基于5G物联网的配电箱内温湿度控制策略研究

国网冀北电力有限公司张家口供电公司 陈军法 张文华 周晓燕

作为变电站内最常见的设备，配电箱在运维工作中十分重要。根据不同应用，箱内常见各种测量、保护设备，动力装置以及表计。这些设备的运行都依靠配电箱提供基本保护。配电箱为了维持箱内环境稳定，配置有通风装置、加热装置以及温控器。确保箱内环境不随着箱外环境变化而剧烈变化，为设备提供了适当的运行环境。防止设备因为高低温，结露等情况造成损坏或故障[1]。

传统温控装置具有成本低，简单可靠的特点，但随着变电站配电箱内设备日益精密。如何提高配电箱内环境控制能力成为研究热点。目前5G物联网技术已经成为新型电力系统的研究热点。通过将5G物联网技术与传统温控器进行结合，形成智能的环境控制终端，通过对接云平台系统。将箱内环境数据实时采集并上送。云平台部署智能监控程序，可以在天气变化时及时对控制器进行参数更新。提高配电箱的应急响应能力。

经过技术化改造的配电箱内环境控制，同样有利于运维工作。目前变电站运行管理要求按照季节对配电箱内温控器阈值和状态进行巡检。由于配电箱在变电站内数量多，对工人来说占用大量工作时间。如果可以经过技术提升，实现远程设置，远程运维。对提高管理效率，降低管理成本都是有益的。都是整个电网运行管理的重要一环。

随着当今信息化技术发展，本文研究并实现一种基于5G物联网的配电箱内温湿度控制装置。装置部署于箱内，替代原有传统温控器。配合云平台，实现配电箱内环境的“可观、可测、可控、可调”，进一步提高变电站远程运维涉及领域。

1 配电箱特点综述

作为变电站或者其它电力设施中不可缺少的电气装备，具有体积小、安装便捷、材质多样的特点，不受场地限制，应用十分普遍。一般对于室外配电箱来说，其内部会加装开关设备、测量仪表、保护电器和动作机构等设备，构成封闭或半封闭的结构。正常运行时其箱体门应锁止。

1.1 配电箱分类

作为电力供应或者分配中的控制单元，对电源进行有效可靠分配，正确将电能输送到各处负荷是配电箱的主要功能。电网因为对可靠性与安全性要求高，以金属配电箱为主，配电箱材质多为不锈钢等耐腐蚀金属材料，可以保障箱内电路与元件。

在变电站室外，常见防护式开关柜与配电控制箱。分别用于室外环境与室内环境。由于两种箱体存在明显差异，对配电箱内温湿度控制策略研究主要针对此两类箱体进行区分。

防护式开关箱柜。是一种被封闭起来的低压开关箱柜，一面具有带锁止功能的活动门。这种箱柜内常用来安装开关、保护装置、测量装置等电气设备。可固定于墙面或者支架上。此类型配电箱多用于室外或者附属于其它大型设备上，由于在室外，工作条件较为恶劣，常常因为防护等级要求，存在箱内夏天高温运行，冬天低温运行的情况发生。常见的防护措施包括安装温控器来操作加热板或者排风扇进行简单控制，防止箱内设备因箱内环境影响而损坏或工况不良。

抽屉式开关柜。是一种半封闭的，通常安装于室内的一种开关柜，多由钢板制成。箱柜通常下部与上部具有半开放设计，可通过下部电缆将电能引入柜内，柜内安装承担供电任务的各类开关、刀闸、手车等设施。同时还常在柜间部署母线排，实现电气回路。这类开关柜通常具备较高可靠性、安全性与互换性，集成度很高，单位体积功率密度大。通常情况下，柜内因为电流作用，会产生较多热量。所以此类柜内也需要对环境进行监控。

由于电力系统的要求，常用的金属开关柜无论安装环境，均存在对箱内环境进行控制的需求。通过对箱内环境进行控制，提高设备运行可靠性。

1.2 故障分类

变电站内配电箱主要承载室外开关、保护和监测控制等电气元件以及操作一次设备的动力装置。通常情况下运行稳定可靠，但如果疏于管理，仍然会因各种原因造成箱体或箱内设备故障。严重时将危害到电网运行。需要对常见故障进行研究。

配电箱故障按照产生原因，主要分为因环境变化造成的故障和因设计缺陷造成的故障。

因环境变化造成的故障，主要是因环境温湿度对箱内电器运行造成的影响引起的故障。配电箱根据功能不同，由各类中低压电器构成。包括：熔断器、交流开关、剩余电流保护器、电容补偿器及计量电表等各类电气。通常情况下，此类设备的正常工作温度应处于24℃。设备在环境温度处于-5℃至40℃的区间时，可保障设备正常工作；在环境温度处于-25℃至60℃区间时，可保障设备不会损坏。这个温度范围虽然覆盖范围比较大，但由于配电箱在室外运行，会受到阳光直接照射产生高温，同时箱内设备运行中也会产生热量，所以在盛夏高温季节，箱体内的温度将会达到70℃以上，这时的温度大大超过了这些电器规定的环境温度。箱内温度超过允许值是现场故障的常见情况。

因设计缺陷造成的故障，例如选择不恰当容量的开关，刀闸或者母线排。均会导致箱内设备运行热量大大增加。通常情况下，由于电力设备在制造时具备较大容量，此类设计缺陷不会立即引起事故，甚至可能产品可过载运行至寿命截止。但此类情况下，设备或线排会因为容量差距，产生过多热量。造成箱柜内环境异常变化。此时也可以通过配电箱内环境测量对其进行筛选，利于现场设备变更或日常维护，防止因选择备品不当引起的超容使用[2]。

配电箱内温湿度控制，是保障运行稳定的重要因素。同时，也应在日常巡检与维护中对配电箱内温湿度控制设备进行检查。确保在启动时可将箱内环境维持在设计环境指标。

1.3 箱内环境特点

温湿度作为配电箱内环境控制的主要参数。对保障箱内设备正常运行有着重要意义。配电箱多安装于室外，环境恶劣。因雨雪等天气影响，需要箱体本身具有工业防护等级，就要求箱体具备密封或者半密封的机械结构。配电箱内的温湿度是一个较独立的自循环系统，温度的扰动影响因素主要有箱体自然散热、箱内设备产热以及加热器产热。由于配电箱制造成本限制，常通过风扇实现湿度控制。在遇到湿度较高时，使用加热器和风扇一同开启来加热箱内空气，再将较热空气排出的方法降低湿度，同时保证箱内升温在可控范围。

在控制过程中，箱体散热是个十分重要的指标，由于散热过程遵循热传导方程，所以在不同地区和海拔高度，箱体散热系数存在较大差异。对于我国南方，在潮湿环境下，箱内还存在结露风险，对设备安全运行有很大隐患。一般来说，配电箱正常运行温度应高于环境温度，降低箱内结露风险。

当在夏季或者安装位置处于阳光直晒处，需要箱体散热。箱内保护装置和测量仪表的工作环境温度不应大于60℃，在我国，大部地区气温不会超过45℃。但如果暴露在太阳下，则在无通风措施的影响下迅速升温至60摄氏度左右，对箱内设备行程高风险运行。散热除箱体向环境散热外，还可通过启动通风扇，加强箱内空气与外部环境间对流交换。所以，配电箱所处环境在散热中影响现主。在配电箱安装施工过程中，需要谨慎选择安装位置与角度，减轻阳光直射，必要时还应加装遮阳棚。

2 箱内环境控制研究

传统温度传感器基于热敏金属片来制造，存在精度不可控、读数不方便的问题。同时其功能单一，动作阈值调节粗糙，不能满足现代化精确控温所需。

传统湿度传感器采用氯化锂吸水率越大，电阻率越小的原理制成。通过电极的电流大小可反映出周围气体的相对湿度。受限于原理，湿度计的响应滞后，仅可用于湿度测量，无法用于控制环节。所以，需要对箱内环境控制的方法进行研究，确立闭环控制方案。

2.1 铂热电阻传感器

铂热电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

PT100型温度传感器是一种用铂金属合金制成的特殊热敏电阻。作为常用的高精度温度传感器，其室温下标称电阻为100Ω，其上每产生1℃温度变化将带来0.385Ω的电阻变化。由于变化较小，所以需要进行精密测量。通常对PT100的引线进行补偿，进行3线或4线电桥测量[3]。

常用平衡电桥测量PT100的阻值变化。电桥法的原理图如图1所示。电路工作时，组成电桥各支路均存在平衡电流。当PT100处于标称阻值状态时，电桥AB两测量点间电压相等，无非平衡电流。这时称电桥处于平衡状态。平衡状态时，存在：

图1 平衡电桥测量法

UAB=0V

当PT100因为环境温度变化造成阻值变化时，上述电桥因为流经两侧的电流不平衡，会造成AB两点产生电位差，这时我们称电桥处于不平衡状态。电桥处于不平衡状态时：

UAB=〔RPT100/(RPT100＋R1)－R4/(R4＋R3)〕UDC

在实际应用中，由于的电压值通常很小，应在平衡电桥后增加一级放大电路。

2.2 MEMS湿度传感器

环境中湿度对精确控制配电箱内环境有重要参考意义，对保障箱内设备正常运行有重要意义。

物理吸附由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起。吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，物理吸附是可逆的。吸附作用的大小跟吸附剂的性质和表面的大小、吸附质的性质和浓度的大小、温度的高低等密切相关。

湿度传感器主要靠半导体工艺下刻蚀出的梳状结构，应用物理吸附原理吸附环境中水分子，改变电极梳状交叉齿间的电容[4]。外部放大器和变换电路，将此电容值变化以电压或者电流的形式输出给其它设备使用。梳状结构见图2所示。

图2 MEMS湿度传感器微结构

湿度传感器作为电子技术和物理化学原理的复合技术，硬件因素只占其中50%，另一个重要因素则是标定。要保证测出来的是准确的值，则需要保证每次检测的标定值在一个固定范围内，这是很难做到的。一般而言，由于需要大量的数据来测试，所以在湿度传感器出厂前，均需要进行长时间重复测试，其稳定性会随着统计完成数值回归。

2.3 环境温湿度PID控制

PID作为一种控制方法，可用于可建模系统或者无建模系统，具备广泛的适用性。对于可建模系统，由于具备准确数学模型，PID控制对系统S函数的影响是可以进行准确估算的。表达式可知：

Gt=kp×ERROR＋ki×ΣERROR＋kd×∂ERROR

表达式实际上是三种反馈控制：比例控制，积分控制与微分控制的集合。根据不同系统反馈，可以灵活对P、I、D三个变量进行组合，通常情况下只采用三个变量中的2个或者1个，这些从原理上都叫做PID控制。采用这种控制理论的控制器，统称为PID控制器。得到广泛应用。

比例P参数能够提高系统的响应速度和稳态精度,抑制扰动对系统稳态的影响。但由于实际系统经常存在调节死区，所以纯P控制并不能达到准确的控制目标，存在稳态误差现象。此类现象本质是因为参考信号的阶次大于系统自身阶次，无论如何选取纯比例P值都无法使得稳态误差消除。

积分控制消除稳态误差的作用对于高阶的参考信号和扰动是无效的。积分控制并不一定是必须的，应当视系统的型号、输入和干扰类型决定。积分控制的常数根据系统所需的动态进去选取，并不会影响消除误差的效果，具有一定的鲁棒性[5]。

温湿度的传递存在滞后性。一般有纯滞后、容量滞后。前者一般指工艺段物料传输需要时间引起的，后者一般指被控对象的热交换、物料连续经过多个容器才能建立一个稳定信号需要时间引起的。

环境温湿度控制过程的响应速度慢，其传递函数的惯性很大。调节过程中可以通过动态法进行调整，设置不同参数查看控制效果，通过定性分析来尝试得到最优解。用实验的方法来调节控制器的参数。根据经验，一般首先由比例P参数开始进行调试，调整开始阶段设置保守参数，防止系统超调自激。根据实际反馈逐渐加大比例P参数。直到系统控制得到较理想的越阶响应。而后慢慢添加积分I参数，消除系统稳态误差。在跟踪控制性能中进行取舍，可根据实际需要，加入一定的微分D参数来进行调优。

3 基于物联网的控制策略

物联网（IoT，Internet of Things）起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。在物联网应用中有两项关键技术，分别是传感器技术和嵌入式技术。

3.1 物联网分层模型

在实际应用中，根据网络拓扑、功能和设备位置，一般将物联网分为应用层、网络层和感知层[6]。

感知层是物联网终端获取自身信息和外界信息的主要手段。类似生物的皮肤和感知器官，物联网终端需要根据现场环境，集成一种或多种传感器来进行感知。对于高级的物联网终端，还可集成摄像头来实现高层次环境感知。感知层主要用于获取必要的原始数据。

网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。

网络层又分为支撑层和数据层。数据层是由多个数据库构成（同时包括公安、交通等部门现有的涉车管理平台所采集的部分数据），是涉车信息的存储层，其数据结构的定义最为关键。

应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合，实现广泛智能化。

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。在此基础上，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

3.2 气象数据接口实现

物联网技术背景下，可解决传统温控器缺乏感知手段，无法智能调节控制阈值的弊端。对接当前互联网的气象大数据服务，对被控箱动态控制。及时切换动作阈值，达到期望的自适应控制策略。

气象数据的来源，主要为高精度的再分析资料。高精度的再分析资料在实时性上存在一定延迟，但随着我国气象科学数据中心的服务升级，目前已经可以提供逐小时观测资料，可以满足要求[7]。为避免因实时数据的误差导致的控制策略研究难度增加，采用高精度再分析资料进行研究。

中国地面气象站逐小时观测资料是国家气象科学中心提供的一项数据服务。数据的获取流程是：注册用户，获取数据接口Token令牌；调用接口，接口一般以WEB API的方式提供；请求数据，按照经纬度向平台请求；解析数据，回文数据采用JSON格式。

获取数据应按照定时进行获取，缓存在服务器中的等待物联网设备调用的方式进行。可以有效提高设备读取气象数据效率，并降低接口请求频次，显著避免因频繁调用造成数据费用过高。

3.3 应用物联网技术优化策略

对箱内环境控制，主要是环境的温湿度控制。箱体安装在室外，各控制参数同气象关系紧密，例如箱体传导系数、大气湿度指标、日照强度等。传统温控器，无法获取丰富的数据。控制采用固定阈值，恒定参数的控制率。

采用物联网技术后，温控器通过与云平台进行交互，可以实时获取气象数据。此时对控制率进行优化，将恒定的PID控制，同气象数据结合。动态优化动作阈值、调节参数等可测量变量。达到箱内环境控制更稳定的目标。

当前运维作业，温控器的阈值采用人工现场设定的方法。按照运维检修方案安排人员随季节交替进行阈值维护，这样会带来运行隐患。当例如寒流或冰凌等极端天气，配电箱内结露风险骤然提高却无能为力；特定温度阈值附近会出现加热器启停振荡，极易造成二次损害。依托物联网技术，可当发生此类极端情况时，远程修正阈值，提高箱内环境抵抗外界干扰的能力。

在昼夜温差大的地区，箱外环境改变给控制传递函数S带来不可忽略的改变。不具备控制率调节能力，导致采用较保守的控制率参数。保守控制参数可确保控制器稳定工作，但对环境的控制能力将减弱。维持环境稳定过程存在较大误差与延迟，并非最优解。对控制策略精细化管理，按照不同地域对控制进行精准管控。同时按照时间段下发最优控制参数，确保在时段控制效果。

传统控制器的继电器接通负载后，对负载工作情况无监控。无法将控制失效的信号上报。可经物联交采芯片对动作装置的电流实时采集，对工作状态进行推断。设备投入工作后，对装置运行的功率、电量进行测量。非正常运行发生时，通过电流采样值异常进行判定，上送到监控主站。主站可将异常信息推送到大屏或检修责任人，及时排除故障。

当无法适应天气变化，季节更替需现场设定，极端情况发生振荡时，需对接天气数据实时修订，物联网远程对阈值进行及时正确设定，对环境控制策略优化结果有优势；当PID参数设定保守，箱体环境变化无法保障温湿度控制效果时，需根据PID控制原理按照时段进行参数设定，对环境控制策略优化效果有益；当加热器、排风扇运行无监测，控制器自身控制不闭环，无法自诊断时，需增加交流测量传感器对被控器进行测量，发现异常上送物联主站，对环境控制策略优化结果有优势。

综上所述，在物联网技术帮助下，对箱内环境的控制已由传统被动控制转变为主动控制。对室外配电箱，传统运维成本高。物联网控制下，针对不同地点的配电箱可精准控制。进一步结合气象数据对阈值动态整定，达到智能控制的运维要求。将交采传感器置入新型温控器，实现闭环控制，为优化配电箱环境控制策略提供新思路。

4 有效性验证与测试结果

4.1 物联网温控器应用方案

物联网温控器同传统温控器一样，需安装在配电箱内。控制器接入配电箱内环境温度探头、伴热带温度探头；箱内220V交流电源接入控制器电源端子；加热装置与排风扇接入控制器输出端子；连接负责物联网通信的天线。实现场站端安装。

物联主站部署于物联网云端服务器，通过物联网通信运营商的服务同温控器实现数据连接。物联主站还承担了气象数据接入、设备控制接入，台账记录接入和异常告警推送等功能，配合分布式终端形成物联网控制系统。

在控制器的实现中，采用AIR724UG型4GCat1通信模块作为主控制模块。可通过Lua脚本进行功能开发，非常合适应用于温控器、采集器等物联网装置中。对评估方案、加速研发效果积极。

在现场部署研究中，在同一变电站内部署8个物联网温控器终端，并抓取6月至12月的数据。实现对配电箱内环境大数据的采集与记录。配合物联主站的展示功能，完成数据可视化与智能分析。实现了系统对于箱内环境的自动控制。

4.2 结果分析

测试地点位于我国华北地区。华北平原属温带季风气候、亚热带季风气候，四季变化明显，冬季寒冷干燥，部分地区两年三熟。华北平原大部分属于温带季风气候和亚热带季风气候。冬季干燥寒冷，夏季高温多雨，春季干旱少雨，蒸发强烈。春季旱情较重，夏季常有洪涝。年均温和年降水量由南向北随纬度增加而递减。

图3 现场环境控制测试统计图

测试安排实验组与对照组：实验组即本研究的基于5G物联网技术的温控终端。对照组为箱内原装传统温控终端，为解决数据采集问题，使用5G物联网技术的温控终端对现场数据进行收集并上传到云平台作为对照记录。在配电网环境控制中，温度控制较湿度控制更具备测量条件，所以在环境控制的试验中，选取温度作为主要测试项。测试数据共有三类：传统温控器的箱内温度变化；物联网控制器的箱内温度变化；依据气象数据优化控制的物联网控制器的箱内温度变化。数据分析场景，包括周期性交替变化、单调性稳定变化、爆发性剧烈变化三个典型情景。分别对应昼夜变化，季节交替和寒潮等恶劣天气来袭时这些配电箱环境控制需面对的情况。

典型场景一：昼夜交替变化，一般温控器根据箱内传感器值，可做出正确动作。当白天温度高于设定阈值时，正确关闭加热器电源。夜间，随着环境温度整体降低，箱体至环境散热能力加强。箱内环境温度被打破平衡，开始降温。当达到动作阈值时，箱内控制器启动加热器。箱内环境温度开始回升。在这个场景下，传统温控器控制动作触发可靠，但随着温度回升，部分温控器在高温阈值存在状态振荡，频繁通断加热器的情况。在控制准确性方面。三种温控器控制效果无明显差异。

典型场景二：随着季节变化，日均气温的涨落趋势是单调的。在华北地区，从夏天至冬天的过程，气温的变化逐月递减，部分地区日均气温可降至温控器动作阈值以下，全天开启温控器。因为环境温度引起的散热能力不同，需要在季节变化时对温控器阈值进行预设置。夏秋两季因为气温较高，为防止温控器动作造成意外升温，一般会通过调低阈值或者直接关闭的方法将箱内温控器进行处理，避免意外加热导致高温运行发生；春冬两季因为气温较低，需要再对温控器的阈值设定进行调整，调到比较高的动作阈值，保障箱内温度及时补充。避免低温运行发生。所以在春秋两季气候变化明显的时候，温控器阈值设定不恰当的情况发生较多。这时，基于物联网的环境控制终端可实现远程设置，显著减轻此类情况发生。

典型场景三：当恶劣天气出现时，传统固定阈值温控器无法适应剧烈变化的气候，部分测试结果发现箱内环境温度存在超出安全工作区域的情况发生。并且随着天气进一步恶化，超出设定值的情况时有发生。基于物联网的环境控制终端可通过云主站动态下发指令来达到适应突发情况，但不够智能，且需要大量人力进行监控。对接气象数据后，可根据每小时气象数据进行控制优化。实现温度准确控制，取得明显效果。

综上所述，基于5G物联网的配电箱温湿度控制对于传统温湿度控制方法有较高提升。在应用中，可以显著提高对箱内环境控制准确度，降低因箱内环境越限造成设备故障风险，降低维护周期。同时又因为具备数据采集和实时上送云主站的功能，提高了配电箱运维技术水平。具备远程设置阈值、远程更新控制策略的功能，降低了偏远地区变电站内配电箱温控器周期维护压力。在应用过程中得到现场人员肯定。具备技术推广价值。