10kV箱变、环网柜智能除湿系统
技 术 方 案
江苏征途电气科技有限公司
2024年9月
一、背景概述
箱式变电站及环网柜是城市配电网的重要组成部分，承担着电缆线路分段及台区的降压供电任务。随着电网配电自动化覆盖率的大幅提升，智能融合终端和配电站所终端作为配电自动化的终端设备已得到大量运用。使配电网的生产运行数据得到了可靠采集，并于各种配电终端设备中进行汇聚计算以及远传上送，大大提高了城市配电网的智能化、自动化水平。
但是与安全稳定运行紧密相关的辅助类信息却未做到可靠有效的采集和上传，以至于配电线路以及配电设备的整体智能化水平不高。配电设备和辅助设备的状态缺乏监测、监控、无法及时获知，导致在实际运行过程中总是存在着各种痛点问题，例如：柜内空气湿度较高，容易造成母线相与相间、相与地间放电，以及在柜体内壁产生凝露，引发套管爬电污闪故障，配变桩头发热导致起火、配变绝缘劣化造成短路事故、配变过载造成配变烧毁、柜内电气连接点接触电阻过大引发火灾、配电设备被外力破坏、设备运行环境恶化（极端天气、严重汛情或城市内涝等）影响可靠供电及设备安全等。台区中所存在的这些问题明显不符合新型电力系统的特征和建设要求。
所以,为解决目前箱式变电站和环网柜普遍存在的痛点问题，及时获知配电设备、辅助设备以及配电设备周边环境的各种状态，就需要在上述设备中部署一套基于电力物联网技术，具备采集功能、汇聚功能、边缘计算功能以及上传功能的智能感知系统。该系统对上述配电设备的本体状态、运行状态以及运行环境进行实时的多方式、全方位感知，实现配电设备可全景远程监控，及时发现异常工况，并通知运维人员进行快速处理，从而真正实现状态检修。当隐患发生时，可以提前发现，及时预警，使运检部门可以安排转供电并进行提前检修；当故障发生或运行环境恶化时，可以及时告警，使运检部门在最短时间内进行处置（停电检修或复电）操作。从而缩短停电时间、提高供电可靠性，同时保证配电设备、配电系统的安全稳定运行以及有效防止可能发生的触电导致人身伤亡的风险。
二、系统简述
本系统采用标准电力物联网架构，由感知采集、除湿控制设备、实时视频监控、汇聚（边缘计算）及上传设备组成。通过部署不同的感知采集、除湿控制设备可以实现多种设备状态、设备运行状态以及环境状态信息的采集；通过配置不同的汇聚上传设备，系统可以部署在配电自动化已覆盖或未覆盖区域（未来可根据配电终端部署情况再进行接入），真正实现配电设备及周边环境的可观、可测、可控，打造符合新型电力系统建设要求的智慧配电网。
三、技术方案
1、感知采集、除湿方案
针对箱式变电站及环网柜中目前存在的各种问题，可通过部署不同类型的传感器进行数据采集并汇聚至边缘计算设备（环境监测主机网关）进行运算处理工作，使整个台区透明化，让设备的状态可观、可测、可控。
对于环境湿度较大的地区，在配电设备柜内加装除湿设备。除湿设备与集中器通过有线方式进行信息交互。设备可独立运行，也可以与其他传感器通过集中器（边缘计算设备）进行联动。在环网柜不停电的情况下安装柜外微正压新风装置，使柜内外温度无温差，破坏凝露条件。
2）通过柜内安装温湿度传感器采集柜内环境数据，可用于多参量分析设备状态或是联动控制设备，例如启动通风或除湿设备。与集中器通过无线通讯（LoRa）方式进行信息交互。
3）针对电缆沟进水的情况，可以在电缆沟中部署水浸传感器，及时发现水浸问题并上报。与集中器通过无线通讯（LoRa）方式进行信息交互。
4）针对设备遭到外力破坏，例如柜门非正常开启，则可以通过高清广角摄像机予以监视，所记录的影像资料便于进行事件分析和追溯。与集中器通过无线通讯（LoRa）方式或有线方式进行信息交互。高清广角摄像机配合AI算法后，还可以用于人员行为的识别。
5）针对所有电气连接点的异常温升问题，通过在电气连接部位安装新型的无源无线电缆头温度传感设备，实时采集各个电气连接点的温度数据。新型的无源无线温度传感设备具有高精度温度测量能力以及极低负荷电流情况下的工作能力。与集中器通过无线通讯（LoRa）方式进行信息交互。
6）针对设备绝缘劣化、破损等造成的放电情况，通过于柜内安装各种原理（特高频、地电波或超声波）的局部放电传感器，采集设备的局部放电数据。与集中器通过无线通讯（LoRa）方式进行信息交互。
7）针对严重汛情或城市内涝带来的配电设备被水浸泡的情况，可以通过部署水位传感器，主机带AI识别功能提前发现设备周边的环境恶化情况，便于提前做出正确的处置措施。传感器以及摄像设备与集中器通过无线通讯（LoRa）方式以及有线方式进行信息交互。
8）在未来的实际运用中，还会产生各种新的需求。因为有了此系统的存在，只需部署新的感知采集设备即可，台区的智能化水平也将越来越高。
9）微区域智辅感知采集设备汇总列表：
序号
解决的痛点问题
解决方法
上行通讯方式
1
10KV箱变及环网柜环境监测、视频监测、联动控制、边缘计算、本地显示、远程数据上报及控制
安装柜外壁挂式环境监测主机网关（功率20W）
有线/无线、4G通讯
2
电气柜潮湿严重，除湿、凝露
安装柜内防凝露控制装置（60W*4台）
有线通讯
3
柜内空气流动
安装微正压新风装置（60W）
有线/无线通讯
4
柜内环境监测
安装温湿度传感设备（1W）
有线/无线通讯
5
电缆沟进水、电缆泡水
安装水浸传感器（1W）
无线通讯
6
柜门外场景可视化监测
安装高清广角摄像设备（5W）
有线通讯
防外力破坏监测
7
绝缘劣化、破损
安装电缆头测温、局部放电传感器（选配2W）
无线通讯
2、汇聚及上传方案
1）目前可采用方案
为保证在短期内可以实现上述智辅功能，可先将所有感知采集、除湿联动控制设备所收集的信息通过有线或无线（LoRa）方式汇聚至具备4G通讯功能的智辅集中器（环境监测主机网关），然后由智辅集中器（环境监测主机网关）通过4G公网/专网远传至后台系统。
具体架构及传输路径见以下示意图：
智辅集中器（环境监测主机网关）具备无线通讯、有线通讯功能以及公网无线通讯功能，同时具备边缘计算功能，并具备AI功能。
2）未来可采用方案
未来配置了智能配电终端后，可以取消智辅集中器，采取传感采集设备直接与智能配电终端中的本地通讯模块互联方式，由智能配电终端做为边缘计算以及上传设备；或是保留智辅集中器做为边缘计算设备与智能配电终端互联，仅将计算结果上报至智能配电终端，甚至可以通过智辅集中器直接上传视频信号，以此减轻智能配电终端的算力压力以及数据流量压力。
具体架构及传输路径见以下示意图：
四、针对除湿试点项目的技术方案细化
1、感知监测、除湿联动方案
温湿度传感器温度测量范围：-40℃～85℃，精度：±0.5℃，湿度测量：范围：5～95%RH，精度：±3%RH。
柜内排水型除湿（柜内防凝露控制装置），采用先进的半导体制冷技术除湿，可设置柜内湿度高于65%时启动除湿机，低于60%时关闭除湿功能，单台抽湿量24小时抽湿320mL。
微正压新风和排水型除湿相结合有效的防止环网柜凝露。
装置主体空气流动示意如下：
壳体进气口初级过滤 → 活性炭滤芯精过滤 → 离心风机加压 → 背面出风口排出。
柜内温度高于40℃，风机自动开启，不断向柜内鼓风，起到通风散热的作用；柜内湿度大于75%、柜内外温差超过5℃时，风机自动开启，不断向柜内鼓风，加速柜内柜外空气交换，使柜内柜外温度趋于相同，使柜内凝露条件难以出现；环网柜内温度低于30℃、湿度小于60%，此时柜内空气比较干燥，风机间歇性开启进行通风，起到定期进行柜内柜外空气交换的目的；环网柜外湿度大于柜内湿度时，风机停止，只开启排水型除湿器，杜绝柜外高湿随风机通风进入环网柜内。
注：为了使柜内空气能按上图示意方式流动，开关柜、环网柜、箱变等设备柜体要进 行必要的密封处理，将柜体原有的通风口、缝隙进行必要封堵，只在装置安装部分的对侧留出出风口，这样，才有利于在柜内形成微正压，保证空气从柜体一侧进入，从另一侧排出。柜门缝等则不必进行封堵，因为这些缝隙很小，空气的摩擦力很大，对微正压条件的形成影响不大。
于环网柜及柜变内部靠近柜门位置的下方，敷设水浸传感器的感应线，并部署水浸传感器，用以监视水是否已经进入配电设施。
于柜变右侧安装立杆，立杆上部署高清枪机一台，用于拍摄柜变和环网柜以及基础部分。通过AI人工智能进行监测。
2、汇聚上传方案
采用边缘计算环境监测主机网关用来收集所有传感器信息以及摄像机视频。边缘计算主机网关具备边缘计算能力以及AI人工智能识别能力，结合采集到的感知信息进行除湿联动判断，并及时给出预警和告警。环境监测主机网关安装于固定在柜外防水柜体内，柜体内自带温湿度传感器。
3、系统部署示意图
4、电源供给方案
交流电源从413开关处接引，通过地埋金属管引至立杆处，向环境监测主机网关及摄像机供电。传感器安装于配电设备柜内，尽量采用外部供电方式。
5、远传及后台方案
暂时采用无线4G公网方式进行远传，数据上传至服务器，所有信息需做好脱敏工作。后台具备推送功能，及时向运维人员推送预警及报警信息。
6、AI人工智能方案（扩展）
AI人工智能需能够准确识别道路水淹以及基础泡水的情况，并能通过识别水位标尺的刻度来进行预警或报警。
7、方案实施
①本次智能除湿系统技术方案安装主要目的是用于环境监测、除湿联动控制及视频监控。
②总体除湿配置方案确定后，进行安装和测试。系统后台采用服务器，暂时利用公网4G进行远程通讯，预警及报警应能够进行信息推送。
③设备的安装、测试参与。
8、方案效果
本次箱变、环网柜智能除湿系统投入运行后，先能够实现当前最需要的环境状态监测、除湿联动控制和视频实时监控。系统能够及时将监控信息上报，帮助运维人员按照除湿等级做出正确的处置决策。未来陆续扩展系统功能后，可以实现配电设备的全景智能化可观、可测、可控，从而提升配电网的智能化水平，实现配电网的智能运维。
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