大而增大，相对湿度不变时露点温度随温度升高而增大。在一定温度条件下，相对湿度越高，凝露温度越接近环境温度，即环境温度越接近露点温度，凝露越容易发生。即凝露是否发生和温度有关。

图2 相对湿度不变时温度与露点温度关系

图3 温度不变时湿度与露点温度关系

进行试验仿真，在密闭空间内，相同温度下，分析水蒸气冷凝成水与相对湿度之间的关系，如图4所示。冷凝速率与初始相对湿度成正比，相对湿度越高，水蒸气也就越容易凝结成水。凝露发生时水蒸气凝结成水的速率和析出量与相对湿度大小有关。

图4 不同湿度下水蒸气冷凝速度变化趋势

通过凝露机理的分析发现，为消除凝露的发生，应主动控制柜内温度，平衡柜内外温度差。

1.2 温湿度监测方案及测试

在汇控柜内安装采集终端，采集汇控柜内外温湿度等信息，并通过433 MHz 频段无线通信将数据汇总到站内集中通信模块，集中通信模块为边缘代理网关，通过以太网口将数据传输回站内监控平台，监测方案如图5所示。

图5 监测方案

在某220 kV 变电站加装监测装置，在汇控柜内上下多点以及柜外安装温湿度传感器，获取汇控柜内外的环境参数，监测数据如图6所示。

根据实际监测数据，柜内平均相对湿度为72%，平均温度为21.65 ℃，柜外平均相对湿度为80%，平均温度为20.5 ℃，露点温度为15.76 ℃。

从图6中可看出，露点温度一直低于环境温度，未达到凝露发生条件，现场汇控柜也未出现凝露现象。

图6 监测温湿度参数及露点温度变化

2 控制策略

根据凝露发生的机理，通过监测汇控柜内温湿度、环境温湿度来控制柜内温湿度，预防凝露发生。采用常规方式，计算柜内露点温度，根据柜内外温度、相对湿度差进行条件判决，破坏露点产生的条件，主动防止凝露的发生。采用除湿器功率为40 W，风扇功率为30 W。

汇控柜除湿装置运行模式如表1所示。

表1 除湿装置运行模式

风扇控制原理：1）当外部温度低于内部温度，开启风扇，降低汇控柜内温度；2）当内部湿度大于外部湿度，开启风扇，降低相对湿度，从而降低汇控柜内露点温度。只要满足上述任一条件，风扇开启。

除湿器控制原理：通过阈值设定自动控制除湿器的启停，将汇控柜内湿度阈值设定为50%，柜内湿度大于50%，开启除湿。

AB 联合控制：风扇和除湿器满足启动条件，自动开启，同步除湿。

停运：风扇和除湿器均不工作。

针对上述分析，设计控制策略如图7所示。

图7 控制策略流程

定义柜内最低温度T0，柜内空气温度T1，柜外环境温度T2，柜内湿度S1，柜外环境湿度S2，除湿器开启阈值S3，露点温度Td，控制策略为：

1）当T0≥T2，S1＞S2，S1＞S3，开启除湿器除湿，开启排风扇，关闭加热器；

2）当T0≥T2，S1＞S2，S1≤S3，关闭除湿器除湿，开启排风扇，关闭加热器；

3）当T0≥T2，S1≤S2，S1＞S3，开启除湿器除湿，关闭排风扇，关闭加热器；

4）当T0≥T2，S1≤S2，S1≤S3，关闭除湿器除湿，关闭排风扇，关闭加热器；

5）当T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0≤Td，开启除湿器除湿，开启排风扇，开启加热器；

6）当T0＜T2，S1＞S2，S1＞S3，T0＞Td，开启除湿器除湿，开启排风扇，关闭加热器；

7）当T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0≤Td，关闭除湿器除湿，开启排风扇，开启加热器；

8）当T0＜T2，S1＞S2，S1≤S3，T0＞Td，关闭除湿器除湿，开启排风扇，关闭加热器；

9）当T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0≤Td，开启除湿器除湿，关闭排风扇，开启加热器；

10）当T0＜T2，S1≤S2，S1＞S3，T0＞Td，开启除湿器除湿，关闭排风扇，关闭加热器；

11）当T0＜T2，S1≤S2，S1≤S3，关闭除湿器除湿，关闭排风扇，关闭加热器。

上述不同控制模式之间可以自适应或远程控制方式自由切换，风扇和除湿器控制参数可远程动态调整。

3 测试验证

在运行工况下，汇控柜外部温度降低，柜内湿度上升，柜内温度高于柜外温度，湿气遇冷（柜门温度低于高温高湿的露点温度）在柜门处形成凝露。柜体表面温度受环境温度影响较大，柜体与外部热交换程度和外部的温度成正比。因此采用环境温度作为柜体表面温度参照值。

在4 种不同运行模式下，选取相同时间段，分析不同控制措施效果。不同汇控柜采用的运行模式如表2所示。

表2 不同汇控柜运行模式

3.1 风扇单独控制

选取2020年8月15日11：56—13：56，站3汇控柜温湿度变化趋势如图8 所示，监测数据如表3 所示。

图8 柜内外温湿度及内部露点温度变化趋势

表3 状态量变化

3.2 除湿器单独控制

选取2020年8月15日11：56—13：56，站2汇控柜温湿度变化趋势如图9 所示，监测数据如表4 所示。

图9 柜内外温湿度及内部露点温度变化趋势

表4 状态量变化

3.3 风扇除湿器联合控制

选取2020 年8 月15 日11：56—13：56，风扇除湿控制策略如图7所示进行控制，站1汇控柜温湿度变化趋势如图10所示，监测数据如表5所示。

图10 柜内外温湿度内部露点温度变化趋势

表5 状态量变化

3.4 停运

选取2020 年8 月15 日11：56—13：56，对比汇控柜温湿度变化趋势如图11 所示，监测数据如表6所示。

图11 柜内外温湿度及内部露点温度变化趋势

表6 状态量变化

选取2020 年8 月15 日00：02—23：45，停运模式下柜内外温湿度及内部露点温度变化趋势如图12所示，通过温湿度监测的变化曲线可以看出，温度升高时，相对湿度下降。凌晨和夜间易发生凝露，在上午时段，柜内温度随柜外温度升高而升高，且柜内温度低于柜外温度。柜内相对湿度虽然大于柜外相对湿度，但露点温度变化微小，因此不会达到凝露条件。

图12 停运模式下柜内外温湿度及内部露点温度变化趋势

4 结语

从工程实际出发，通过融合多传感器信息计算露点温度，提出降低露点温度的控制策略。通过现场试验发现，增加控制措施能够降低柜内露点温度，风扇单独运行能够增加柜内气体循环，降低柜内温湿度，能够治理汇控柜凝露，而除湿器单独运行除湿效果不明显。通过风扇除湿器联合控制试验，结果表明所提的控制策略能够有效治理汇控柜凝露。