謝 亮

(南京供電公司，江蘇南京210013)

戶(hù)外端子箱在變電站起著動(dòng)力、控制、測(cè)量和保護(hù)作用。戶(hù)外端子箱對(duì)于提高二次回路的絕緣和電氣性能，防止因二次回路絕緣和老化問(wèn)題引發(fā)的各種缺陷與異常，確保主設(shè)備及其系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。

1 提出方案

在晝夜溫差大且空氣潮濕的地方，空氣中的水分遇冷，通常就會(huì)凝結(jié)成小水珠。戶(hù)外端子箱經(jīng)過(guò)白晝太陽(yáng)的暴曬以及內(nèi)部電器的發(fā)熱，深夜時(shí)柜體箱壁溫度下降，柜體內(nèi)潮濕的熱空氣碰到冰冷的箱壁形成了凝露。水珠可能凝結(jié)在戶(hù)外端子箱柜體內(nèi)的頂部和內(nèi)壁，凝結(jié)的水珠在重力的作用下，就會(huì)滴落至正在運(yùn)行的端子排上。戶(hù)外端子箱一旦受潮嚴(yán)重，將導(dǎo)致端子箱內(nèi)的運(yùn)行環(huán)境變差，進(jìn)而使得交直流回路對(duì)地絕緣電阻降低，造成二次回路接地或短路，這將造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)等，甚至造成斷路器的誤動(dòng)，危害極大。另外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)戶(hù)外端子箱受潮嚴(yán)重后，還需要冒著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)更換端子排或端子箱，甚至將所涉設(shè)備和回路停電，同樣存在著嚴(yán)重的事故隱患。因此，加強(qiáng)對(duì)戶(hù)外端子箱的日常除濕、防潮處理就顯得尤為重要。

目前常見(jiàn)的戶(hù)外端子箱除濕、防潮處理方法有2種。（1）在戶(hù)外端子箱內(nèi)加裝電爐絲，通過(guò)人工手動(dòng)開(kāi)啟。（2）安裝自動(dòng)檢測(cè)溫濕度的裝置進(jìn)行除濕。普遍使用的是方法（1），運(yùn)行人員在日常巡視中根據(jù)天氣情況或查看端子箱內(nèi)部凝露情況進(jìn)行人工手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉端子箱加熱器。但是該方法無(wú)法在溫度和濕度變化后立即啟動(dòng)和停止，因其為人工操作，存在容易遺忘的問(wèn)題，且沒(méi)有完善的監(jiān)視回路，無(wú)法監(jiān)測(cè)加熱器可能出現(xiàn)斷線(xiàn)的情況。管理稍不到位就容易出現(xiàn)端子排受潮造成諸如誤跳斷路器等之類(lèi)的事故。

少數(shù)變電站的戶(hù)外端子箱安裝了自動(dòng)檢測(cè)溫濕度和自動(dòng)除濕裝置，運(yùn)行效果良好。但是如果過(guò)于依賴(lài)自動(dòng)除濕裝置，一旦自動(dòng)除濕裝置發(fā)生故障，由于沒(méi)有故障報(bào)警功能，運(yùn)行人員疏于檢查時(shí)，同樣也會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。

與目前使用的自動(dòng)加熱器不同，戶(hù)外端子箱智能加熱器不僅能夠自動(dòng)檢測(cè)端子箱內(nèi)部的溫度、濕度，根據(jù)設(shè)定的定值自動(dòng)啟動(dòng)和關(guān)閉加熱器，還具有完善的自我監(jiān)測(cè)報(bào)警功能[1]，一旦發(fā)生加熱回路斷線(xiàn)、過(guò)度潮濕或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法改善端子箱內(nèi)部溫濕度，戶(hù)外端子箱智能加熱器通過(guò)RS-485總線(xiàn)上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行報(bào)警[2]，告知運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和修理。與現(xiàn)有端子箱相比，戶(hù)外端子箱智能加熱器只增加了箱璧測(cè)溫、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)通信和報(bào)警功能有關(guān)的少量軟硬件，既控制了成本，又增強(qiáng)了設(shè)備的功能，提高了安全運(yùn)行可靠性。

2 智能加熱器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能加熱器包括電源模塊、地址編碼器、MCU模塊、看門(mén)狗模塊、光電隔離模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)接口、狀態(tài)反饋電路、顯示接口模塊、RS-485數(shù)據(jù)接口模塊、箱內(nèi)溫濕度傳感器、箱內(nèi)璧溫度傳感器和電加熱器組件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能加熱器系統(tǒng)框圖

3 智能加熱器的硬件設(shè)計(jì)

MCU模塊使用C8051F410微控制器，它是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)8051兼容的微控制器核，達(dá)32 kB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，2304 B片內(nèi)RAM，硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus并兼容I2C總線(xiàn)、增強(qiáng)型UART串行接口和增強(qiáng)型SPI串行接口，4個(gè)通用的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，多達(dá)24個(gè)端口I/O，真12位每秒采樣200 000次的24通道ADC、帶模擬多路器等。

電源模塊把工頻交流電轉(zhuǎn)換成戶(hù)外端子箱內(nèi)各個(gè)模塊的工作電源后，為它們供電。

顯示接口是與MCU模塊相連，將MCU模塊采集處理后的溫濕度送顯示。

RS-485通信模塊，是通過(guò)RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

箱內(nèi)溫濕度傳感器和箱內(nèi)壁溫度傳感器的輸出接入光電隔離接口，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，傳給MCU模塊。

地址編碼器與MCU模塊連接，是為智能加熱器設(shè)定身份標(biāo)識(shí)碼，在通信網(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)了地址的唯一性。通過(guò)8位撥碼開(kāi)關(guān)和74HC165來(lái)實(shí)現(xiàn)，74HC165是并入串出8位移位寄存器，8位撥碼開(kāi)關(guān)與74HC165連接，再由74HC165的“/CE_ADDR”、“CP_ADDR”和“DATA_ADDR”3 個(gè)輸出線(xiàn)與 MCU模塊連接，其電路圖如圖2所示。

圖2 地址編碼器電路

驅(qū)動(dòng)接口，是MCU模塊將控制信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)接口，驅(qū)動(dòng)接口驅(qū)動(dòng)電加熱器組件工作。其通過(guò)MMBT489LT1和G6B-2214來(lái)實(shí)現(xiàn)，G6B-2214為常開(kāi)型繼電器，MCU模塊通過(guò)控制 “〈-HeatFan”信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電加熱器組件，當(dāng)置“〈-HeatFan”信號(hào)為高時(shí)，G6B-2214繼電器動(dòng)作，其干觸點(diǎn)閉合，“Heat+”和“Heat-”導(dǎo)通，“Fan+”和“Fan-”導(dǎo)通，即驅(qū)動(dòng)電加熱組件（加熱器和風(fēng)扇）工作。當(dāng)置“〈-HeatFan”信號(hào)為低時(shí)，G6B-2214繼電器不工作，其干觸點(diǎn)斷開(kāi)，“Heat+”和“Heat-”斷開(kāi)，“Fan+”和“Fan-”斷開(kāi)，即禁止電加熱組件（加熱器和風(fēng)扇）工作。“Heat+”連接電加熱器，“Fan+”連接風(fēng)扇。其電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)接口電路

狀態(tài)反饋接口，是檢測(cè)加熱器組件的工作狀態(tài)，將狀態(tài)反饋給MCU模塊。MCU模塊通過(guò)實(shí)時(shí)讀取“HeatFB_IN”和“FanFB_IN”信號(hào)來(lái)偵測(cè)加熱器組件的工作狀態(tài)，當(dāng)加熱主件（電加熱器、風(fēng)扇等）發(fā)生異常時(shí)（如短路、斷路），MCU模塊會(huì)給出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)485接口上傳給監(jiān)控中心。狀態(tài)反饋接口電路如圖4所示。

圖4 狀態(tài)反饋接口電路

看門(mén)狗模塊與MCU模塊連接，以此檢測(cè)MCU的工作運(yùn)行狀態(tài)。看門(mén)狗選用CAT1023，它利用低功耗CMOS技術(shù)將2 kB的串行EEPROM存儲(chǔ)器和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)。存儲(chǔ)器采用400 kHz的I2C總線(xiàn)接口。2 kB的串行EEPROM存儲(chǔ)器可存放溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值等參數(shù)，MCU模塊通過(guò)與“SCL”和“SDA”的連接進(jìn)行I2C通信實(shí)現(xiàn)存取數(shù)據(jù)功能。CAT1023可防止MCU模塊的系統(tǒng)程序進(jìn)入死循環(huán)、或程序跑飛?？杀O(jiān)控系統(tǒng)電源電路如圖5所示。

圖5 看門(mén)狗電路

4 智能加熱器的軟件設(shè)計(jì)

軟件上，智能加熱器完成溫濕度采集數(shù)據(jù)的處理、邏輯判斷、加熱器的輸入輸出控制、自檢、通信、報(bào)警、自啟動(dòng)等功能。

工作過(guò)程：MCU模塊在上電或復(fù)位后，先進(jìn)行初始化，再進(jìn)行自檢，如果有故障則進(jìn)行報(bào)警，如果沒(méi)有故障則采集和處理箱外溫濕度傳感器和箱內(nèi)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)；然后MCU模塊根據(jù)采集處理過(guò)后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)反饋電路反饋給MCU的電加熱器組件的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行電加熱器組件是否開(kāi)啟或關(guān)閉的動(dòng)作邏輯判斷、控制；看門(mén)狗模塊監(jiān)控MCU模塊無(wú)誤后，最后與監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行通信，把檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)和智能加熱器的運(yùn)行狀態(tài)、電加熱器組件的工作狀態(tài)、報(bào)警信息上傳監(jiān)控后臺(tái)。智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能加熱器軟件結(jié)構(gòu)

部分程序如下：

5 智能加熱器的應(yīng)用組網(wǎng)

智能加熱器內(nèi)部有485接口電路，RS-485總線(xiàn)將變電站中各戶(hù)外端子箱智能加熱器與監(jiān)控后臺(tái)聯(lián)系成一體，進(jìn)行分散運(yùn)行、集中監(jiān)控，從而組成了戶(hù)外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)。

各戶(hù)外端子箱智能加熱器將檢測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)和自身運(yùn)行情況或報(bào)警信息上傳給后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)下達(dá)命令控制智能加熱器的開(kāi)啟或關(guān)閉，也可以對(duì)其溫濕度定值進(jìn)行修改，方便運(yùn)行人員的操作和控制。智能戶(hù)外端子箱監(jiān)控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 戶(hù)外端子箱智能加熱器監(jiān)控系統(tǒng)

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，使用智能加熱器的變電站，減少了戶(hù)外巡視、人工開(kāi)啟或關(guān)閉加熱器的操作，從根本上克服了因加熱器異常損壞造成的凝露現(xiàn)象。特別是無(wú)人值守變電站應(yīng)用智能加熱器后，在中心站就可以隨時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)各加熱器的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約了人力，確保加熱器100%處于良好工作狀態(tài)。戶(hù)外端子箱智能加熱器的推廣必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于即將推廣建設(shè)的數(shù)字化變電站中戶(hù)外獨(dú)立智能電網(wǎng)設(shè)備的控制回路的安全、可靠運(yùn)行也會(huì)起到保障作用。

[1]謝 開(kāi)，劉永奇，朱治中，等.面向未來(lái)的智能電網(wǎng)[J].中國(guó)電力，2008，41(6)：19-22.

[2]陳樹(shù)勇，宋書(shū)芳，李蘭欣，等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(8)：1-8.