变电站户外箱柜防潮监控系统设计

王 浩

国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750000

0 引言

在低温、潮湿环境下，变电站户外箱柜会发生低温带电运行、凝露现象，箱柜内出现凝露后，很容易使柜内一些重要电气设备和线路发生氧化和锈蚀，不仅会缩短其使用寿命，严重情况会直接引发柜内设备短路、机构卡涩、故障跳闸等事故。目前，为了防止变电站户外箱体凝露产生，保持箱体内设备运行温度适宜，变电站普遍采用的措施是利用防潮监控系统对变电站户外箱柜进行远程监控。由于安装工艺和产品质量等，变电站大部分户外箱体（或老旧变电站的全部户外箱体）内的驱潮加热装置采用人工就地开箱开柜检查、操作控制的方式。该方式在实际应用中存在许多问题，如当环境潮湿时，由于人体感知偏差、未及时投入等，造成户外箱体锈蚀、设备异常，加热驱潮装置损坏时无法及时发现，影响设备稳定运行。现有技术无法根据真实情况进行控制，为此，文章提出变电站户外箱柜防潮监控系统的设计方案。

1 系统硬件设计

1.1 加热驱潮设备设计

加热驱潮设备安装在变电站户外箱体内，用于对变电站户外箱体的内部进行加热驱潮。加热驱潮设备采用现有技术，具体安装结构如图1所示。

图1 加热驱潮设备安装结构

加热驱潮设备包括监控器和负载，监控器与负载电连接形成加热驱潮回路。监控器包括温湿度控制器和温湿度传感器，可集成在一个电路板上。温湿度传感器用于监测变电站户外箱体内的温湿度，温湿度控制器可以根据温湿度传感器监测的温湿度对负载通电，使得负载加热，以对变电站户外箱体内进行加热驱潮。

1.2 监测遥控装置设计

1.2.1 装置组成

监测遥控装置包括遥控开关模块、电流采集模块、温湿度采集模块、网络信号转换模块、网络传输模块和第一控制终端。遥控开关模块、电流采集模块、温湿度采集模块、网络信号转换模块可安装在变电站户外箱体内[1]；网络传输模块可安装在变电站户外箱体的外表面上，通过磁吸、粘贴或螺栓固定等方式安装；第一控制终端为工作人员持有，可以安装在移动终端，如手机、平板电脑等。

（1）遥控开关模块包括遥控开关和遥控开关控制器。遥控开关串联在加热驱潮回路中，只有当遥控开关导通时，监控器才能对负载通电。遥控开关的控制端与遥控开关控制器的输出端电连接，遥控开关控制器用于控制遥控开关的通断。（2）电流采集模块的输入端与加热驱潮回路电连接，用于采集加热驱潮回路中的电流，以便确定加热驱潮设备是否正常工作[2]。电流采集模块可以采用多回路电流信号采集器。（3）温湿度采集模块的输入端与监控器电连接，用于获取监控器的温湿度传感器采集的温湿度。（4）网络信号转换模块的各端分别与遥控开关控制器的输入端、电流采集模块的输出端和温湿度采集模块的输出端电连接，具体可通过网络信号线连接。网络信号转换模块是网络信号电流采集器，将电流信号、温湿度信号转换为网络信号。（5）网络传输模块是无线网络传输设备，用于将网络信号传输到第一控制终端。当网络传输模块是无线网络传输设备时，其可以采用如下的至少一种传输方式：蓝牙、4G、LoRa、ZigBee和 Wi-Fi。（6）每一加热驱潮设备均可安装上述的一个监测遥控装置，每一监测遥控装置可以使用一个第一控制终端，也可以多个监测遥控装置共用一个第一控制终端。第一控制终端用于判断加热驱潮设备是否故障，根据采集到的温湿度数据确定变电站户外箱柜环境状态。

1.2.2 装置传输设计

监测遥控装置连接如图2所示。加热驱潮设备控制终端包括主机和显示器。主机分别与网络传输模块和第一控制终端通信连接，显示器与主机电连接。控制终端的主机可通过有线或无线的方式与网络传输模块连接，因此，网络传输模块可以包括具有有线传输功能和无线传输功能的组件[3]。当多个监测遥控装置共用一个控制终端时，可实现全站所有箱体的加热驱潮设备、箱体运行环境的温湿度实时监测、智能调控等功能，通过显示器显示变电站所有箱体的加热驱潮设备的运行状态及工况、箱体内运行环境温湿度情况。同时，控制终端和监测遥控装置第一控制终端之间可以进行信号、指令等互传。控制终端将信息发送至监测遥控装置第一控制终端；如需远程控制，控制终端可以将接收的第一控制终端发送的控制指令发送到指定箱体的网络传输模块，以便通过遥控开关模块控制加热驱潮设备启动或停止。

图2 监测遥控装置连接

2 系统软件设计

根据系统功能需求，在软件方面设计了数据预处理模块、凝露控制模块。系统采集到的户外箱柜温度、湿度等数据含有较大的噪声，并且存在一些不完整数据和重复数据，需要利用数据预处理模块对采集到的户外箱柜环境数据进行降噪和冗余处理。

假设待处理数据包为M，该数据包中含有数据n个，利用平均滤波法对数据进行滤波，随机选取两组相邻的数据，计算出平均噪声幅值：

式中：h为数据平均噪声幅值；mine为两组数据中最小幅值；maxe为两组数据中最大幅值。

以平均噪声幅值为标准，删除超过该标准的噪声，再从数据列表中抽取两组数据，按照上述流程操作，直到所有数据均得到降噪处理。

采用滑动块对数据进行消冗处理，创建一个固定大小的滑动窗口，滑动窗口长度要根据数据期望长度确定，其计算公式为

式中：u为滑动窗口长度；w为期望数据序列长度；p为实际数据序列最大长度。

根据式（2）计算滑动窗口长度参数，随机选择一组数据序列，将滑动窗口从数据头向后滑动，如果数据长度超出滑动窗口，则说明该数据块为冗余数据，将其删除，并继续向后滑动，直到滑动窗口对整组数据遍历完为止[4]。

应用模糊数学算法分析处理后的数据，确定当前户外箱柜实际环境状态。为了方便综合分析，对数据归一化：

式中：d(x)为归一化后的数据；xmin为数据中最小温度或者湿度值；xmax为数据中最大温度或者湿度值；ρ为归一化系数，通常情况下取值为0.1。

当空气中水蒸气露点温度达到一定数值时，就会形成凝露，而露点温度与空气中的温度和湿度有直接关系，因此根据现场温度和湿度计算出箱柜内露点温度：

式中：c为箱柜内露点温度；maxq为当前箱柜内最高温度；maxy为当前箱柜内最高湿度；k为当前箱柜内空气饱和度[5]。

将其与凝露形成条件进行比较，确定柜内是否形成凝露，如果形成凝露，驱动加热驱潮设备进行驱潮处理，用公式表示为

式中：v为加热驱潮设备开关状态，此次设计0和1两种状态，其中0表示加热驱潮设备为关闭状态，1表示加热驱潮设备为开启状态；ϖ为凝露形成最低露点温度。

利用式（5），根据柜内实际情况控制加热驱潮设备，保证变电站户外箱柜始终处于良好的环境。

3 实验验证

以某变电站为实验对象，该变电站有8个户外箱柜，变电站所处区域空气湿度较高，户外箱柜内容易形成凝露，影响其正常运行。实验利用设计的系统与传统系统对该变电站户外箱柜进行防潮监控，准备了8个加热驱潮设备和1个监测遥控装置，每个箱柜内安装1个加热驱潮设备，由监测遥控装置控制多个加热驱潮设备。将遥控开关控制器、电流采集模块、温湿度采集模块、网络信号转换模块和供电电源集成在一块电路板上，采用市电供电。实验中，将温湿度传感器扫描频率设定为3.16 MHz，扫描范围设定为0～2.5 m，扫描周期设定为30 s，实验时间为6 h，共采集到0.26 GB数据，具体数据如表1所示。

从表1可以看出，监测温湿度与实际情况基本一致，监测数据精度较高。为了进一步检验两种系统的性能，以凝露感知偏差作为实验指标，当感知的凝露露点温度偏差超过0.3 ℃时，会影响到加热驱潮设备控制效果。利用IHI软件对两个系统凝露感知偏差进行检测，使用电子表格记录实验数据，具体如表2所示。

表1 变电站户外箱柜温湿度对照表

表2 两种系统的箱柜凝露感知偏差对比

从表2数据可以看出，文章设计系统对于凝露感知偏差较低，基本可以控制在0.3 ℃以下，说明设计的系统可以精准控制加热驱潮设备对户外箱柜进行驱潮；传统系统对于凝露的感知偏差均超过最大限值（0.3 ℃），并且高于设计的系统。实验结果证明，设计系统具有较高的监控精度，且优于传统系统，更适用于变电站户外箱柜防潮监控。

4 结束语

文章在传统系统的基础上进行了优化和创新，设计了新的变电站户外箱柜防潮监控系统，有利于降低变电站户外箱柜维修成本，延长箱柜内电气设备使用寿命，具有较好的现实意义。