基于NB-IoT的戶(hù)外端子箱溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蔡岳峰，羅 斌，楊 曦

（浙江省電力有限公司檢修分公司，浙江 杭州 311232）

端子箱作為變電站中承擔(dān)一次設(shè)備和二次設(shè)備聯(lián)系包括保護(hù)回路、控制回路、測(cè)量回路等回路中相關(guān)量的獲取的重要組成部分，其運(yùn)行的狀況直接影響到整個(gè)變電站的安全和健康。由于端子箱一般處于戶(hù)外，常年經(jīng)風(fēng)吹、日曬、雨淋等，造成端子箱往往會(huì)發(fā)生銹蝕、進(jìn)水、凝露等現(xiàn)象，易引起二次回路的絕緣降低，繼而形成接地短路，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行和事故處理產(chǎn)生不利的影響。而目前變電站中對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)并不包括對(duì)端子箱，往往只有等問(wèn)題發(fā)生或者在定期的檢查才能發(fā)現(xiàn)，不能提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理，給安全運(yùn)行埋下了隱患。同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的疏忽或者端子箱自身的原因，有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)箱門(mén)沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，在有雨的天氣容易造成雨水的進(jìn)入，易造成短路、接地等故障，影響設(shè)備的安全運(yùn)行[1]。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文擬設(shè)計(jì)一套變電站端子箱溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)戶(hù)外端子箱內(nèi)的溫濕度（包括凝露、門(mén)禁）的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，從而快速而準(zhǔn)確地掌握端子箱內(nèi)工況，并對(duì)有問(wèn)題的端子箱及時(shí)處理，避免對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

1 系統(tǒng)需求分析

鑒于變電站端子箱所處的環(huán)境以及具有的重要性，端子箱內(nèi)一般都安裝了驅(qū)潮加熱設(shè)備如加熱器，但是對(duì)端子箱內(nèi)的溫濕度是否在合理的范圍內(nèi)、有沒(méi)有凝露等信息依舊是無(wú)法及時(shí)獲取，不能有效的解決目前存在的問(wèn)題。事實(shí)上，由于加熱器的功率、安裝位置以及環(huán)境溫濕度等相關(guān)因素，造成加熱器并不能很好的解決端子箱內(nèi)濕度大、凝露等問(wèn)題。另外，由于各種原因造成的端子箱門(mén)未關(guān)閉依舊靠人工巡視因此，希望采用的系統(tǒng)能有以下相關(guān)功能：

為了能時(shí)刻獲取端子箱內(nèi)的溫濕度情況，希望該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)。另外，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定閾值，并進(jìn)行告警；

當(dāng)端子箱內(nèi)有凝露發(fā)生時(shí)，能夠檢測(cè)到，并及時(shí)發(fā)出告警[2]；

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)端子箱箱門(mén)位置發(fā)生變化時(shí)，能及時(shí)偵測(cè)到，并對(duì)發(fā)生的變化情況進(jìn)行提醒；

對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、顯示以及分析等功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的需求，本文設(shè)計(jì)了一套端子箱溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由安裝于端子箱內(nèi)的溫濕度監(jiān)測(cè)模塊和遠(yuǎn)程后臺(tái)2 部分所組成。其主要工作原理為：溫濕度監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)相關(guān)的傳感器獲取端子箱內(nèi)的溫濕度、凝露以及門(mén)禁的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)后臺(tái)。遠(yuǎn)程后臺(tái)將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示以及提供數(shù)據(jù)的分析功能。

考慮到變電站現(xiàn)場(chǎng)端子箱一般分布面積大且比較分散，如果采用有線(xiàn)傳輸，則現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)存在工作量大、成本高且后續(xù)維護(hù)復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此，無(wú)線(xiàn)傳輸就成為該系統(tǒng)比較好的選擇。同時(shí)，由于避免裝置外接電源或者頻繁更換電池等，需要設(shè)備具有低功耗的特點(diǎn)。低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）具備廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接的特點(diǎn)，能很好的滿(mǎn)足上述需求。

低功耗廣域網(wǎng)又可以分為以下2 類(lèi)：一個(gè)是工作于未授權(quán)頻譜的如LoRa；一個(gè)是工作于授權(quán)頻譜下如NB-ⅠoT。LoRa、NB-ⅠoT的區(qū)別主要在于頻段、服務(wù)質(zhì)量和成本幾個(gè)方面。其中LoRa工作在1 GHz以下的非授權(quán)頻段，在應(yīng)用時(shí)不需要額外付費(fèi)。而NB-ⅠoT使用1 GHz以下的授權(quán)頻段，需要付費(fèi)但能保證服務(wù)質(zhì)量。另外，由于LoRa是由Semtech公司推出的一款基于1 GHz 以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，而NB-ⅠoT標(biāo)準(zhǔn)的制定中國(guó)公司占據(jù)重要地位。綜合考慮到數(shù)據(jù)的可靠性、成本、安全性等，本文中采用NB-ⅠoT實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 溫濕度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

為了避免從端子箱新引出接線(xiàn)來(lái)給裝置提供電源，本設(shè)計(jì)在采用低功耗的相關(guān)元器件來(lái)設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，采用鋰電池供電[3-5]。該裝置主要包括以下4個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫濕度監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

溫濕度測(cè)量：采用溫濕度傳感器獲取端子箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)：本設(shè)計(jì)中對(duì)溫濕度的測(cè)量采用瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的具有接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器SHT11，其包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕原件、一個(gè)能隙式測(cè)溫元件、一個(gè)14位的A/D 轉(zhuǎn)換器，以及串行接口電路，具有測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。

其中，露點(diǎn)是一個(gè)特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達(dá)到的最低溫度。當(dāng)空氣的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，空氣容納不了過(guò)多的水分，這些水分會(huì)變成霧、露水或霜。露點(diǎn)可以根據(jù)當(dāng)前相對(duì)濕度值和溫度值計(jì)算得出。

凝露探測(cè)：采用水滴傳感器，當(dāng)有凝露發(fā)生在水滴傳感器表面，即導(dǎo)通回路發(fā)出信號(hào)：水滴傳感器為一塊表面布滿(mǎn)柵極電極的面板，當(dāng)其表面有水滴時(shí)，則會(huì)輸出低電平，可放置在端子箱內(nèi)易凝露或積水處。

門(mén)禁監(jiān)測(cè)：通過(guò)在門(mén)和箱體分別安裝門(mén)磁接近開(kāi)關(guān)部件（干簧管和永久磁鐵），當(dāng)門(mén)和箱體的距離大于或者小于一定的距離時(shí)，將回路斷開(kāi)或者接通，從而產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)。干簧管有兩片端點(diǎn)處重疊的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，簧片的作用相當(dāng)與一個(gè)磁通導(dǎo)體。再靠近（遠(yuǎn)離磁場(chǎng)）時(shí)，通過(guò)簧片的吸合（釋放）導(dǎo)通（斷開(kāi)）電路。

數(shù)據(jù)通信模塊：采用上海移遠(yuǎn)通信的BC28，其是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-ⅠoT無(wú)線(xiàn)通信模塊，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 頻段。其緊湊的尺寸、超低功耗以及超寬工作溫度范圍能很適合本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

中央處理器：采用意法半導(dǎo)體公司的超低功耗的STM32L0 系列單片機(jī)進(jìn)行各傳感器以及NB-ⅠoT的控制。

4 遠(yuǎn)程后臺(tái)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送至后臺(tái)的數(shù)據(jù)，為了便于運(yùn)維人員查看和分析，還要對(duì)進(jìn)行可視化顯示[6]，如圖3所示。

圖3 后臺(tái)顯示示意圖

當(dāng)有參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，會(huì)生成一個(gè)相應(yīng)的告警信息，并在相應(yīng)的后臺(tái)端子箱圖形顯示上進(jìn)行紅色告警，便于運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，后臺(tái)應(yīng)具備：

存儲(chǔ)各端子箱發(fā)送來(lái)的各類(lèi)數(shù)據(jù)，以備在需要的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析；

統(tǒng)計(jì)告警的設(shè)備、正常的設(shè)備、告警的類(lèi)別等，方便運(yùn)維人員進(jìn)行分類(lèi)查看，快速的獲取所關(guān)心的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套戶(hù)外端子箱溫濕度，該系統(tǒng)在不增加現(xiàn)場(chǎng)接線(xiàn)的前提下，采用低功耗元器件和電池供電，能及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)端子箱內(nèi)的溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，結(jié)合遠(yuǎn)程后臺(tái)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分類(lèi)，協(xié)助運(yùn)維人員方便快捷的獲取端子箱的運(yùn)行工況，能有的放矢的對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)處理，避免問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)造成的設(shè)備故障，提高了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維工作的效率和設(shè)備運(yùn)行的安全性。