论基于物联网技术的端子箱驱潮系统设计
来源：UC论文网2015-12-15 23:05
摘要：
【摘 要】通过分析端子箱驱潮系统现状及需求，提出了一种基于物联网技术的驱潮系统，以达到有效提升驱潮质量的目的。该系统主要由工业除湿机、温湿度监控成套装置、无线模块、
【摘 要】通过分析端子箱驱潮系统现状及需求，提出了一种基于物联网技术的驱潮系统，以达到有效提升驱潮质量的目的。该系统主要由工业除湿机、温湿度监控成套装置、无线模块、工业控制计算机、后台服务器等设备组成，使用ZigBee无线技术、Web Service技术进行通信和控制。通过现场勘查分析可知，该驱潮系统可以保持良好的箱体内部环境，有效地降低人工劳动工作量，满足时代对物联网技术的应用需求，为探索智能电网的应用和管理提供可靠依据。
【关键词】驱潮系统 变电站 端子箱 物联网 智能电网
1 背景介绍
1.1 驱潮系统现状
端子箱作为变电站设备之间的电气回路交汇点，其运行环境好坏对变电站设备安全稳定运行有举足轻重的影响。为了保证箱体的防潮和干燥，每个端子箱内必定配有一套简易驱潮系统，它由温湿度传感器、驱潮控制器、加热板组成。通过传感器检测箱体内的温度、湿度，当温度、湿度达到设定阈值即启动或停止加热板工作，实现驱潮。
然而，传统的驱潮手段存在以下问题：
（1）人工巡视劳动量大
目前变电站普遍无人值守，每月巡视1次，每次需要2至3人检查端子箱内驱潮系统，而端子箱数目至少是检查人数的10倍以上。传统驱潮系统无自我监测的功能，仅能通过人工巡视的方式逐个查看，效率低下且人工劳作量大。
（2）无法快速准确定位故障
依靠肉眼观察状态指示灯和热成像仪测温，不便于快速判断故障所在。一般将驱潮控制器设定为自启动，检查时必须通过按下加热按钮或对传感器喷雾的方法强制触发设定条件，若驱潮控制器能够正常启动，再进一步判断传感器、加热板是否完好，通常需要约5分钟的时间。
（3）箱体内凝露现象屡见不鲜
南方地区空气湿度大，因箱体设计、密封措施老化和质量等问题，容易在箱体内形成凝露和水珠。在端子箱的设计上，由于没有统一的驱潮规范，有的安装加热器或排风扇，有的加大通风排气孔等，形式多样。因对其凝露机理片面理解，这些设计不仅无法降低端子箱内的湿度，而且可能还会适得其反，导致端子箱内二次元件锈蚀发霉，甚至造成直流接地、继电器误动等问题，威胁电网安全运行[1]。
1.2 驱潮系统信息集成化需求
随着通信技术的发展，物联网技术正在普及深入生活的方方面面。物联网实现了物体与物体、物体与人之间的通信，其通过传感数据采集、信息通信等技术，提高了各行业的生产效能和信息服务水平，典型应用主要有智慧库房系统、智慧家居、智慧城市照明、智慧物流等[2-4]。
电网是由输电线路和变电站组成的能源大网，其管理正面临与通信技术相互结合的转型。智能电网作为物联网的重要应用，得到了世界各国的高度重视。该技术的应用不仅能有效整合电力系统基础设施资源，而且还能大幅提高电力系统信息化水平和安全运行水平，保证可靠供电及优质服务水平[5-6]。
根据传统端子箱驱潮系统存在的疑难杂症[7-10]，提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统，以满足下列需求：
（1）变革端子箱驱潮系统的管理模式。通过信息化手段提高管理效率，减少人工劳动工作量。
（2）增强端子箱驱潮系统自我监测功能。通过站端主控系统对端子箱内环境数据和各模块状态统计分析，实现系统故障快速诊断定位。
（3）改善端子箱箱内环境指标。通过空气循环技术保持箱体内部干燥，有效保障二次元件功能和使用寿命。
2 系统设计方案
2.1 系统结构介绍
文献[7]和[8]提出使用通信网络对端子箱内驱潮元件运行状态进行在线监测的设想，但仍沿用传统加热板驱潮的模式；文献[9]和[10]提出加装通风装置，实现端子箱内空气流动排出水汽保持干燥的设想，做法是在每个端子箱内顶部安装一个半导体制冷除湿器，遗憾之处在于该元件成本高且空间占用大。借鉴以上设想的优势与不足，本文提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统。
该系统主要由工业除湿机、温湿度监控成套装置、无线模块、工业控制计算机、后台服务器（上级系统）等设备组成，工业除湿机与各端子箱之间通过管道相连，利用空气循环的方法实现集中式驱潮。基于物联网技术的端子箱驱潮系统结构图如图1所示：
图1 基于物联网技术的端子箱驱潮系统结构图
（1）工业除湿机：由工业控制计算机控制，循环各个端子箱箱体内空气，集中处理水汽和杂质，通过排水管将水汽排出。
（2）温湿度监控成套装置：由工业控制计算机控制，组成元件有温湿度控制模块、传感器、小型轴流风机，满足一定条件启动驱潮功能，防止凝露。
（3）无线模块：沟通温湿度监控成套装置和工业控制计算机，将定期采集的温湿度数据上传，供工业控制计算机分析决策；接收工业控制计算机发送的指令，驱动温湿度监控成套装置运作。
（4）工业控制计算机：作为系统主脑而存在，具备分析、控制、通信、报警等功能，智能化协调各个部件灵活运作。
（5）后台服务器：通过光缆与工业控制计算机相连，提供人机对话界面，由Access数据库存储不同箱体参数及温湿度数据。接入互联网系统，通过Web Service技术实现外部访问和数据共享。
（6）主控箱：放置工业控制计算机、工业除湿机、集成线路、通风管道的容器。
2.2 主要功能描述
（1）ZigBee无线网络技术应用
ZigBee是一种用于控制和监视各种系统的低数据速率、低功耗联网的无线标准，拟应用于环境控制系统、安全系统、工业传感器以及医疗监控系统等传输数据量少、负载周期短的系统。在需要监控的端子箱中，各安装一套温湿度监控成套装置对变电站各端子箱的温湿度数据24小时不间断监测、控制、越限报警、存储和访问。温湿度监控成套装置包含温湿度控制模块1个、传感器2个、小型轴流风机2个。其中，风机A可逆时针旋转，风机B可顺时针旋转，受控于温湿度控制模块，辅助促进箱体内空气流动。温湿度监控成套装置与工业控制计算机之间由ZigBee无线网络构成通信链路，实现温湿度数据上传、参数设置、指令接收和反馈。（2）工业控制计算机信息化管理平台
采用集中管理方式，采集和显示各个端子箱的温湿度数据，可灵活设置温湿度控制范围，对温湿度越限、各站元件故障等事件进行记录和报警。每分钟采集各个端子箱温湿度数据1次，保存于工业控制计算机ROM；数据分析完毕即向各个温湿度控制模块发送指令。
（3）基于Web Service远程方法调用
工业控制计算机数据与后台服务器通过光缆+光电转换器模式实现数据同步，使用相同的人机交互程序接入Internet。后台服务器每5分钟1次从工业控制计算机ROM读取数据保存入本地Access数据库。通过Web Service组件即可实现系统间的数据共享，解决不同局域网所采用的通信标准、平台和技术不同带来的困难[11]，只需要访问固定IP，即可通过不同电脑终端访问后台服务器数据库，便于远程监控，具备良好的开放性和可扩展性。
3 现场勘查和设备选型
3.1 现场勘查
根据需求，选定某220kV变电站作为试点，现场勘查当地的地理位置、环境特征、端子箱位置分布，可得到以下信息：
（1）地理位置：坐标（北纬23°，东经107°），四面环山，附近有一条江河。
（2）环境特征：常年环境温度5℃～37℃，湿度50%～90% RH。周围均为强电场环境，存在电磁波干扰。
（3）端子箱位置分布：相同电压等级设备区端子箱水平排列，220kV设备区端子箱相邻间隔12m，共10个，首尾直线跨度110m；110kV设备区端子箱相邻间隔6.5m，共15个，首尾直线跨度91m。
3.2 设备选型
根据现场勘查信息进行建模设计，确定ZigBee网络拓扑结构、设备摆放位置、设备类型和参数等。
（1）ZigBee网络拓扑
结合各个端子箱位置分布，决定采用星型拓扑结构，这种结构主要由中心节点和终端节点组成，适合实时性要求高、节点数目少的情况。其中：
◆中心节点：在星型网络中，所有通信由该节点发起，它可以和任何一个终端节点通信。该类型节点的ZigBee模块安装于主控箱内，天线引出室外。
◆终端节点：受中心节点控制，只能够和中心节点通信。该类型节点的ZigBee模块安装于各个端子箱内，天线引出至箱体外部。
（2）设备类型和参数
所有设备考虑环境气候影响，选用工业级产品；交流220V电源统一从低压配电室引出，每个端子箱内提供电源插座，通过交直流转换充电器给无线模块供电。主要设备的型号和参数如表1所示：
4 系统功能验证
基于现场实际和需求定位，为保证设备能在相对良好的环境下持续工作，选择试点变电站110kV设备区3个密封不严的箱体作为测试对象开展研究应用。
预先在实验室将模块编号，使用C语言编写ZigBee无线网络中心节点与终端节点的通信程序；使用C#语言开发基于ASP.NET框架的服务器终端程序，调试无误后将设备拿到现场安装。基于物联网技术的端子箱驱潮系统安装位置俯视图如图2所示。
具体步骤如下：
（1）启动站端主控系统和后台服务器，温湿度传感器将定期采集各个端子箱内的温度和湿度。使用标准温湿度测量仪作为参考量，校正系统参数。
（2）用喷雾法提高箱体内部湿度，强制满足驱潮启动条件，检验系统能否自动触发驱潮功能。确定当各个模块正常时，运行指示灯亮，告警灯灭，后台无告警报文。
（3）分别设置3个端子箱驱潮系统工作状态：测试箱A，仅靠传统加热板持续加热驱潮；测试箱B，不使用任何驱潮手段；测试箱C，接入基于物联网技术的端子箱驱潮系统，采集湿度数据作为驱潮系统启动或停止的判断量（温度数据仅供参考），当湿度≥45%启动，当湿度≤40%停止。
（4）抽选2015年3月某日07：00、10：00、13：00、17：00、20：00、23：00这6个时刻对3个测试箱体内部湿度进行监控记录，同时与大气湿度做对比，数据如表2所示。
由表2可知，使用传统加热板加热驱潮的测试箱A虽然内部湿度得到一定控制，但是受大气影响仍然存在明显波动；不使用任何驱潮手段的测试箱B内部湿度接近大气湿度；使用基于物联网技术的端子箱驱潮系统的测试箱C内部湿度得到有效控制，基本稳定在设定的阈值附近，驱潮效果好。
5 结束语
根据当前端子箱驱潮系统存在的问题及发展需求，提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统。鉴于测试箱C的良好效果，目前已将驱潮管道连通至测试箱A和B，经过较长时间运行验证，加装新驱潮系统的3个箱体均能有效保持干燥，未再出现凝露现象，即使大雨后渗水也能迅速干燥。而且当该系统某元件出现问题时，后台也能及时告警，从而节约查找故障时间，提高系统智能化程度。
下一步，将敷设驱潮管道延伸至110kV设备区所有端子箱，检验集中式驱潮对较远距离端子箱的空气循环能力；同时，将后台服务延伸至手机终端，借助移动LTE网络实现信息高速、高效传递，优化人机对话服务。
目前，物联网技术在智能电网中的主要应用是无线抄表、输电线路状态在线监测。本文提出的基于物联网技术的端子箱驱潮系统的成功应用，将为物联网技术在变电站中的应用提供又一新的参考依据，符合未来智能电网的建设发展趋势。
参考文献：
[1] 冯旭. 变电站端子箱凝露现象探究及改进[J]. 大众用电， 2011（12）： 27-28.
[2] 邵建，黄何，杭跃斌. 基于物联网技术的智慧城市生活[J]. 移动通信， 2014（21）： 77-81.
[3] 唐美华，王峰，黄航. 基于城市照明的物联网综合解决方案[J]. 移动通信， 2014（21）： 42-45.
[4] 张琨，刘春梅，彭景. 打造物联网时代的智慧物流[J]. 移动通信， 2014（16）： 77-81.
【关键词】驱潮系统 变电站 端子箱 物联网 智能电网
1 背景介绍
1.1 驱潮系统现状
端子箱作为变电站设备之间的电气回路交汇点，其运行环境好坏对变电站设备安全稳定运行有举足轻重的影响。为了保证箱体的防潮和干燥，每个端子箱内必定配有一套简易驱潮系统，它由温湿度传感器、驱潮控制器、加热板组成。通过传感器检测箱体内的温度、湿度，当温度、湿度达到设定阈值即启动或停止加热板工作，实现驱潮。
然而，传统的驱潮手段存在以下问题：
（1）人工巡视劳动量大
目前变电站普遍无人值守，每月巡视1次，每次需要2至3人检查端子箱内驱潮系统，而端子箱数目至少是检查人数的10倍以上。传统驱潮系统无自我监测的功能，仅能通过人工巡视的方式逐个查看，效率低下且人工劳作量大。
（2）无法快速准确定位故障
依靠肉眼观察状态指示灯和热成像仪测温，不便于快速判断故障所在。一般将驱潮控制器设定为自启动，检查时必须通过按下加热按钮或对传感器喷雾的方法强制触发设定条件，若驱潮控制器能够正常启动，再进一步判断传感器、加热板是否完好，通常需要约5分钟的时间。
（3）箱体内凝露现象屡见不鲜
南方地区空气湿度大，因箱体设计、密封措施老化和质量等问题，容易在箱体内形成凝露和水珠。在端子箱的设计上，由于没有统一的驱潮规范，有的安装加热器或排风扇，有的加大通风排气孔等，形式多样。因对其凝露机理片面理解，这些设计不仅无法降低端子箱内的湿度，而且可能还会适得其反，导致端子箱内二次元件锈蚀发霉，甚至造成直流接地、继电器误动等问题，威胁电网安全运行[1]。
1.2 驱潮系统信息集成化需求
随着通信技术的发展，物联网技术正在普及深入生活的方方面面。物联网实现了物体与物体、物体与人之间的通信，其通过传感数据采集、信息通信等技术，提高了各行业的生产效能和信息服务水平，典型应用主要有智慧库房系统、智慧家居、智慧城市照明、智慧物流等[2-4]。
电网是由输电线路和变电站组成的能源大网，其管理正面临与通信技术相互结合的转型。智能电网作为物联网的重要应用，得到了世界各国的高度重视。该技术的应用不仅能有效整合电力系统基础设施资源，而且还能大幅提高电力系统信息化水平和安全运行水平，保证可靠供电及优质服务水平[5-6]。
根据传统端子箱驱潮系统存在的疑难杂症[7-10]，提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统，以满足下列需求：
（1）变革端子箱驱潮系统的管理模式。通过信息化手段提高管理效率，减少人工劳动工作量。
（2）增强端子箱驱潮系统自我监测功能。通过站端主控系统对端子箱内环境数据和各模块状态统计分析，实现系统故障快速诊断定位。
（3）改善端子箱箱内环境指标。通过空气循环技术保持箱体内部干燥，有效保障二次元件功能和使用寿命。
2 系统设计方案
2.1 系统结构介绍
文献[7]和[8]提出使用通信网络对端子箱内驱潮元件运行状态进行在线监测的设想，但仍沿用传统加热板驱潮的模式；文献[9]和[10]提出加装通风装置，实现端子箱内空气流动排出水汽保持干燥的设想，做法是在每个端子箱内顶部安装一个半导体制冷除湿器，遗憾之处在于该元件成本高且空间占用大。借鉴以上设想的优势与不足，本文提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统。
该系统主要由工业除湿机、温湿度监控成套装置、无线模块、工业控制计算机、后台服务器（上级系统）等设备组成，工业除湿机与各端子箱之间通过管道相连，利用空气循环的方法实现集中式驱潮。基于物联网技术的端子箱驱潮系统结构图如图1所示：
图1 基于物联网技术的端子箱驱潮系统结构图
（1）工业除湿机：由工业控制计算机控制，循环各个端子箱箱体内空气，集中处理水汽和杂质，通过排水管将水汽排出。
（2）温湿度监控成套装置：由工业控制计算机控制，组成元件有温湿度控制模块、传感器、小型轴流风机，满足一定条件启动驱潮功能，防止凝露。
（3）无线模块：沟通温湿度监控成套装置和工业控制计算机，将定期采集的温湿度数据上传，供工业控制计算机分析决策；接收工业控制计算机发送的指令，驱动温湿度监控成套装置运作。
（4）工业控制计算机：作为系统主脑而存在，具备分析、控制、通信、报警等功能，智能化协调各个部件灵活运作。
（5）后台服务器：通过光缆与工业控制计算机相连，提供人机对话界面，由Access数据库存储不同箱体参数及温湿度数据。接入互联网系统，通过Web Service技术实现外部访问和数据共享。
（6）主控箱：放置工业控制计算机、工业除湿机、集成线路、通风管道的容器。
2.2 主要功能描述
（1）ZigBee无线网络技术应用
ZigBee是一种用于控制和监视各种系统的低数据速率、低功耗联网的无线标准，拟应用于环境控制系统、安全系统、工业传感器以及医疗监控系统等传输数据量少、负载周期短的系统。在需要监控的端子箱中，各安装一套温湿度监控成套装置对变电站各端子箱的温湿度数据24小时不间断监测、控制、越限报警、存储和访问。温湿度监控成套装置包含温湿度控制模块1个、传感器2个、小型轴流风机2个。其中，风机A可逆时针旋转，风机B可顺时针旋转，受控于温湿度控制模块，辅助促进箱体内空气流动。温湿度监控成套装置与工业控制计算机之间由ZigBee无线网络构成通信链路，实现温湿度数据上传、参数设置、指令接收和反馈。（2）工业控制计算机信息化管理平台
采用集中管理方式，采集和显示各个端子箱的温湿度数据，可灵活设置温湿度控制范围，对温湿度越限、各站元件故障等事件进行记录和报警。每分钟采集各个端子箱温湿度数据1次，保存于工业控制计算机ROM；数据分析完毕即向各个温湿度控制模块发送指令。
（3）基于Web Service远程方法调用
工业控制计算机数据与后台服务器通过光缆+光电转换器模式实现数据同步，使用相同的人机交互程序接入Internet。后台服务器每5分钟1次从工业控制计算机ROM读取数据保存入本地Access数据库。通过Web Service组件即可实现系统间的数据共享，解决不同局域网所采用的通信标准、平台和技术不同带来的困难[11]，只需要访问固定IP，即可通过不同电脑终端访问后台服务器数据库，便于远程监控，具备良好的开放性和可扩展性。
3 现场勘查和设备选型
3.1 现场勘查
根据需求，选定某220kV变电站作为试点，现场勘查当地的地理位置、环境特征、端子箱位置分布，可得到以下信息：
（1）地理位置：坐标（北纬23°，东经107°），四面环山，附近有一条江河。
（2）环境特征：常年环境温度5℃～37℃，湿度50%～90% RH。周围均为强电场环境，存在电磁波干扰。
（3）端子箱位置分布：相同电压等级设备区端子箱水平排列，220kV设备区端子箱相邻间隔12m，共10个，首尾直线跨度110m；110kV设备区端子箱相邻间隔6.5m，共15个，首尾直线跨度91m。
3.2 设备选型
根据现场勘查信息进行建模设计，确定ZigBee网络拓扑结构、设备摆放位置、设备类型和参数等。
（1）ZigBee网络拓扑
结合各个端子箱位置分布，决定采用星型拓扑结构，这种结构主要由中心节点和终端节点组成，适合实时性要求高、节点数目少的情况。其中：
◆中心节点：在星型网络中，所有通信由该节点发起，它可以和任何一个终端节点通信。该类型节点的ZigBee模块安装于主控箱内，天线引出室外。
◆终端节点：受中心节点控制，只能够和中心节点通信。该类型节点的ZigBee模块安装于各个端子箱内，天线引出至箱体外部。
（2）设备类型和参数
所有设备考虑环境气候影响，选用工业级产品；交流220V电源统一从低压配电室引出，每个端子箱内提供电源插座，通过交直流转换充电器给无线模块供电。主要设备的型号和参数如表1所示：
4 系统功能验证
基于现场实际和需求定位，为保证设备能在相对良好的环境下持续工作，选择试点变电站110kV设备区3个密封不严的箱体作为测试对象开展研究应用。
预先在实验室将模块编号，使用C语言编写ZigBee无线网络中心节点与终端节点的通信程序；使用C#语言开发基于ASP.NET框架的服务器终端程序，调试无误后将设备拿到现场安装。基于物联网技术的端子箱驱潮系统安装位置俯视图如图2所示。
具体步骤如下：
（1）启动站端主控系统和后台服务器，温湿度传感器将定期采集各个端子箱内的温度和湿度。使用标准温湿度测量仪作为参考量，校正系统参数。
（2）用喷雾法提高箱体内部湿度，强制满足驱潮启动条件，检验系统能否自动触发驱潮功能。确定当各个模块正常时，运行指示灯亮，告警灯灭，后台无告警报文。
（3）分别设置3个端子箱驱潮系统工作状态：测试箱A，仅靠传统加热板持续加热驱潮；测试箱B，不使用任何驱潮手段；测试箱C，接入基于物联网技术的端子箱驱潮系统，采集湿度数据作为驱潮系统启动或停止的判断量（温度数据仅供参考），当湿度≥45%启动，当湿度≤40%停止。
（4）抽选2015年3月某日07：00、10：00、13：00、17：00、20：00、23：00这6个时刻对3个测试箱体内部湿度进行监控记录，同时与大气湿度做对比，数据如表2所示。
由表2可知，使用传统加热板加热驱潮的测试箱A虽然内部湿度得到一定控制，但是受大气影响仍然存在明显波动；不使用任何驱潮手段的测试箱B内部湿度接近大气湿度；使用基于物联网技术的端子箱驱潮系统的测试箱C内部湿度得到有效控制，基本稳定在设定的阈值附近，驱潮效果好。
5 结束语
根据当前端子箱驱潮系统存在的问题及发展需求，提出基于物联网技术的端子箱驱潮系统。鉴于测试箱C的良好效果，目前已将驱潮管道连通至测试箱A和B，经过较长时间运行验证，加装新驱潮系统的3个箱体均能有效保持干燥，未再出现凝露现象，即使大雨后渗水也能迅速干燥。而且当该系统某元件出现问题时，后台也能及时告警，从而节约查找故障时间，提高系统智能化程度。
下一步，将敷设驱潮管道延伸至110kV设备区所有端子箱，检验集中式驱潮对较远距离端子箱的空气循环能力；同时，将后台服务延伸至手机终端，借助移动LTE网络实现信息高速、高效传递，优化人机对话服务。
目前，物联网技术在智能电网中的主要应用是无线抄表、输电线路状态在线监测。本文提出的基于物联网技术的端子箱驱潮系统的成功应用，将为物联网技术在变电站中的应用提供又一新的参考依据，符合未来智能电网的建设发展趋势。
参考文献：
[1] 冯旭. 变电站端子箱凝露现象探究及改进[J]. 大众用电， 2011（12）： 27-28.
[2] 邵建，黄何，杭跃斌. 基于物联网技术的智慧城市生活[J]. 移动通信， 2014（21）： 77-81.
[3] 唐美华，王峰，黄航. 基于城市照明的物联网综合解决方案[J]. 移动通信， 2014（21）： 42-45.
[4] 张琨，刘春梅，彭景. 打造物联网时代的智慧物流[J]. 移动通信， 2014（16）： 77-81.
