基于NB-IoT的户外端子箱温湿度监测系统

蔡岳峰，罗 斌，杨 曦

（浙江省电力有限公司检修分公司，浙江 杭州 311232）

端子箱作为变电站中承担一次设备和二次设备联系包括保护回路、控制回路、测量回路等回路中相关量的获取的重要组成部分，其运行的状况直接影响到整个变电站的安全和健康。由于端子箱一般处于户外，常年经风吹、日晒、雨淋等，造成端子箱往往会发生锈蚀、进水、凝露等现象，易引起二次回路的绝缘降低，继而形成接地短路，对设备的正常运行和事故处理产生不利的影响。而目前变电站中对设备的监测并不包括对端子箱，往往只有等问题发生或者在定期的检查才能发现，不能提前发现问题并及时处理，给安全运行埋下了隐患。同时，由于现场工作人员的疏忽或者端子箱自身的原因，有时候会发现箱门没有及时关闭，在有雨的天气容易造成雨水的进入，易造成短路、接地等故障，影响设备的安全运行[1]。

针对上述存在的问题，本文拟设计一套变电站端子箱温湿度监测系统，实现对户外端子箱内的温湿度（包括凝露、门禁）的在线监测，从而快速而准确地掌握端子箱内工况，并对有问题的端子箱及时处理，避免对设备的安全运行产生影响。

1 系统需求分析

鉴于变电站端子箱所处的环境以及具有的重要性，端子箱内一般都安装了驱潮加热设备如加热器，但是对端子箱内的温湿度是否在合理的范围内、有没有凝露等信息依旧是无法及时获取，不能有效的解决目前存在的问题。事实上，由于加热器的功率、安装位置以及环境温湿度等相关因素，造成加热器并不能很好的解决端子箱内湿度大、凝露等问题。另外，由于各种原因造成的端子箱门未关闭依旧靠人工巡视因此，希望采用的系统能有以下相关功能：

为了能时刻获取端子箱内的温湿度情况，希望该系统能实时监测温湿度数据。另外，可根据现场实际情况设定阈值，并进行告警；

当端子箱内有凝露发生时，能够检测到，并及时发出告警[2]；

当现场端子箱箱门位置发生变化时，能及时侦测到，并对发生的变化情况进行提醒；

对测量的数据实现存储、显示以及分析等功能。

2 系统总体设计

根据上述的需求，本文设计了一套端子箱温湿度监测系统。该系统主要由安装于端子箱内的温湿度监测模块和远程后台2 部分所组成。其主要工作原理为：温湿度监测模块通过相关的传感器获取端子箱内的温湿度、凝露以及门禁的相关数据，通过网络将数据发送至远程监测后台。远程后台将获取的数据进行存储、显示以及提供数据的分析功能。

考虑到变电站现场端子箱一般分布面积大且比较分散，如果采用有线传输，则现场布线存在工作量大、成本高且后续维护复杂等缺点。因此，无线传输就成为该系统比较好的选择。同时，由于避免装置外接电源或者频繁更换电池等，需要设备具有低功耗的特点。低功耗广域网（LPWAN）具备广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，能很好的满足上述需求。

低功耗广域网又可以分为以下2 类：一个是工作于未授权频谱的如LoRa；一个是工作于授权频谱下如NB-ⅠoT。LoRa、NB-ⅠoT的区别主要在于频段、服务质量和成本几个方面。其中LoRa工作在1 GHz以下的非授权频段，在应用时不需要额外付费。而NB-ⅠoT使用1 GHz以下的授权频段，需要付费但能保证服务质量。另外，由于LoRa是由Semtech公司推出的一款基于1 GHz 以下的超长距低功耗数据传输技术，而NB-ⅠoT标准的制定中国公司占据重要地位。综合考虑到数据的可靠性、成本、安全性等，本文中采用NB-ⅠoT实现无线数据的传输。该系统的结构图如图1所示。

图1 温湿度监测系统结构图

3 温湿度监测装置设计

为了避免从端子箱新引出接线来给装置提供电源，本设计在采用低功耗的相关元器件来设计温湿度监测装置的基础上，采用锂电池供电[3-5]。该装置主要包括以下4个部分，其结构如图2所示。

图2 温湿度监测装置结构图

温湿度测量：采用温湿度传感器获取端子箱内的温湿度数据：本设计中对温湿度的测量采用瑞士Sensirion 公司生产的具有接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11，其包括一个电容式聚合体测湿原件、一个能隙式测温元件、一个14位的A/D 转换器，以及串行接口电路，具有测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能。

其中，露点是一个特殊的温度值，是空气保持某一定湿度必须达到的最低温度。当空气的温度低于露点时，空气容纳不了过多的水分，这些水分会变成雾、露水或霜。露点可以根据当前相对湿度值和温度值计算得出。

凝露探测：采用水滴传感器，当有凝露发生在水滴传感器表面，即导通回路发出信号：水滴传感器为一块表面布满栅极电极的面板，当其表面有水滴时，则会输出低电平，可放置在端子箱内易凝露或积水处。

门禁监测：通过在门和箱体分别安装门磁接近开关部件（干簧管和永久磁铁），当门和箱体的距离大于或者小于一定的距离时，将回路断开或者接通，从而产生相应信号。干簧管有两片端点处重叠的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，簧片的作用相当与一个磁通导体。再靠近（远离磁场）时，通过簧片的吸合（释放）导通（断开）电路。

数据通信模块：采用上海移远通信的BC28，其是一款超紧凑、高性能、低功耗的多频段NB-ⅠoT无线通信模块，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 频段。其紧凑的尺寸、超低功耗以及超宽工作温度范围能很适合本文的系统设计。

中央处理器：采用意法半导体公司的超低功耗的STM32L0 系列单片机进行各传感器以及NB-ⅠoT的控制。

4 远程后台设计

现场发送至后台的数据，为了便于运维人员查看和分析，还要对进行可视化显示[6]，如图3所示。

图3 后台显示示意图

当有参数超过设定值时，会生成一个相应的告警信息，并在相应的后台端子箱图形显示上进行红色告警，便于运维人员及时发现。同时，后台应具备：

存储各端子箱发送来的各类数据，以备在需要的时候对数据进行分析；

统计告警的设备、正常的设备、告警的类别等，方便运维人员进行分类查看，快速的获取所关心的数据。

5 结论

本文设计了一套户外端子箱温湿度，该系统在不增加现场接线的前提下，采用低功耗元器件和电池供电，能及时获取现场端子箱内的温湿度等相关数据。同时，结合远程后台对相关数据进行可视化显示，以及对数据进行筛选、分类，协助运维人员方便快捷的获取端子箱的运行工况，能有的放矢的对发现的问题及时处理，避免问题发现不及时造成的设备故障，提高了现场运维工作的效率和设备运行的安全性。