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10kV箱變、環網柜智能除濕系統
技 術 方 案
江蘇征途電氣科技有限公司
2024年9月
一、背景概述
箱式變電站及環網柜是城市配電網的重要組成部分，承擔著電纜線路分段及臺區的降壓供電任務。隨著電網配電自動化覆蓋率的大幅提升，智能融合終端和配電站所終端作為配電自動化的終端設備已得到大量運用。使配電網的生產運行數據得到了可靠采集，并于各種配電終端設備中進行匯聚計算以及遠傳上送，大大提高了城市配電網的智能化、自動化水平。
但是與安全穩定運行緊密相關的輔助類信息卻未做到可靠有效的采集和上傳，以至于配電線路以及配電設備的整體智能化水平不高。配電設備和輔助設備的狀態缺乏監測、監控、無法及時獲知，導致在實際運行過程中總是存在著各種痛點問題，例如：柜內空氣濕度較高，容易造成母線相與相間、相與地間放電，以及在柜體內壁產生凝露，引發套管爬電污閃故障，配變樁頭發熱導致起火、配變絕緣劣化造成短路事故、配變過載造成配變燒毀、柜內電氣連接點接觸電阻過大引發火災、配電設備被外力破壞、設備運行環境惡化（極端天氣、嚴重汛情或城市內澇等）影響可靠供電及設備安全等。臺區中所存在的這些問題明顯不符合新型電力系統的特征和建設要求。
所以,為解決目前箱式變電站和環網柜普遍存在的痛點問題，及時獲知配電設備、輔助設備以及配電設備周邊環境的各種狀態，就需要在上述設備中部署一套基于電力物聯網技術，具備采集功能、匯聚功能、邊緣計算功能以及上傳功能的智能感知系統。該系統對上述配電設備的本體狀態、運行狀態以及運行環境進行實時的多方式、全方位感知，實現配電設備可全景遠程監控，及時發現異常工況，并通知運維人員進行快速處理，從而真正實現狀態檢修。當隱患發生時，可以提前發現，及時預警，使運檢部門可以安排轉供電并進行提前檢修；當故障發生或運行環境惡化時，可以及時告警，使運檢部門在最短時間內進行處置（停電檢修或復電）操作。從而縮短停電時間、提高供電可靠性，同時保證配電設備、配電系統的安全穩定運行以及有效防止可能發生的觸電導致人身傷亡的風險。
二、系統簡述
本系統采用標準電力物聯網架構，由感知采集、除濕控制設備、實時視頻監控、匯聚（邊緣計算）及上傳設備組成。通過部署不同的感知采集、除濕控制設備可以實現多種設備狀態、設備運行狀態以及環境狀態信息的采集；通過配置不同的匯聚上傳設備，系統可以部署在配電自動化已覆蓋或未覆蓋區域（未來可根據配電終端部署情況再進行接入），真正實現配電設備及周邊環境的可觀、可測、可控，打造符合新型電力系統建設要求的智慧配電網。
三、技術方案
1、感知采集、除濕方案
針對箱式變電站及環網柜中目前存在的各種問題，可通過部署不同類型的傳感器進行數據采集并匯聚至邊緣計算設備（環境監測主機網關）進行運算處理工作，使整個臺區透明化，讓設備的狀態可觀、可測、可控。
對于環境濕度較大的地區，在配電設備柜內加裝除濕設備。除濕設備與集中器通過有線方式進行信息交互。設備可獨立運行，也可以與其他傳感器通過集中器（邊緣計算設備）進行聯動。在環網柜不停電的情況下安裝柜外微正壓新風裝置，使柜內外溫度無溫差，破壞凝露條件。
2）通過柜內安裝溫濕度傳感器采集柜內環境數據，可用于多參量分析設備狀態或是聯動控制設備，例如啟動通風或除濕設備。與集中器通過無線通訊（LoRa）方式進行信息交互。
3）針對電纜溝進水的情況，可以在電纜溝中部署水浸傳感器，及時發現水浸問題并上報。與集中器通過無線通訊（LoRa）方式進行信息交互。
4）針對設備遭到外力破壞，例如柜門非正常開啟，則可以通過高清廣角攝像機予以監視，所記錄的影像資料便于進行事件分析和追溯。與集中器通過無線通訊（LoRa）方式或有線方式進行信息交互。高清廣角攝像機配合AI算法后，還可以用于人員行為的識別。
5）針對所有電氣連接點的異常溫升問題，通過在電氣連接部位安裝新型的無源無線電纜頭溫度傳感設備，實時采集各個電氣連接點的溫度數據。新型的無源無線溫度傳感設備具有高精度溫度測量能力以及極低負荷電流情況下的工作能力。與集中器通過無線通訊（LoRa）方式進行信息交互。
6）針對設備絕緣劣化、破損等造成的放電情況，通過于柜內安裝各種原理（特高頻、地電波或超聲波）的局部放電傳感器，采集設備的局部放電數據。與集中器通過無線通訊（LoRa）方式進行信息交互。
7）針對嚴重汛情或城市內澇帶來的配電設備被水浸泡的情況，可以通過部署水位傳感器，主機帶AI識別功能提前發現設備周邊的環境惡化情況，便于提前做出正確的處置措施。傳感器以及攝像設備與集中器通過無線通訊（LoRa）方式以及有線方式進行信息交互。
8）在未來的實際運用中，還會產生各種新的需求。因為有了此系統的存在，只需部署新的感知采集設備即可，臺區的智能化水平也將越來越高。
9）微區域智輔感知采集設備匯總列表：
序號
解決的痛點問題
解決方法
上行通訊方式
1
10KV箱變及環網柜環境監測、視頻監測、聯動控制、邊緣計算、本地顯示、遠程數據上報及控制
安裝柜外壁掛式環境監測主機網關（功率20W）
有線/無線、4G通訊
2
電氣柜潮濕嚴重，除濕、凝露
安裝柜內防凝露控制裝置（60W*4臺）
有線通訊
3
柜內空氣流動
安裝微正壓新風裝置（60W）
有線/無線通訊
4
柜內環境監測
安裝溫濕度傳感設備（1W）
有線/無線通訊
5
電纜溝進水、電纜泡水
安裝水浸傳感器（1W）
無線通訊
6
柜門外場景可視化監測
安裝高清廣角攝像設備（5W）
有線通訊
防外力破壞監測
7
絕緣劣化、破損
安裝電纜頭測溫、局部放電傳感器（選配2W）
無線通訊
2、匯聚及上傳方案
1）目前可采用方案
為保證在短期內可以實現上述智輔功能，可先將所有感知采集、除濕聯動控制設備所收集的信息通過有線或無線（LoRa）方式匯聚至具備4G通訊功能的智輔集中器（環境監測主機網關），然后由智輔集中器（環境監測主機網關）通過4G公網/專網遠傳至后臺系統。
具體架構及傳輸路徑見以下示意圖：
智輔集中器（環境監測主機網關）具備無線通訊、有線通訊功能以及公網無線通訊功能，同時具備邊緣計算功能，并具備AI功能。
2）未來可采用方案
未來配置了智能配電終端后，可以取消智輔集中器，采取傳感采集設備直接與智能配電終端中的本地通訊模塊互聯方式，由智能配電終端做為邊緣計算以及上傳設備；或是保留智輔集中器做為邊緣計算設備與智能配電終端互聯，僅將計算結果上報至智能配電終端，甚至可以通過智輔集中器直接上傳視頻信號，以此減輕智能配電終端的算力壓力以及數據流量壓力。
具體架構及傳輸路徑見以下示意圖：
四、針對除濕試點項目的技術方案細化
1、感知監測、除濕聯動方案
溫濕度傳感器溫度測量范圍：-40℃～85℃，精度：±0.5℃，濕度測量：范圍：5～95%RH，精度：±3%RH。
柜內排水型除濕（柜內防凝露控制裝置），采用先進的半導體制冷技術除濕，可設置柜內濕度高于65%時啟動除濕機，低于60%時關閉除濕功能，單臺抽濕量24小時抽濕320mL。
微正壓新風和排水型除濕相結合有效的防止環網柜凝露。
裝置主體空氣流動示意如下：
殼體進氣口初級過濾 → 活性炭濾芯精過濾 → 離心風機加壓 → 背面出風口排出。
柜內溫度高于40℃，風機自動開啟，不斷向柜內鼓風，起到通風散熱的作用；柜內濕度大于75%、柜內外溫差超過5℃時，風機自動開啟，不斷向柜內鼓風，加速柜內柜外空氣交換，使柜內柜外溫度趨于相同，使柜內凝露條件難以出現；環網柜內溫度低于30℃、濕度小于60%，此時柜內空氣比較干燥，風機間歇性開啟進行通風，起到定期進行柜內柜外空氣交換的目的；環網柜外濕度大于柜內濕度時，風機停止，只開啟排水型除濕器，杜絕柜外高濕隨風機通風進入環網柜內。
注：為了使柜內空氣能按上圖示意方式流動，開關柜、環網柜、箱變等設備柜體要進 行必要的密封處理，將柜體原有的通風口、縫隙進行必要封堵，只在裝置安裝部分的對側留出出風口，這樣，才有利于在柜內形成微正壓，保證空氣從柜體一側進入，從另一側排出。柜門縫等則不必進行封堵，因為這些縫隙很小，空氣的摩擦力很大，對微正壓條件的形成影響不大。
于環網柜及柜變內部靠近柜門位置的下方，敷設水浸傳感器的感應線，并部署水浸傳感器，用以監視水是否已經進入配電設施。
于柜變右側安裝立桿，立桿上部署高清槍機一臺，用于拍攝柜變和環網柜以及基礎部分。通過AI人工智能進行監測。
2、匯聚上傳方案
采用邊緣計算環境監測主機網關用來收集所有傳感器信息以及攝像機視頻。邊緣計算主機網關具備邊緣計算能力以及AI人工智能識別能力，結合采集到的感知信息進行除濕聯動判斷，并及時給出預警和告警。環境監測主機網關安裝于固定在柜外防水柜體內，柜體內自帶溫濕度傳感器。
3、系統部署示意圖
4、電源供給方案
交流電源從413開關處接引，通過地埋金屬管引至立桿處，向環境監測主機網關及攝像機供電。傳感器安裝于配電設備柜內，盡量采用外部供電方式。
5、遠傳及后臺方案
暫時采用無線4G公網方式進行遠傳，數據上傳至服務器，所有信息需做好脫敏工作。后臺具備推送功能，及時向運維人員推送預警及報警信息。
6、AI人工智能方案（擴展）
AI人工智能需能夠準確識別道路水淹以及基礎泡水的情況，并能通過識別水位標尺的刻度來進行預警或報警。
7、方案實施
①本次智能除濕系統技術方案安裝主要目的是用于環境監測、除濕聯動控制及視頻監控。
②總體除濕配置方案確定后，進行安裝和測試。系統后臺采用服務器，暫時利用公網4G進行遠程通訊，預警及報警應能夠進行信息推送。
③設備的安裝、測試參與。
8、方案效果
本次箱變、環網柜智能除濕系統投入運行后，先能夠實現當前最需要的環境狀態監測、除濕聯動控制和視頻實時監控。系統能夠及時將監控信息上報，幫助運維人員按照除濕等級做出正確的處置決策。未來陸續擴展系統功能后，可以實現配電設備的全景智能化可觀、可測、可控，從而提升配電網的智能化水平，實現配電網的智能運維。
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