基于無(wú)線傳感技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜調(diào)控儀的設(shè)計(jì)

張 靜,胡 翔,李題印,姚海燕（.浙江群里電氣有限公司; .國(guó)網(wǎng)杭州市余杭區(qū)供電公司,杭州 300）

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基于無(wú)線傳感技術(shù)的智能環(huán)網(wǎng)柜調(diào)控儀的設(shè)計(jì)

張 靜1,胡 翔1,李題印2,姚海燕2
（1.浙江群里電氣有限公司; 2.國(guó)網(wǎng)杭州市余杭區(qū)供電公司,杭州 311100）

摘 要：為解決由于開(kāi)閉所內(nèi)空氣潮悶、通風(fēng)效果差、電纜溝積水等原因而造成的環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)濕度大、電氣設(shè)備易出現(xiàn)凝露、站內(nèi)臭氧濃度高、電暈放電嚴(yán)重、絕緣被破壞、設(shè)備易被氧化等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一款智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀。該儀器由高精度數(shù)字傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、控制系統(tǒng)和參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)控制系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而起到對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用，進(jìn)而有效地提高了環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：智能環(huán)網(wǎng)柜；環(huán)境調(diào)控儀；控制系統(tǒng)

0 引言

環(huán)網(wǎng)柜作為電力系統(tǒng)中線路開(kāi)合、電力設(shè)備控制和保護(hù)的重要設(shè)備，在發(fā)電、輸電和配電的各環(huán)節(jié)中廣泛運(yùn)用，環(huán)網(wǎng)柜的安全運(yùn)行將直接影響用戶供電的可靠性。目前，環(huán)網(wǎng)柜正朝著通信網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，軟件配置先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，可靠性高，安全性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)模塊化，可組成綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)等方向發(fā)展。然而，現(xiàn)階段我國(guó)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部存在缺少對(duì)內(nèi)溫度、濕度和腐蝕性氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)；開(kāi)閉所、變電站內(nèi)空氣潮悶、通風(fēng)效果差、電纜溝積水等原因造成的環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)濕度大、電氣設(shè)備易出現(xiàn)凝露、站內(nèi)臭氧濃度高、電暈放電嚴(yán)重、絕緣被破壞、設(shè)備易被氧化等問(wèn)題[1,2]。同時(shí)，環(huán)網(wǎng)柜檢測(cè)的傳統(tǒng)方法是采取定期巡檢的方式，以單獨(dú)使用故障指示器為手段，并沒(méi)有早期故障檢測(cè)這類功能，更沒(méi)有形成配套的相關(guān)系統(tǒng)。若突發(fā)故障，只能在發(fā)生故障后使用人力逐個(gè)排查；即使涉及故障診斷也僅限于針對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的某個(gè)單項(xiàng)性能指標(biāo)，不能同時(shí)從絕緣、機(jī)械和溫升等多個(gè)角度全面判別環(huán)網(wǎng)柜的健康狀況，這種不全面的檢測(cè)方法極有可能由于各種原因造成誤判[3-4]。

1 智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置調(diào)控儀總體設(shè)計(jì)思路

本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀通過(guò)高精度數(shù)字傳感器、信號(hào)采集模塊，對(duì)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)溫度、濕度和腐蝕性氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；可以有效的改善由于開(kāi)閉所、變電站內(nèi)空氣潮悶、通風(fēng)效果差、電纜溝積水等原因造成的環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)濕度大、電氣設(shè)備易出現(xiàn)凝露、站內(nèi)臭氧濃度高、電暈放電嚴(yán)重、絕緣被破壞、設(shè)備易被氧化等問(wèn)題，提高電氣設(shè)備的使用壽命和使用安全性。

首先采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行判斷處理，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（加熱器、軸流式風(fēng)扇）進(jìn)行調(diào)節(jié)；采用分級(jí)調(diào)節(jié)的方式，具有一定的節(jié)能功能。監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的信息可以就地顯示，也可通過(guò)便攜式數(shù)據(jù)采集終端傳送至后臺(tái)管理系統(tǒng)。

環(huán)網(wǎng)柜電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)控技術(shù)可改善RM6型環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)控模塊能夠采集柜內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)，同時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)設(shè)計(jì)有效的人工環(huán)流（通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)解決）解決可能出現(xiàn)的環(huán)網(wǎng)柜及電氣設(shè)備凝露、溫度過(guò)低（高）等問(wèn)題；同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信接口，用于數(shù)據(jù)的就地顯示和上傳。

2 智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀具體實(shí)施步驟

2.1 機(jī)械功能的實(shí)現(xiàn)

（1）機(jī)械架構(gòu)。本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀選用線切割機(jī)下料，采用卡尺、萬(wàn)能角度尺進(jìn)行“三檢”，保證下料尺寸的準(zhǔn)確性以及各板件開(kāi)孔位置的準(zhǔn)確性。

本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀采用折彎?rùn)C(jī)及相關(guān)模具，保障零件加工后的尺寸精度及裝配后產(chǎn)品外觀質(zhì)量。例如背板及左、右側(cè)板的折彎加工；左、右側(cè)板、頂板及前面板采用焊接加工，在焊接過(guò)程中為了提高效率，防止焊接變形及各板件的垂直度，設(shè)計(jì)了內(nèi)模工裝。各板件的開(kāi)孔均在焊接前完成。焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行打磨清理，從工藝上保障了焊角的外觀質(zhì)量；背板及底板在產(chǎn)品調(diào)試完成后，最后安裝。

（2）關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)。本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀各關(guān)鍵部件如圖1和圖2所示。

1）測(cè)溫傳感器。測(cè)溫傳感器是用于監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的溫度的無(wú)線傳感器。

2）多級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇。本調(diào)控儀多級(jí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇是用來(lái)降低柜內(nèi)溫度的，一旦監(jiān)測(cè)到環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)運(yùn)行溫度達(dá)到或超過(guò)預(yù)警值，就啟動(dòng)風(fēng)扇并對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證環(huán)網(wǎng)柜在適宜的溫度下運(yùn)行。

3）撥碼器。本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置調(diào)控儀在使用之前要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，對(duì)其撥碼進(jìn)行以下四個(gè)參數(shù)的設(shè)置：

①溫度限值：-20℃～+60℃；

②溫度控制：設(shè)置調(diào)控儀開(kāi)始運(yùn)行所達(dá)到的溫度限值；

③站地址：設(shè)置調(diào)控儀所對(duì)應(yīng)的環(huán)網(wǎng)柜的地址；

④設(shè)備地址：設(shè)置調(diào)控儀編號(hào)。

本調(diào)控儀在第一次使用的時(shí)候，應(yīng)保證調(diào)控儀的參數(shù)與所在配電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)所需參數(shù)的一致性，否則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)不正確的情況。

2.2 控制電路功能的實(shí)現(xiàn)

本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀控制電路功能的實(shí)現(xiàn)，采用了ATmega64作為主控芯片，在線監(jiān)測(cè)電纜負(fù)荷電流等參數(shù)與環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；利用數(shù)字式溫度傳感器和濕度傳感器機(jī)對(duì)運(yùn)行溫度和實(shí)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；通過(guò)液晶、LED數(shù)碼和LED指示燈顯示各溫濕度情況和各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。另外，柜體智能操控主機(jī)可以通過(guò)RS485總線與其他設(shè)備進(jìn)行接口。

2.3 智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置調(diào)控儀功能描述

本次設(shè)計(jì)的智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)控儀的基本功能是，可通過(guò)高精度數(shù)字傳感器和信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柜體內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)，即當(dāng)柜體內(nèi)溫、濕度超出合適的運(yùn)行范圍時(shí)，控制加熱裝置、通風(fēng)裝置調(diào)節(jié)柜體內(nèi)溫、濕度到合理的范圍，其中，調(diào)控參數(shù)閥值可手動(dòng)設(shè)定；同時(shí)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)，具有報(bào)警功能；并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30天。 同樣的，該調(diào)控儀也應(yīng)具有通信功能，通過(guò)通信接口，將監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)送到就地顯示模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；同時(shí)，還可將監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)傳送至便攜式數(shù)據(jù)采集終端和后臺(tái)系統(tǒng)；另外，通過(guò)通信接口，還可利用便攜式數(shù)據(jù)采集終端對(duì)該模塊進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置和控制。另外，該儀器還具備擴(kuò)展功能，第一，設(shè)計(jì)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)通信接口和通信協(xié)議，本儀器可以和以后擴(kuò)展的其他監(jiān)控模塊進(jìn)行對(duì)接；第二，根據(jù)不同類型高低壓環(huán)網(wǎng)柜的具體應(yīng)用情況，可以對(duì)該儀器結(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行調(diào)整，能夠應(yīng)用于各種類型的室內(nèi)或室外高低壓環(huán)網(wǎng)柜。

3 性能分析

本智能環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)置環(huán)境調(diào)控儀與以往的環(huán)境調(diào)控儀相比，其具體的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

（1）智能環(huán)網(wǎng)柜環(huán)境調(diào)控儀具有多級(jí)調(diào)節(jié)功能，能根據(jù)不同安裝地的具體情況，有效控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和多級(jí)加熱片，環(huán)境調(diào)節(jié)模式多和調(diào)節(jié)改善效率高，可實(shí)時(shí)保障柜內(nèi)環(huán)境處于正常狀態(tài)，有效杜絕了引發(fā)故障的誘因產(chǎn)生；

（2）在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定方面，智能環(huán)境調(diào)控儀也做了相應(yīng)改進(jìn)，脫離了以往只可手動(dòng)設(shè)定的局限（待確定），可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)手動(dòng)面板設(shè)定或者數(shù)據(jù)采集終端設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)超出設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警的功能，為設(shè)備安全運(yùn)行增加了一道可靠的保障；

（3）相對(duì)以往簡(jiǎn)化甚至沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的缺陷，智能環(huán)境調(diào)控儀實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)30天自動(dòng)本地實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對(duì)故障檢測(cè)的原因分析提供了客觀詳實(shí)的依據(jù)；

（4）以往環(huán)境調(diào)控儀功耗過(guò)高造成故障頻發(fā)的問(wèn)題早已亟待解決，通過(guò)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的18%的傾角和物理結(jié)構(gòu)使功耗比最高，是以往環(huán)境調(diào)控儀難以企及的優(yōu)勢(shì)所在。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題所研究設(shè)計(jì)的環(huán)網(wǎng)柜電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)調(diào)控模塊能夠解決可能出現(xiàn)的環(huán)網(wǎng)柜及電氣設(shè)備凝露等問(wèn)題，從而提高開(kāi)閉所內(nèi)電氣設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行可靠性。調(diào)控模塊由高精度數(shù)字傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、控制系統(tǒng)和參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，首先采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)通過(guò)控制系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)運(yùn)行環(huán)境參數(shù)超過(guò)一定值參數(shù)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（加熱器、軸流式風(fēng)扇）進(jìn)行調(diào)節(jié)；控制系統(tǒng)一方面要調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)在合適的范圍，同時(shí)具有節(jié)能功能。其本質(zhì)為環(huán)網(wǎng)柜智能輔助模塊，模塊安裝后可提高環(huán)網(wǎng)柜的智能性，形成智能型環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品予以推廣。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.109