國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司 陳軍法 張文華 周曉燕

作為變電站內(nèi)最常見(jiàn)的設(shè)備，配電箱在運(yùn)維工作中十分重要。根據(jù)不同應(yīng)用，箱內(nèi)常見(jiàn)各種測(cè)量、保護(hù)設(shè)備，動(dòng)力裝置以及表計(jì)。這些設(shè)備的運(yùn)行都依靠配電箱提供基本保護(hù)。配電箱為了維持箱內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，配置有通風(fēng)裝置、加熱裝置以及溫控器。確保箱內(nèi)環(huán)境不隨著箱外環(huán)境變化而劇烈變化，為設(shè)備提供了適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行環(huán)境。防止設(shè)備因?yàn)楦叩蜏?，結(jié)露等情況造成損壞或故障[1]。

傳統(tǒng)溫控裝置具有成本低，簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，但隨著變電站配電箱內(nèi)設(shè)備日益精密。如何提高配電箱內(nèi)環(huán)境控制能力成為研究熱點(diǎn)。目前5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。通過(guò)將5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)溫控器進(jìn)行結(jié)合，形成智能的環(huán)境控制終端，通過(guò)對(duì)接云平臺(tái)系統(tǒng)。將箱內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并上送。云平臺(tái)部署智能監(jiān)控程序，可以在天氣變化時(shí)及時(shí)對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)更新。提高配電箱的應(yīng)急響應(yīng)能力。

經(jīng)過(guò)技術(shù)化改造的配電箱內(nèi)環(huán)境控制，同樣有利于運(yùn)維工作。目前變電站運(yùn)行管理要求按照季節(jié)對(duì)配電箱內(nèi)溫控器閾值和狀態(tài)進(jìn)行巡檢。由于配電箱在變電站內(nèi)數(shù)量多，對(duì)工人來(lái)說(shuō)占用大量工作時(shí)間。如果可以經(jīng)過(guò)技術(shù)提升，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置，遠(yuǎn)程運(yùn)維。對(duì)提高管理效率，降低管理成本都是有益的。都是整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行管理的重要一環(huán)。

隨著當(dāng)今信息化技術(shù)發(fā)展，本文研究并實(shí)現(xiàn)一種基于5G物聯(lián)網(wǎng)的配電箱內(nèi)溫濕度控制裝置。裝置部署于箱內(nèi)，替代原有傳統(tǒng)溫控器。配合云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)配電箱內(nèi)環(huán)境的“可觀、可測(cè)、可控、可調(diào)”，進(jìn)一步提高變電站遠(yuǎn)程運(yùn)維涉及領(lǐng)域。

1 配電箱特點(diǎn)綜述

作為變電站或者其它電力設(shè)施中不可缺少的電氣裝備，具有體積小、安裝便捷、材質(zhì)多樣的特點(diǎn)，不受場(chǎng)地限制，應(yīng)用十分普遍。一般對(duì)于室外配電箱來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部會(huì)加裝開(kāi)關(guān)設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)電器和動(dòng)作機(jī)構(gòu)等設(shè)備，構(gòu)成封閉或半封閉的結(jié)構(gòu)。正常運(yùn)行時(shí)其箱體門(mén)應(yīng)鎖止。

1.1 配電箱分類(lèi)

作為電力供應(yīng)或者分配中的控制單元，對(duì)電源進(jìn)行有效可靠分配，正確將電能輸送到各處負(fù)荷是配電箱的主要功能。電網(wǎng)因?yàn)閷?duì)可靠性與安全性要求高，以金屬配電箱為主，配電箱材質(zhì)多為不銹鋼等耐腐蝕金屬材料，可以保障箱內(nèi)電路與元件。

在變電站室外，常見(jiàn)防護(hù)式開(kāi)關(guān)柜與配電控制箱。分別用于室外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境。由于兩種箱體存在明顯差異，對(duì)配電箱內(nèi)溫濕度控制策略研究主要針對(duì)此兩類(lèi)箱體進(jìn)行區(qū)分。

防護(hù)式開(kāi)關(guān)箱柜。是一種被封閉起來(lái)的低壓開(kāi)關(guān)箱柜，一面具有帶鎖止功能的活動(dòng)門(mén)。這種箱柜內(nèi)常用來(lái)安裝開(kāi)關(guān)、保護(hù)裝置、測(cè)量裝置等電氣設(shè)備。可固定于墻面或者支架上。此類(lèi)型配電箱多用于室外或者附屬于其它大型設(shè)備上，由于在室外，工作條件較為惡劣，常常因?yàn)榉雷o(hù)等級(jí)要求，存在箱內(nèi)夏天高溫運(yùn)行，冬天低溫運(yùn)行的情況發(fā)生。常見(jiàn)的防護(hù)措施包括安裝溫控器來(lái)操作加熱板或者排風(fēng)扇進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，防止箱內(nèi)設(shè)備因箱內(nèi)環(huán)境影響而損壞或工況不良。

抽屜式開(kāi)關(guān)柜。是一種半封閉的，通常安裝于室內(nèi)的一種開(kāi)關(guān)柜，多由鋼板制成。箱柜通常下部與上部具有半開(kāi)放設(shè)計(jì)，可通過(guò)下部電纜將電能引入柜內(nèi)，柜內(nèi)安裝承擔(dān)供電任務(wù)的各類(lèi)開(kāi)關(guān)、刀閘、手車(chē)等設(shè)施。同時(shí)還常在柜間部署母線排，實(shí)現(xiàn)電氣回路。這類(lèi)開(kāi)關(guān)柜通常具備較高可靠性、安全性與互換性，集成度很高，單位體積功率密度大。通常情況下，柜內(nèi)因?yàn)殡娏髯饔茫瑫?huì)產(chǎn)生較多熱量。所以此類(lèi)柜內(nèi)也需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。

由于電力系統(tǒng)的要求，常用的金屬開(kāi)關(guān)柜無(wú)論安裝環(huán)境，均存在對(duì)箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制的需求。通過(guò)對(duì)箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

1.2 故障分類(lèi)

變電站內(nèi)配電箱主要承載室外開(kāi)關(guān)、保護(hù)和監(jiān)測(cè)控制等電氣元件以及操作一次設(shè)備的動(dòng)力裝置。通常情況下運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但如果疏于管理，仍然會(huì)因各種原因造成箱體或箱內(nèi)設(shè)備故障。嚴(yán)重時(shí)將危害到電網(wǎng)運(yùn)行。需要對(duì)常見(jiàn)故障進(jìn)行研究。

配電箱故障按照產(chǎn)生原因，主要分為因環(huán)境變化造成的故障和因設(shè)計(jì)缺陷造成的故障。

因環(huán)境變化造成的故障，主要是因環(huán)境溫濕度對(duì)箱內(nèi)電器運(yùn)行造成的影響引起的故障。配電箱根據(jù)功能不同，由各類(lèi)中低壓電器構(gòu)成。包括：熔斷器、交流開(kāi)關(guān)、剩余電流保護(hù)器、電容補(bǔ)償器及計(jì)量電表等各類(lèi)電氣。通常情況下，此類(lèi)設(shè)備的正常工作溫度應(yīng)處于24℃。設(shè)備在環(huán)境溫度處于-5℃至40℃的區(qū)間時(shí)，可保障設(shè)備正常工作；在環(huán)境溫度處于-25℃至60℃區(qū)間時(shí)，可保障設(shè)備不會(huì)損壞。這個(gè)溫度范圍雖然覆蓋范圍比較大，但由于配電箱在室外運(yùn)行，會(huì)受到陽(yáng)光直接照射產(chǎn)生高溫，同時(shí)箱內(nèi)設(shè)備運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生熱量，所以在盛夏高溫季節(jié)，箱體內(nèi)的溫度將會(huì)達(dá)到70℃以上，這時(shí)的溫度大大超過(guò)了這些電器規(guī)定的環(huán)境溫度。箱內(nèi)溫度超過(guò)允許值是現(xiàn)場(chǎng)故障的常見(jiàn)情況。

因設(shè)計(jì)缺陷造成的故障，例如選擇不恰當(dāng)容量的開(kāi)關(guān)，刀閘或者母線排。均會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)設(shè)備運(yùn)行熱量大大增加。通常情況下，由于電力設(shè)備在制造時(shí)具備較大容量，此類(lèi)設(shè)計(jì)缺陷不會(huì)立即引起事故，甚至可能產(chǎn)品可過(guò)載運(yùn)行至壽命截止。但此類(lèi)情況下，設(shè)備或線排會(huì)因?yàn)槿萘坎罹?，產(chǎn)生過(guò)多熱量。造成箱柜內(nèi)環(huán)境異常變化。此時(shí)也可以通過(guò)配電箱內(nèi)環(huán)境測(cè)量對(duì)其進(jìn)行篩選，利于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備變更或日常維護(hù)，防止因選擇備品不當(dāng)引起的超容使用[2]。

配電箱內(nèi)溫濕度控制，是保障運(yùn)行穩(wěn)定的重要因素。同時(shí)，也應(yīng)在日常巡檢與維護(hù)中對(duì)配電箱內(nèi)溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行檢查。確保在啟動(dòng)時(shí)可將箱內(nèi)環(huán)境維持在設(shè)計(jì)環(huán)境指標(biāo)。

1.3 箱內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)

溫濕度作為配電箱內(nèi)環(huán)境控制的主要參數(shù)。對(duì)保障箱內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行有著重要意義。配電箱多安裝于室外，環(huán)境惡劣。因雨雪等天氣影響，需要箱體本身具有工業(yè)防護(hù)等級(jí)，就要求箱體具備密封或者半密封的機(jī)械結(jié)構(gòu)。配電箱內(nèi)的溫濕度是一個(gè)較獨(dú)立的自循環(huán)系統(tǒng)，溫度的擾動(dòng)影響因素主要有箱體自然散熱、箱內(nèi)設(shè)備產(chǎn)熱以及加熱器產(chǎn)熱。由于配電箱制造成本限制，常通過(guò)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)濕度控制。在遇到濕度較高時(shí)，使用加熱器和風(fēng)扇一同開(kāi)啟來(lái)加熱箱內(nèi)空氣，再將較熱空氣排出的方法降低濕度，同時(shí)保證箱內(nèi)升溫在可控范圍。

在控制過(guò)程中，箱體散熱是個(gè)十分重要的指標(biāo)，由于散熱過(guò)程遵循熱傳導(dǎo)方程，所以在不同地區(qū)和海拔高度，箱體散熱系數(shù)存在較大差異。對(duì)于我國(guó)南方，在潮濕環(huán)境下，箱內(nèi)還存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行有很大隱患。一般來(lái)說(shuō)，配電箱正常運(yùn)行溫度應(yīng)高于環(huán)境溫度，降低箱內(nèi)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)在夏季或者安裝位置處于陽(yáng)光直曬處，需要箱體散熱。箱內(nèi)保護(hù)裝置和測(cè)量?jī)x表的工作環(huán)境溫度不應(yīng)大于60℃，在我國(guó)，大部地區(qū)氣溫不會(huì)超過(guò)45℃。但如果暴露在太陽(yáng)下，則在無(wú)通風(fēng)措施的影響下迅速升溫至60攝氏度左右，對(duì)箱內(nèi)設(shè)備行程高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行。散熱除箱體向環(huán)境散熱外，還可通過(guò)啟動(dòng)通風(fēng)扇，加強(qiáng)箱內(nèi)空氣與外部環(huán)境間對(duì)流交換。所以，配電箱所處環(huán)境在散熱中影響現(xiàn)主。在配電箱安裝施工過(guò)程中，需要謹(jǐn)慎選擇安裝位置與角度，減輕陽(yáng)光直射，必要時(shí)還應(yīng)加裝遮陽(yáng)棚。

2 箱內(nèi)環(huán)境控制研究

傳統(tǒng)溫度傳感器基于熱敏金屬片來(lái)制造，存在精度不可控、讀數(shù)不方便的問(wèn)題。同時(shí)其功能單一，動(dòng)作閾值調(diào)節(jié)粗糙，不能滿足現(xiàn)代化精確控溫所需。

傳統(tǒng)濕度傳感器采用氯化鋰吸水率越大，電阻率越小的原理制成。通過(guò)電極的電流大小可反映出周?chē)鷼怏w的相對(duì)濕度。受限于原理，濕度計(jì)的響應(yīng)滯后，僅可用于濕度測(cè)量，無(wú)法用于控制環(huán)節(jié)。所以，需要對(duì)箱內(nèi)環(huán)境控制的方法進(jìn)行研究，確立閉環(huán)控制方案。

2.1 鉑熱電阻傳感器

鉑熱電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在溫度變化時(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。

PT100型溫度傳感器是一種用鉑金屬合金制成的特殊熱敏電阻。作為常用的高精度溫度傳感器，其室溫下標(biāo)稱(chēng)電阻為100Ω，其上每產(chǎn)生1℃溫度變化將帶來(lái)0.385Ω的電阻變化。由于變化較小，所以需要進(jìn)行精密測(cè)量。通常對(duì)PT100的引線進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行3線或4線電橋測(cè)量[3]。

常用平衡電橋測(cè)量PT100的阻值變化。電橋法的原理圖如圖1所示。電路工作時(shí)，組成電橋各支路均存在平衡電流。當(dāng)PT100處于標(biāo)稱(chēng)阻值狀態(tài)時(shí)，電橋AB兩測(cè)量點(diǎn)間電壓相等，無(wú)非平衡電流。這時(shí)稱(chēng)電橋處于平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時(shí)，存在：

圖1 平衡電橋測(cè)量法

UAB=0V

當(dāng)PT100因?yàn)榄h(huán)境溫度變化造成阻值變化時(shí)，上述電橋因?yàn)榱鹘?jīng)兩側(cè)的電流不平衡，會(huì)造成AB兩點(diǎn)產(chǎn)生電位差，這時(shí)我們稱(chēng)電橋處于不平衡狀態(tài)。電橋處于不平衡狀態(tài)時(shí)：

UAB=〔RPT100/(RPT100＋R1)－R4/(R4＋R3)〕UDC

在實(shí)際應(yīng)用中，由于的電壓值通常很小，應(yīng)在平衡電橋后增加一級(jí)放大電路。

2.2 MEMS濕度傳感器

環(huán)境中濕度對(duì)精確控制配電箱內(nèi)環(huán)境有重要參考意義，對(duì)保障箱內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行有重要意義。

物理吸附由吸附質(zhì)和吸附劑分子間作用力所引起。吸附劑表面的分子由于作用力沒(méi)有平衡而保留有自由的力場(chǎng)來(lái)吸引吸附質(zhì)，物理吸附是可逆的。吸附作用的大小跟吸附劑的性質(zhì)和表面的大小、吸附質(zhì)的性質(zhì)和濃度的大小、溫度的高低等密切相關(guān)。

濕度傳感器主要靠半導(dǎo)體工藝下刻蝕出的梳狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用物理吸附原理吸附環(huán)境中水分子，改變電極梳狀交叉齒間的電容[4]。外部放大器和變換電路，將此電容值變化以電壓或者電流的形式輸出給其它設(shè)備使用。梳狀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2 MEMS濕度傳感器微結(jié)構(gòu)

濕度傳感器作為電子技術(shù)和物理化學(xué)原理的復(fù)合技術(shù)，硬件因素只占其中50%，另一個(gè)重要因素則是標(biāo)定。要保證測(cè)出來(lái)的是準(zhǔn)確的值，則需要保證每次檢測(cè)的標(biāo)定值在一個(gè)固定范圍內(nèi)，這是很難做到的。一般而言，由于需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試，所以在濕度傳感器出廠前，均需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)測(cè)試，其穩(wěn)定性會(huì)隨著統(tǒng)計(jì)完成數(shù)值回歸。

2.3 環(huán)境溫濕度PID控制

PID作為一種控制方法，可用于可建模系統(tǒng)或者無(wú)建模系統(tǒng)，具備廣泛的適用性。對(duì)于可建模系統(tǒng)，由于具備準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，PID控制對(duì)系統(tǒng)S函數(shù)的影響是可以進(jìn)行準(zhǔn)確估算的。表達(dá)式可知：

Gt=kp×ERROR＋ki×ΣERROR＋kd×?ERROR

表達(dá)式實(shí)際上是三種反饋控制：比例控制，積分控制與微分控制的集合。根據(jù)不同系統(tǒng)反饋，可以靈活對(duì)P、I、D三個(gè)變量進(jìn)行組合，通常情況下只采用三個(gè)變量中的2個(gè)或者1個(gè)，這些從原理上都叫做PID控制。采用這種控制理論的控制器，統(tǒng)稱(chēng)為PID控制器。得到廣泛應(yīng)用。

比例P參數(shù)能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度,抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的影響。但由于實(shí)際系統(tǒng)經(jīng)常存在調(diào)節(jié)死區(qū)，所以純P控制并不能達(dá)到準(zhǔn)確的控制目標(biāo)，存在穩(wěn)態(tài)誤差現(xiàn)象。此類(lèi)現(xiàn)象本質(zhì)是因?yàn)閰⒖夹盘?hào)的階次大于系統(tǒng)自身階次，無(wú)論如何選取純比例P值都無(wú)法使得穩(wěn)態(tài)誤差消除。

積分控制消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用對(duì)于高階的參考信號(hào)和擾動(dòng)是無(wú)效的。積分控制并不一定是必須的，應(yīng)當(dāng)視系統(tǒng)的型號(hào)、輸入和干擾類(lèi)型決定。積分控制的常數(shù)根據(jù)系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)進(jìn)去選取，并不會(huì)影響消除誤差的效果，具有一定的魯棒性[5]。

溫濕度的傳遞存在滯后性。一般有純滯后、容量滯后。前者一般指工藝段物料傳輸需要時(shí)間引起的，后者一般指被控對(duì)象的熱交換、物料連續(xù)經(jīng)過(guò)多個(gè)容器才能建立一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)需要時(shí)間引起的。

環(huán)境溫濕度控制過(guò)程的響應(yīng)速度慢，其傳遞函數(shù)的慣性很大。調(diào)節(jié)過(guò)程中可以通過(guò)動(dòng)態(tài)法進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置不同參數(shù)查看控制效果，通過(guò)定性分析來(lái)嘗試得到最優(yōu)解。用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般首先由比例P參數(shù)開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整開(kāi)始階段設(shè)置保守參數(shù)，防止系統(tǒng)超調(diào)自激。根據(jù)實(shí)際反饋逐漸加大比例P參數(shù)。直到系統(tǒng)控制得到較理想的越階響應(yīng)。而后慢慢添加積分I參數(shù)，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。在跟蹤控制性能中進(jìn)行取舍，可根據(jù)實(shí)際需要，加入一定的微分D參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的控制策略

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)分層模型

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、功能和設(shè)備位置，一般將物聯(lián)網(wǎng)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層[6]。

感知層是物聯(lián)網(wǎng)終端獲取自身信息和外界信息的主要手段。類(lèi)似生物的皮膚和感知器官，物聯(lián)網(wǎng)終端需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，集成一種或多種傳感器來(lái)進(jìn)行感知。對(duì)于高級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)終端，還可集成攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)高層次環(huán)境感知。感知層主要用于獲取必要的原始數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，類(lèi)似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。

網(wǎng)絡(luò)層又分為支撐層和數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是由多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成（同時(shí)包括公安、交通等部門(mén)現(xiàn)有的涉車(chē)管理平臺(tái)所采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)），是涉車(chē)信息的存儲(chǔ)層，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義最為關(guān)鍵。

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會(huì)分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化。

物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時(shí)的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。

3.2 氣象數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，可解決傳統(tǒng)溫控器缺乏感知手段，無(wú)法智能調(diào)節(jié)控制閾值的弊端。對(duì)接當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)被控箱動(dòng)態(tài)控制。及時(shí)切換動(dòng)作閾值，達(dá)到期望的自適應(yīng)控制策略。

氣象數(shù)據(jù)的來(lái)源，主要為高精度的再分析資料。高精度的再分析資料在實(shí)時(shí)性上存在一定延遲，但隨著我國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)升級(jí)，目前已經(jīng)可以提供逐小時(shí)觀測(cè)資料，可以滿足要求[7]。為避免因?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)的誤差導(dǎo)致的控制策略研究難度增加，采用高精度再分析資料進(jìn)行研究。

中國(guó)地面氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料是國(guó)家氣象科學(xué)中心提供的一項(xiàng)數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)的獲取流程是：注冊(cè)用戶，獲取數(shù)據(jù)接口Token令牌；調(diào)用接口，接口一般以WEB API的方式提供；請(qǐng)求數(shù)據(jù)，按照經(jīng)緯度向平臺(tái)請(qǐng)求；解析數(shù)據(jù)，回文數(shù)據(jù)采用JSON格式。

獲取數(shù)據(jù)應(yīng)按照定時(shí)進(jìn)行獲取，緩存在服務(wù)器中的等待物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備調(diào)用的方式進(jìn)行?？梢杂行岣咴O(shè)備讀取氣象數(shù)據(jù)效率，并降低接口請(qǐng)求頻次，顯著避免因頻繁調(diào)用造成數(shù)據(jù)費(fèi)用過(guò)高。

3.3 應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化策略

對(duì)箱內(nèi)環(huán)境控制，主要是環(huán)境的溫濕度控制。箱體安裝在室外，各控制參數(shù)同氣象關(guān)系緊密，例如箱體傳導(dǎo)系數(shù)、大氣濕度指標(biāo)、日照強(qiáng)度等。傳統(tǒng)溫控器，無(wú)法獲取豐富的數(shù)據(jù)?？刂撇捎霉潭ㄩ撝?，恒定參數(shù)的控制率。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后，溫控器通過(guò)與云平臺(tái)進(jìn)行交互，可以實(shí)時(shí)獲取氣象數(shù)據(jù)。此時(shí)對(duì)控制率進(jìn)行優(yōu)化，將恒定的PID控制，同氣象數(shù)據(jù)結(jié)合。動(dòng)態(tài)優(yōu)化動(dòng)作閾值、調(diào)節(jié)參數(shù)等可測(cè)量變量。達(dá)到箱內(nèi)環(huán)境控制更穩(wěn)定的目標(biāo)。

當(dāng)前運(yùn)維作業(yè)，溫控器的閾值采用人工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定的方法。按照運(yùn)維檢修方案安排人員隨季節(jié)交替進(jìn)行閾值維護(hù)，這樣會(huì)帶來(lái)運(yùn)行隱患。當(dāng)例如寒流或冰凌等極端天氣，配電箱內(nèi)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)驟然提高卻無(wú)能為力；特定溫度閾值附近會(huì)出現(xiàn)加熱器啟停振蕩，極易造成二次損害。依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可當(dāng)發(fā)生此類(lèi)極端情況時(shí)，遠(yuǎn)程修正閾值，提高箱內(nèi)環(huán)境抵抗外界干擾的能力。

在晝夜溫差大的地區(qū)，箱外環(huán)境改變給控制傳遞函數(shù)S帶來(lái)不可忽略的改變。不具備控制率調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致采用較保守的控制率參數(shù)。保守控制參數(shù)可確?？刂破鞣€(wěn)定工作，但對(duì)環(huán)境的控制能力將減弱。維持環(huán)境穩(wěn)定過(guò)程存在較大誤差與延遲，并非最優(yōu)解。對(duì)控制策略精細(xì)化管理，按照不同地域?qū)刂七M(jìn)行精準(zhǔn)管控。同時(shí)按照時(shí)間段下發(fā)最優(yōu)控制參數(shù)，確保在時(shí)段控制效果。

傳統(tǒng)控制器的繼電器接通負(fù)載后，對(duì)負(fù)載工作情況無(wú)監(jiān)控。無(wú)法將控制失效的信號(hào)上報(bào)?？山?jīng)物聯(lián)交采芯片對(duì)動(dòng)作裝置的電流實(shí)時(shí)采集，對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行推斷。設(shè)備投入工作后，對(duì)裝置運(yùn)行的功率、電量進(jìn)行測(cè)量。非正常運(yùn)行發(fā)生時(shí)，通過(guò)電流采樣值異常進(jìn)行判定，上送到監(jiān)控主站。主站可將異常信息推送到大屏或檢修責(zé)任人，及時(shí)排除故障。

當(dāng)無(wú)法適應(yīng)天氣變化，季節(jié)更替需現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定，極端情況發(fā)生振蕩時(shí)，需對(duì)接天氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修訂，物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程對(duì)閾值進(jìn)行及時(shí)正確設(shè)定，對(duì)環(huán)境控制策略優(yōu)化結(jié)果有優(yōu)勢(shì)；當(dāng)PID參數(shù)設(shè)定保守，箱體環(huán)境變化無(wú)法保障溫濕度控制效果時(shí)，需根據(jù)PID控制原理按照時(shí)段進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，對(duì)環(huán)境控制策略優(yōu)化效果有益；當(dāng)加熱器、排風(fēng)扇運(yùn)行無(wú)監(jiān)測(cè)，控制器自身控制不閉環(huán)，無(wú)法自診斷時(shí)，需增加交流測(cè)量傳感器對(duì)被控器進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)異常上送物聯(lián)主站，對(duì)環(huán)境控制策略優(yōu)化結(jié)果有優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)幫助下，對(duì)箱內(nèi)環(huán)境的控制已由傳統(tǒng)被動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)控制。對(duì)室外配電箱，傳統(tǒng)運(yùn)維成本高。物聯(lián)網(wǎng)控制下，針對(duì)不同地點(diǎn)的配電箱可精準(zhǔn)控制。進(jìn)一步結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對(duì)閾值動(dòng)態(tài)整定，達(dá)到智能控制的運(yùn)維要求。將交采傳感器置入新型溫控器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，為優(yōu)化配電箱環(huán)境控制策略提供新思路。

4 有效性驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果

4.1 物聯(lián)網(wǎng)溫控器應(yīng)用方案

物聯(lián)網(wǎng)溫控器同傳統(tǒng)溫控器一樣，需安裝在配電箱內(nèi)?？刂破鹘尤肱潆娤鋬?nèi)環(huán)境溫度探頭、伴熱帶溫度探頭；箱內(nèi)220V交流電源接入控制器電源端子；加熱裝置與排風(fēng)扇接入控制器輸出端子；連接負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)通信的天線。實(shí)現(xiàn)場(chǎng)站端安裝。

物聯(lián)主站部署于物聯(lián)網(wǎng)云端服務(wù)器，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)同溫控器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接。物聯(lián)主站還承擔(dān)了氣象數(shù)據(jù)接入、設(shè)備控制接入，臺(tái)賬記錄接入和異常告警推送等功能，配合分布式終端形成物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

在控制器的實(shí)現(xiàn)中，采用AIR724UG型4GCat1通信模塊作為主控制模塊?？赏ㄟ^(guò)Lua腳本進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，非常合適應(yīng)用于溫控器、采集器等物聯(lián)網(wǎng)裝置中。對(duì)評(píng)估方案、加速研發(fā)效果積極。

在現(xiàn)場(chǎng)部署研究中，在同一變電站內(nèi)部署8個(gè)物聯(lián)網(wǎng)溫控器終端，并抓取6月至12月的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)配電箱內(nèi)環(huán)境大數(shù)據(jù)的采集與記錄。配合物聯(lián)主站的展示功能，完成數(shù)據(jù)可視化與智能分析。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)于箱內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)控制。

4.2 結(jié)果分析

測(cè)試地點(diǎn)位于我國(guó)華北地區(qū)。華北平原屬溫帶季風(fēng)氣候、亞熱帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，冬季寒冷干燥，部分地區(qū)兩年三熟。華北平原大部分屬于溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候。冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈。春季旱情較重，夏季常有洪澇。年均溫和年降水量由南向北隨緯度增加而遞減。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境控制測(cè)試統(tǒng)計(jì)圖

測(cè)試安排實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組：實(shí)驗(yàn)組即本研究的基于5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫控終端。對(duì)照組為箱內(nèi)原裝傳統(tǒng)溫控終端，為解決數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，使用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫控終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并上傳到云平臺(tái)作為對(duì)照記錄。在配電網(wǎng)環(huán)境控制中，溫度控制較濕度控制更具備測(cè)量條件，所以在環(huán)境控制的試驗(yàn)中，選取溫度作為主要測(cè)試項(xiàng)。測(cè)試數(shù)據(jù)共有三類(lèi)：傳統(tǒng)溫控器的箱內(nèi)溫度變化；物聯(lián)網(wǎng)控制器的箱內(nèi)溫度變化；依據(jù)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)化控制的物聯(lián)網(wǎng)控制器的箱內(nèi)溫度變化。數(shù)據(jù)分析場(chǎng)景，包括周期性交替變化、單調(diào)性穩(wěn)定變化、爆發(fā)性劇烈變化三個(gè)典型情景。分別對(duì)應(yīng)晝夜變化，季節(jié)交替和寒潮等惡劣天氣來(lái)襲時(shí)這些配電箱環(huán)境控制需面對(duì)的情況。

典型場(chǎng)景一：晝夜交替變化，一般溫控器根據(jù)箱內(nèi)傳感器值，可做出正確動(dòng)作。當(dāng)白天溫度高于設(shè)定閾值時(shí)，正確關(guān)閉加熱器電源。夜間，隨著環(huán)境溫度整體降低，箱體至環(huán)境散熱能力加強(qiáng)。箱內(nèi)環(huán)境溫度被打破平衡，開(kāi)始降溫。當(dāng)達(dá)到動(dòng)作閾值時(shí)，箱內(nèi)控制器啟動(dòng)加熱器。箱內(nèi)環(huán)境溫度開(kāi)始回升。在這個(gè)場(chǎng)景下，傳統(tǒng)溫控器控制動(dòng)作觸發(fā)可靠，但隨著溫度回升，部分溫控器在高溫閾值存在狀態(tài)振蕩，頻繁通斷加熱器的情況。在控制準(zhǔn)確性方面。三種溫控器控制效果無(wú)明顯差異。

典型場(chǎng)景二：隨著季節(jié)變化，日均氣溫的漲落趨勢(shì)是單調(diào)的。在華北地區(qū)，從夏天至冬天的過(guò)程，氣溫的變化逐月遞減，部分地區(qū)日均氣溫可降至溫控器動(dòng)作閾值以下，全天開(kāi)啟溫控器。因?yàn)榄h(huán)境溫度引起的散熱能力不同，需要在季節(jié)變化時(shí)對(duì)溫控器閾值進(jìn)行預(yù)設(shè)置。夏秋兩季因?yàn)闅鉁剌^高，為防止溫控器動(dòng)作造成意外升溫，一般會(huì)通過(guò)調(diào)低閾值或者直接關(guān)閉的方法將箱內(nèi)溫控器進(jìn)行處理，避免意外加熱導(dǎo)致高溫運(yùn)行發(fā)生；春冬兩季因?yàn)闅鉁剌^低，需要再對(duì)溫控器的閾值設(shè)定進(jìn)行調(diào)整，調(diào)到比較高的動(dòng)作閾值，保障箱內(nèi)溫度及時(shí)補(bǔ)充。避免低溫運(yùn)行發(fā)生。所以在春秋兩季氣候變化明顯的時(shí)候，溫控器閾值設(shè)定不恰當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生較多。這時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境控制終端可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置，顯著減輕此類(lèi)情況發(fā)生。

典型場(chǎng)景三：當(dāng)惡劣天氣出現(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)固定閾值溫控器無(wú)法適應(yīng)劇烈變化的氣候，部分測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)環(huán)境溫度存在超出安全工作區(qū)域的情況發(fā)生。并且隨著天氣進(jìn)一步惡化，超出設(shè)定值的情況時(shí)有發(fā)生。基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境控制終端可通過(guò)云主站動(dòng)態(tài)下發(fā)指令來(lái)達(dá)到適應(yīng)突發(fā)情況，但不夠智能，且需要大量人力進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)接氣象數(shù)據(jù)后，可根據(jù)每小時(shí)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行控制優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)溫度準(zhǔn)確控制，取得明顯效果。

綜上所述，基于5G物聯(lián)網(wǎng)的配電箱溫濕度控制對(duì)于傳統(tǒng)溫濕度控制方法有較高提升。在應(yīng)用中，可以顯著提高對(duì)箱內(nèi)環(huán)境控制準(zhǔn)確度，降低因箱內(nèi)環(huán)境越限造成設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，降低維護(hù)周期。同時(shí)又因?yàn)榫邆鋽?shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)上送云主站的功能，提高了配電箱運(yùn)維技術(shù)水平。具備遠(yuǎn)程設(shè)置閾值、遠(yuǎn)程更新控制策略的功能，降低了偏遠(yuǎn)地區(qū)變電站內(nèi)配電箱溫控器周期維護(hù)壓力。在應(yīng)用過(guò)程中得到現(xiàn)場(chǎng)人員肯定。具備技術(shù)推廣價(jià)值。