车载绝缘安全工器具箱温控模块自适应调节技术

麦德毅

（佛山供电局，广东 佛山 528000）

0 引 言

车载绝缘安全工器具箱是存储工器具的箱子，其具备较好的便捷性。车载绝缘安全工器具箱内安装除湿、加热以及排风等装置，工器具箱内保持恒温恒湿状态，以保障存贮在工具箱内工具的良好绝缘性，保障工人在使用工具时的安全[1,2]。电网在日常运维作业中，工作人员需要携带的工具多达几十种，车载绝缘安全工器具箱的应用为电网运维作业带来了极大的方便，规避了工作人员漏拿、错拿工具等情况[3]。且车载绝缘安全工器具箱内，其封闭和恒温恒湿的环境使金属类的工具减缓受潮老化情况。但当车载绝缘安全工器具箱内恒温恒湿环境出现不平衡现象时，其对工器具的保护效果就降低，工器具绝缘效果降低会严重威胁工作人员在施工过程中的安全。

很多学者研究车载绝缘安全工器具箱温控模块调节方法，如张宝峰等人提出基于模糊PID的温度控制方法，通过采集车载绝缘工器具箱内的温湿度，通过构建模糊PID控制器，使用模糊算法对该PID控制器参数进行整定后，利用该控制器实现车载绝缘工器具箱温湿度控制[4]。但该方法在应用过程中，其在整定PID控制器参数需经过多次迭代运算，控制车载绝缘工器具箱内温湿度时存在延迟性。刘尘尘提出自适应温度控制方法，以嵌入式硬件为基础，使用人工神经网络与PID控制器相结合的方式实现车载绝缘工器具箱的温湿度控制[5]。但该方法在应用过程中受人工神经网络超调影响会出现自动退出情况，影响其控制车载绝缘工器具箱温湿度控制效果。

针对上述问题，本文研究车载绝缘安全工器具箱温控模块自适应调节技术，以提升车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿效果。

1 温控模块自适应调节

1.1 温湿度数据采集

调节车载绝缘安全工器具箱的基础是获取其当前箱内温湿度基础数据，基于此构建车载绝缘安全工器具箱温度与湿度动态模型，利用该模型获取车载绝缘安全工器具箱温湿度数据。

车载绝缘安全工器具箱内温度变化率可用箱内的能量平衡来描述。车载绝缘安全工器具箱的热环境与外界环境能量交换可通过光照辐射、长波辐射以及通风热交换等实现[6,7]。令V、d分别表示车载绝缘安全工器具箱的体积及其内部空气密度，hheater、hv、hc分别表示加热能量、通风能量以及外界热传导能量，依据车载绝缘安全工器具箱能量平衡，构建其温度动态模型，其表达公式为

车载绝缘安全工器具箱内水蒸气平衡可描述其箱内部绝对湿度变化情况[8]。

按照车载绝缘安全工器具箱内水蒸气生成和损失，构建其湿度平衡模型，其表达公式为

至此车载绝缘安全工器具箱温度、湿度动态模型构建完毕，利用这2个模型能够实时获取当前车载绝缘安全工器具箱的温湿度数据。

1.2 基于自适应加权的温湿度数据融合处理

以上述获得的车载绝缘安全工器具箱温湿度数据为基础，对不同时刻获得的温湿度数据进行融合处理。

使用分布图方式对存在误差的车载绝缘安全工器具箱温湿度数据进行预处理。将温湿度数据Ti按照递增形式进行排序处理后，得到递增的温湿度数据序列[10,11]，该序列由T1,T2,…,TN表示，在该序列内存在N个温湿度数据，其中T1、TN分别表示温湿度数据序列的上限与下限数值。设置获取的车载绝缘安全工器具箱温湿度有效数据判断区间为，当温度和湿度动态模型获取的车载绝缘安全工器具箱温湿度数据位于该区间内时，则说明当前获取的车载绝缘安全工器具箱温湿度数据为有效数据。

判断车载绝缘安全工器具箱的温湿度数据为有效数据后[12,13]，使用分布图法对获取同一时刻的车载绝缘安全工器具箱的温度、湿度数据进行融合处理，其详细过程如下文所述

令 g11,g12,…,g1m、g21,g22,…,g2c分别表示获取的 2组车载绝缘安全工器具箱温湿度数据序列，计算该2个温湿度数据序列的平均值，其表达公式为

式中：g(1)、g(2)分别表示温湿度数据序列g11,g12,…,g1m和g21,g22,…,g2c的平均值；m、c分别表示序列内温湿度数据个数；g1i、g2i表示获取温湿度数据簇内的一致性数据。

计算同一个数据簇内的2组温湿度数据标准偏差数值，其表达公式为

式中：η1、η2分别表示温湿度数据序列内同一数据簇的标准偏差数值。

基于式（5）、式（6）结果，同时依据分批估计原理，计算温湿度数据序列g11,g12,…,g1m和g21,g22,…,g2c的融合方差数值，其表达公式为

式中：η表示温湿度数据序列融合的方差数值。

利用式（5）、式（6）计算车载绝缘安全工器具箱温湿度数据的估计数值，其表达公式为

利用式（8）计算所有车载绝缘安全工器具箱内温湿度数据的估计值后，得到n个温湿度数据方差序列。使用自适应加权算法对温湿度数据方差序列进行融合处理，其表达公式为

1.3 基于利群概率的温湿度异常监测模型构建

将融合后的车载绝缘安全工器具箱的温湿度数据作为输入，以利群概率算法作为基础，建立温湿度异常监测模型，利用该模型监测车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿异常变化数据，为后续控制车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿提供数据基础。

令Xb∈Rnb*m表示融合后的车载绝缘安全工器具箱温湿度数据集，对该数据集实施标准化处理后，得到标准的温湿度数据集ob[14,15]。令 meanb、stdb分别表示标准数据集ob的温湿度数据均值与标准差，建立二者的支持向量数据描述模型，其表达公式为

式中：nb表示标准数据集内温湿度数据总数。

设置车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿控制限值，其表达公式为

式中：ot表示任意车载绝缘安全工器具箱温湿度数据。

使用利群概率方式计算任意车载绝缘安全工器具温湿度数据，得到所有采集到的温湿度数据的利群概率后，以式（10）结果作为基础，以式（11）作为约束条件，建立车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿异常监测模型[3]。其表达公式为

式中：K(obi,obj)表示车载绝缘安全工器具温湿度数据obi对obj的支持程度；ζi表示指定温湿度数值。

利用式（12）即可监测到当前车载绝缘安全工器具箱内温度和湿度是否高于或者低于其恒定数值。

1.4 基于增量式PID控制器的温控模块自适应调节

以温湿度异常监测模型监测到的异常车载绝缘安全工器具箱温湿度数值和恒温恒湿数值作为输入，使用增量式PID控制器对车载绝缘安全工器具箱的温湿度模块进行自适应调节，保障车载绝缘安全工器具箱内为恒温恒湿状态。其详细过程如下文所述

令u(t)表示增量式PID控制器的输出数值，其表达公式为

式中：ϑ(t)表示PID调节器偏差数值；KP、TI、TD分别表示比例、积分和微分系数；t表示时间。

对式（13）进行离散化处理，则式（13）变更为

式中：j表示采集车载绝缘安全工器具箱温湿度数据次数；k表示采集车载绝缘安全工器具箱温湿度数据次数集合。

对式（14）进行增量处理，则增量式PID控制器表达公式为

利用式（15）即可实现车载绝缘安全工器具箱温控模块的恒温恒湿自适应调节，且无须进行累计偏差求和，其过程较为简洁。利用增量式PID控制算法自适应调节车载绝缘安全工器具箱温控模块过程如图1所示。

图1 基于增量式PID控制器的工器具箱温控模块自适应调节过程

将融合后的车载绝缘安全工器具数据输入温湿度异常监测模型内，得到车载绝缘安全工器具温度和湿度异常变化数据后，将该异常数据和恒温恒湿数值同时输入增量式PID控制器内，利用该控制器输出车载绝缘安全工器具恒温恒湿自适应调节数值，并通过固态继电器将该自适应调节数值输入到车载绝缘安全工器具箱的温控模块内，温控模块依据自适应调节数值调节当前车载绝缘安全工器具箱的温度和湿度，保障箱内恒温恒湿。

2 实验分析

以某型号车载绝缘安全工器具箱为实验对象，使用ansys workbench14.0软件搭建该车载绝缘安全工器具箱在高温、寒冷情境下其内部的恒温恒湿变化环境。使用本文技术对该车载绝缘安全工器具箱的温控模块进行自适应调节，验证本文技术的实际应用效果。该车载绝缘工器具箱内部结构如图2所示。

图2 车载绝缘工器具箱内部结构

2.1 温湿度数据采集测试

以车载绝缘安全工器具箱内的相对湿度作为实验指标，测试在不同时间点时本文技术采集该车载绝缘工器具箱内的相对湿度数值和其实际相对湿度数值，结果如图3所示。

由图3可知，本文技术在采集车载绝缘安全工器具箱内温湿度数据时的曲线与其实际数值曲线吻合度极高，仅在时间为25 h和45 h左右与实际数值存在偏差，但偏差数值最大仅为1%左右，该偏差数值对车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿调节影响极小。综上结果，本文技术采集车载绝缘安全工器具当前温湿度能力较强。

图3 温湿度数据采集测试结果

2.2 温湿度数据融合测试

以温湿度数据的关联度作为衡量指标，测试本文技术融合不同数量温湿度数据后，温湿度数据之间的关联度情况，结果如图4所示。

由图4可知，使用本文技术融合车载绝缘安全工器具箱的温湿度数据时，融合后的温湿度数据之间的关联度数值始终保持在0.95左右，且不受融合温湿度数据量增加影响。该结果说明本文技术具备较强的温湿度数据融合能力，也从侧面说明本文技术自适应调节车载绝缘安全工器具箱恒温恒湿较为准确。

图4 温湿度数据融合测试结果

2.3 恒温恒湿异常监测测试

以车载绝缘安全工器具箱的温度作为衡量指标，在ansys workbench14.0软件模拟环境寒冷情景，在该情景下，使用本文技术监测车载绝缘安全工器具箱内恒温数值变化情况，结果如5所示。

由图5可知，当室外环境寒冷时，车载绝缘安全工器具箱的温度呈现分层分布情况，箱体中下部区域的温度稍高，越靠近箱体上层，其温度越低。该情况说明当车载绝缘安全工器具箱放置在车上时，箱体的上部受寒冷环境影响其温度会出现下降趋势。上述结果说明：本文技术可有效模拟车载绝缘安全工器具箱内变化情况，监测车载绝缘安全工器具箱温度异常情况能力较好。

图5 恒温恒湿异常监测结果

2.4 恒温恒湿自适应调节测试

测试在寒冷环境下，本文技术对车载绝缘安全工器具箱温控模块的温度自适应调节能力，同时设置恒温恒湿自适应调节误差阈值为0.5 ℃。结果如表1所示。

表1 车载绝缘安全工器具箱温度自适应调节测试结果

由表1可知，使用本文技术在自适应调节车载绝缘安全工器具箱温控模块时，其调节温度最大差值为0.23，该数值较所设的自适应调节误差阈值相差较大，且本文技术自适应调整车载绝缘安全工器具箱温控模块时受当前箱内温度与设定的恒温数值影响较小。综上说明：本文技术自适应调节车载绝缘安全工器具箱温控模块温度的精度较高。

进一步验证本文技术应用效果，以调节恒湿能力作为指标，测试本文技术调节车载绝缘安全工器具箱内恒湿能力，结果如图6所示。

图6 车载绝缘安全工器具箱恒湿调节结果

由图6可知，使用本文技术调节车载绝缘安全工器具箱温控模块时，可迅速使箱内湿度达到其恒定数值，且消耗时间仅为6 s左右。该结果说明，本文技术可快速调节车载绝缘安全工器具箱内的湿度，其调节温控模块能力较为优秀，具备良好的应用效果。

3 结 论

本文研究车载绝缘安全工器具箱温控模块自适应调节技术，并以情景模拟方式对本文技术进行了验证。从验证结果得知：获得的箱内温湿度数据曲线与其实际数值曲线偏差数值最大仅1%左右；融合温湿度数据后的关联度始终保持在0.95左右，且不受融合温湿度数据量增加影响；模拟得到的箱内温度变化情况符合实际；在自适应调节车载绝缘安全工器具箱温控模块时，其调节温度最大差值为0.23 ℃，低于所设置阈值0.5 ℃。

本文技术采集车载绝缘安全工器具箱温湿度较精准，同时具备较强的温湿度数据融合能力，且可有效自适应调节车载绝缘安全工器具箱温控模块，使车载绝缘安全工器具箱保持恒温恒湿状态。