变电站户外箱体防凝露装置及智能控制系统研究

谢志远

(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

电力箱体是变电站中连接一、二次设备的重要部件，其良好的设备状态直接关系到变电站的安全稳定运行。目前，由于安装工艺和产品质量等原因，变电站内很多户外电力箱体内的除湿加热装置除湿效果较差，加之冬季早晚温差较大，故箱体内壁在冬季易产生凝露形成水珠，引发箱内端子排严重锈蚀、绝缘降低、直流系统频繁告警等异常情况，进而导致直流系统接地、设备短路、故障跳闸等事故的发生。因此，彻底解决变电站户外电力箱体内的凝露问题对促进变电站安全稳定运行有着非常重要的作用。

变电站户外电力箱体的工作环境昼夜温差较大是形成箱体凝露的主要原因之一，相对密封的结构使其内部的潮湿空气难以排出箱外，当夜间温度降低时，便容易在箱体内壁上形成凝露。我国现有的户外电力箱体防凝露方式主要有半导体冷凝法、强制通风法、干燥剂法、电加热法。半导体冷凝法，其核心是通过半导体冷凝除湿装置将局部空间的水分子凝聚成液态水，通过引流管将水排出，使空间内绝对湿度下降，降低空间内其他位置凝露发生的概率，达到防凝露目的，但该方法在低温高湿环境下效果不明显。强制通风法通过空气对流与外界的干燥空气进行交换达到降低箱体内湿度的目的，但在外界环境湿度较大时效果不明显，易造成尘土及污秽侵入。干燥剂法是在箱体内悬挂干燥剂袋，吸除箱体内的湿气，降低箱体内湿度，避免凝露的形成。但干燥剂一旦饱和，除湿效果将失去，且需定期巡检更换。传统的电加热法，其核心是通过加热器将电能转化成热能，使局部空间温度上升，相对湿度下降，降低凝露发生的概率，但其在环境温度变化较快时，不能实现精准控制，且传统的加热装置需固定在箱体上，减少了便捷性，也增加了经济成本。基于此，下面提出一种可装拆式电力箱体防凝露装置以及相应智能控制系统的设计方案，以期在满足工程现场防凝露需求的同时降低经济成本。

1 可装拆式电力箱体防凝露装置

变电站户外电力箱体形成凝露的主要原因是箱体内外温差较大，因此，只要控制箱体温度在一个合适值就可在很大程度上抑制凝露的形成。因为凝露主要形成在顶部，所以设计一套可装拆的电力箱体防凝露硬件装置罩在电力箱体的顶部，通过热量循环抑制电力箱体内凝露的形成。

电力箱体防凝露硬件装置结构如图1 所示，其内含有电热丝，根据Q=I2Rt的原理，产生热量。装置第一层为不锈钢胆构造；第一层和第二层之间为真空环境，杜绝热力传递与对流；第二层为铝箔，使其产生镜面反射，杜绝热辐射的发生，使温度持续稳定；第三层为铝合金，便于热量传导。

图1 防凝露硬件装置

式(1) 中，Q为防凝露硬件装置产生的热量；I为通过电热丝的电流；R为电热丝的电阻；t为电热丝中通过电流的时间。

由于电流I取自电力箱体内，故为定值；电热丝采用铁铬铝电热合金电热丝，设定每立方米的电阻为1 500 Ω，则R=1 500VX，VX为防凝露硬件装置的体积。

根据Q=CmΔT的原理：

式(2)中，Q与式(1)中一致，为防凝露硬件装置产生的热量；C1为电力箱体材料的比热容，即不锈钢的比热容；ρ1为不锈钢的密度；V为电力箱体的体积，为定值；ΔT1为电力箱体的温升；C2为电力箱体内空气的比热容；ρ2为空气的密度；ΔT2为电力箱体内空气的温升；VX为防凝露硬件装置的体积；ΔTX为电力箱体壁与环境温度的温度差，此处认为ΔT1=ΔTX。

由式(1)和式(2)可知：通过控制VX或t可以控制Q的大小，进而控制电力箱体的温度。其相应的函数如下：

其函数图象如图2 所示。在充分考虑装置造价的情况下，需对VX进行限制，相应的造价函数为一元线性函数，即：

图2 公式(3)函数图象

式(4)中，S为造价，VX为防凝露硬件装置的体积。

与此同时还需考虑箱体内压强以及设备绝缘的情况，进而通过控制得到一个最优的Q值，以保证电力箱体在一个合适的温度，防止箱体内凝露的形成。

现场的户外电力箱体内多数均配置加热器和除湿机，为了更有效地达到防凝露的效果，本硬件装置可以与现有的加热器和除湿机配合使用。

2 防凝露装置智能控制器

电力箱体温度和湿度的变化是一个缓慢的过程，在对其的控制过程中会出现时滞问题，普通的PI 控制不能进行精确的控制。为解决该问题，考虑包括区间时滞、中立型时滞和分布时滞的混合时变时滞，通过选取适当的Lyapunov-Krasovskii泛函，基于线性矩阵不等式(LMI)设计出模糊H-∞控制器，通过该控制器可有效地解决时滞问题，并保证控制的稳定性和精度，如图3 所示。

图3 防凝露硬件装置产生热量控制

通过控制防凝露硬件装置产生的热量来控制电力箱体的温湿度。户外电力箱体应有一个通风口，当防凝露硬件装置进行加热工作时，方便电力箱体内外空气的流通。

3 户外电力箱体防凝露系统

通过设计防凝露系统实现对全省变电站户外电力箱体的态势感知，进而进行分析决策，最终实现对防凝露装置的统筹配置以及对防凝露装置的最优控制。温湿度传感器的遥测量、加热器和除湿机的工作状态传到变电站户外电力箱体防凝露系统，如图4 所示。变电站户外电力箱体防凝露系统对该信号传来的时间、具体的电力箱体编号、当前户外温湿度、当前电力箱体内的温湿度等数据以及加热器和除湿机的工作状态进行采集后，对变电站内每一个箱体形成相应的数据库，然后进行初步的数据分析、处理，并形成边缘决策。

图4 变电站户外电力箱体防凝露系统

上述初步处理过的数据、初步分析结果以及相应的边缘决策将上传至江苏省变电站户外电力箱体防凝露云平台(如图5 所示)。该防凝露云平台同时考虑每一个地市不同的气候特点，进而进行深层次的大数据分析，通过大数据分析，得出不同地区变电站内每一个户外电力箱体产生凝露的历史规律，并通过云平台中嵌入的人工智能系统对不同地区变电站内每一个户外电力箱体产生凝露的未来规律进行预测。然后通过横向和纵向对比每一个户外电力箱体的凝露规律，对全省变电站内每一个户外电力箱体分别做出一个全生命周期的、实时的、精准的控制方案，以实现对防凝露硬件装置的“靶向”投放、收回，最终达到实时精准控制防凝露硬件装置产生的热量，使防凝露硬件装置产生的热量、箱体内加热器产生的热量以及除湿机的功率三者达到最优化。

图5 江苏省变电站户外电力箱体防凝露云平台

通过上述电力物联以及人工智能云平台系统的应用可以有效地解决户外电力箱体的防凝露问题，同时降低运维成本，提高运行效率。相应的拓扑图如图6 所示。

图6 信息传输、处理及控制拓扑

当变电站与防凝露云平台的通信出现中断或数据丢包时，将由变电站户外电力箱体的防凝露系统自主控制电力箱体的防凝露硬件装置。由于站内数据传输距离较短且较为稳定，故暂时不考虑站内通信问题。

为了实现良好的人机交互，以及预防系统自动控制不理想现象的发生，在江苏省变电站户外电力箱体防凝露云平台和变电站户外电力箱体防凝露系统内相应地嵌入手动控制模块以解决上述问题。

4 应用效果

为了验证变电站户外电力箱体防凝露装置及相应系统的有效性，在江苏省苏州市某变电站进行了应用。

根据应用结果可知，变电站户外电力箱体防凝露装置及相关系统可以有效地防止户外电力箱体凝露的产生，并且系统界面具有较好的可视性。

5 结论

设计的变电站户外电力箱体防凝露装置及智能控制系统通过可装拆式防凝露装置、模糊H-∞控制器、人工智能云平台系统及人机交互，有效地解决了变电站户外电力箱体的凝露问题。其具体特点如下。

1) 可装拆式电力箱体防凝露硬件装置罩在电力箱体的顶部，无需对电力箱体进行较大的改动，且具有可装拆性。因此具有较好的经济性和便捷性。

2) 户外电力箱体防凝露系统通过应用人工智能云平台和对应的传感器实现了对电力箱体的态势感知，并根据大数据处理结果对相关硬件装置制定全生命周期的、实时的、精准的控制方案。通过该控制方案有效解决了传统控制方案的诸多弊端，降低了运维成本，提高了工作效率。同时，通过设计模糊H-∞控制器相应地解决了电力箱体温湿度控制过程中的时滞问题，可供工程应用参考。