一种环网柜在线监测系统的制作方法

本发明属于环网柜技术领域，具体涉及一种环网柜在线监测系统。

背景技术：

环网供电是城市供电网主要结构形式，环网柜能关合、承载负荷电缆、环网电流，是目前实现环网供电的主要设备。电力环网柜数量众多，分布范围广泛，是城市6～10kv供电网络的重要组成部分和控制节点，因此环网柜内设备的运行状态直接关系到城市供电系统的可靠性。

环网柜内空间相对狭小，设备运行环境温度偏高，柜内设备长期处于无人监视状态。靠人为打开环网柜一一检查设备状况工作强度大，信息反馈比较滞后。环网柜广泛应用于住宅小区、商业中心、车站、机场、厂矿、企业、医院、学校等场所,其运行过程中环境的高温高湿都会对设备安全运行产生威胁,特别是箱内操作间隔接线端子，如发生高湿凝露后不及时处理就会引起设备误动作、开关跳闸等恶劣现象，从而影响受电区域正常供电，造成不必要的经济损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种环网柜在线监测系统，以解决现有的环网柜缺乏有效的在线监测和管理，容易造成高湿凝露后不及时处理就会引起设备误动作、开关跳闸等恶劣现象，从而影响受电区域正常供电，造成不必要的经济损失的问题。

本发明提供了如下的技术方案：

一种环网柜在线监测系统，包括移动终端、云平台、安全通讯基站、传感器组件、制冷除湿装置、洁净通风装置和太阳能组件及储能装置，所述云平台通过所述安全通讯基站分别与所述移动终端、所述传感器组件、所述制冷除湿装置和所述洁净通风装置进行通讯连接，所述太阳能组件及储能装置为所述传感器组件、所述制冷除湿装置和所述洁净通风装置提供供电；所述云平台用于汇聚、解密、存储、处理环网柜的状态数据，为应用提供数据支持，所述云平台自动依据国密sm7加密推送告警信息、展示环网柜设备状态与环境状态，为智能运检提供支持；所述安全通讯基站用于汇聚所述传感器组件的环境参数数据，并通过所述环境参数数据计算环网柜柜内露点，以产生所述制冷除湿装置和所述洁净通风装置的控制参数数据；所述安全通讯基站将所述环境参数数据和所述控制参数数据经国密sm2加密芯片加密后通过有线或无线方式传输到所述云平台；所述制冷除湿装置和所述洁净通风装置用于接收所述控制参数数据，实现环网柜内部的露点控制和洁净通风散热；所述太阳能组件及储能装置包括太阳能供电方式和pt供电方式。

进一步的，所述应用包括云平台应用和移动终端应用，所述移动终端应用基于微信小程序。

进一步的，所述传感器组件包括设置于环网柜的柜体内部的柜体温湿度传感器，实现环网柜内部环境采集；设置于环网柜的储存箱内的箱体内温湿度传感器、舱壁温度传感器、箱体外温湿度传感器，实现环网柜外部环境采集。

进一步的，所述柜体温湿度传感器、所述箱体内温湿度传感器、所述舱壁温度传感器、所述箱体外温湿度传感器均为无线传输式传感器。

进一步的，所述有线方式包括onu设备，所述无线方式包括4g、nb-iot和lte230。

进一步的，所述安全通讯基站包括主控mpu、sm2加密芯片、dc/dc隔离电源模块、继电器、有线通讯模块、无线通讯模块。

本发明的有益效果是：

本发明一种环网柜在线监测系统，通过云平台汇聚、解密、存储、处理各环网柜状态数据，为应用提供数据支持；通过安全通讯基站汇聚本地传感器数据，控制太阳能储能装置(或pt取能蓄能装置)高效收集能源，为洁净通风装置和制冷除湿装置提供能源；在环网柜内部署插拔式电缆接头温度传感器、智能避雷器、温湿度传感器实现环网柜设备状态在线监测；形成移动巡检app软件。对环网柜内设备运行状态进行在线监测，确保城市供电系统的稳定可靠；

采用先进的一体化、微型化封装技术，将无线温度传感器安装在电缆接头、闸刀开关触点、线路导线及接头等处，实现温度、温升和相间温差的高可靠实时在线监测，实现电力设备运行温度的智能管理，为电网设备的安全运行提供数据支持；无线传感器可以实时、准确地测量环境温度和环境相对湿度，使用户对现场环境实现远程的数据进行采集和监测，大大减少了人工量，突出便利性、准确性和实时性；一体式智能除湿装置是为电力设备开关柜、电气控制柜、端子箱、动力箱等各种电力和通讯设备配套的除湿装置，用于降低空间气体的湿度，避免电子元器件表面结露，降低绝缘器件的高压击穿风险，提高器件的可靠性，延长设备的使用寿命。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明结构示意图；

图2是50％及100％相对湿度下，不同温度下空气中水蒸气含量折线图；

图3是rh100％和rh60％时环网柜内空气的含水量表格图；

图4是各温度点由rh100％减少到rh60％冷凝的水蒸气的质量表格图；

图5是由rh100％降低到rh60％水蒸气冷凝液化需要释放的热量表格图；

图6是环境湿度rh100％降为rh60％需要的时间表格图；

图7是露点温度与环境温度湿度的关系表格图；

图8是安全通迅基站原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种环网柜在线监测系统，包括移动终端、云平台、安全通讯基站、传感器组件、制冷除湿装置、洁净通风装置和太阳能组件及储能装置，云平台通过安全通讯基站分别与移动终端、传感器组件、制冷除湿装置和洁净通风装置进行通讯连接，所述太阳能组件及储能装置为传感器组件、制冷除湿装置和洁净通风装置提供供电；云平台用于汇聚、解密、存储、处理环网柜的状态数据，为应用提供数据支持，云平台自动依据国密sm7加密推送告警信息、展示环网柜设备状态与环境状态，为智能运检提供支持；安全通讯基站用于汇聚传感器组件的环境参数数据，并通过环境参数数据计算环网柜柜内露点，以产生制冷除湿装置和洁净通风装置的控制参数数据；安全通讯基站将环境参数数据和控制参数数据经国密sm2加密芯片加密后通过有线或无线方式传输到云平台；制冷除湿装置和洁净通风装置用于接收控制参数数据，实现环网柜内部的露点控制和洁净通风散热；太阳能组件及储能装置包括太阳能供电方式和pt供电方式。

其工作原理具体如下，

(1)冷凝的物理原理

1)绝对湿度和相对湿度的定义

绝对湿度，即单位体积空气中所含水蒸汽的质量，常用l立方米空气中所含水蒸汽的克数来表示。

相对湿度，即空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值。

空气相对湿度的表达式：

其中，eω是绝对湿度，e^*ω是最高湿度；

如图2所示，表明了随着温度的变化，对于不同相对湿度，空气中水蒸气含量的变化。

2)结露条件及过程的理论

由热力学原理，当一定温度的湿空气中水蒸汽的分压力pv达到该温度下水蒸汽的饱和蒸汽分压力pvb时，水蒸汽就会放出热量凝结成水。结露条件可以表示成：pv≥pvb；

结露过程为一阶相变过程，空气中水蒸汽的饱和分压力仅与饱和温度有关系。一定饱和温度下饱和水蒸汽分压力pvb为固定值，所以在一定的空气饱和温度下，结露是否发生则取决于湿空气中水蒸汽的分压力pv，湿空气中的水蒸汽含量越高，即pv越高，则结露条件越容易满足，越容易结露。同样，当空气中的水蒸汽含量不变，即水蒸汽的分压力不变时，湿空气的温度逐渐降低达到该压力水蒸汽的饱和温度时，也会产生结露。该饱和温度为该压力下空气的露点tl。特别是当湿空气与某一冷固体表面接触时，若表面温度为tw，则壁面结露的条件可以写为：tw≤tl；

由上式可知，影响tw和tl的因素均会影响结露的产生。对于环网柜柜内的空气来讲，其湿度发生变化时，其露点tl也是随之变化的，所以壁温或带电金属温度tw就成为影响柜内壁面和带电金属结露的主要因素。

由此可见，在高湿空气环境条件下，不一定会发生凝露，除非柜壁或带电金属、绝缘材料的表面温度低于高湿空气温度达到一定差值，空气湿度达到饱和时，只要有温差就会凝露，非饱和水蒸汽只要温差够大也会凝露。如果在柜内空气湿度较大的条件下，盲目投入加热器加热空气，会增加空气与柜壁、带电金属和绝缘材料表面的温差，更容易形成凝露，从而引发凝露，所以简单加热柜内空气并不能防止凝露，只有降低柜内空气温度或者降低空气的含水率才能可靠的防止凝露的产生。

3)冷凝除湿的原理

rh100％和rh60％时柜内空气的含水量：根据密度公式ρ＝m/v可计算，假设环网柜有2m³的空间里，空气密度常温常压下为1.29kg/m³，这两种相对湿度下水分含量(g)如表3所示。

(a)、rh100％和rh60％时环网柜内空气的含水量的变化量：如图4所示。

(b)、制冷机转换这部分能量产生的制冷量；如图5所示。

根据能量守恒，液化一定量水蒸汽所变化的热量和制冷机的制冷量是相对应的，根据水的汽化热hv＝2.26×10^6(j/kg)计算水蒸气冷凝液化需要释放的热量q＝mhv(j)。

(c)、环境湿度rh100％降为rh60％需要的时间；对于一台制冷量为100w的小型冷干机，把柜内湿度调节到rh60％所需要时间(分钟)如图6所示。所以，由上面的计算可以看出，采用一台制冷功率为100瓦的半导体致冷器可以快速除去空气中的水分，降低柜内湿度，有效的预防凝露现象的发生。

(2)温湿度监测与冷凝预警

在环网柜储存箱内外分别布置温湿度传感器，实时监测储存箱内外的温湿度；在环网柜舱壁布置温度传感器，实时监测舱壁与储存箱内空气温度差，并依据图7所示，“露点温度与环境温度湿度的关系”，实时计算露点温度，预警冷凝事件发生；在给的的环境温湿度下，当舱壁温度低于露点温度时，将会发生冷凝事件，对设备安全运行造成危害，应提前采取防凝露措施，确保不会发生凝露事件。

(3)安全通讯基站

如图8所示，安全通讯基站是环网柜状态监测装置的核心控制单元，完成信息采集、传输与现场温湿度控制的功能，安全通讯基站的原理框图如图1-2所示。安全通讯基站主要由主控mpu与sm2加密芯片、dc/dc隔离电源模块、温湿度传感器ths1/ths2、温度传感器ts1、继电器1/2、2.4ghzwsn通讯模块、nb-iot/4g无线通讯模块、10/100m以太网通讯模块、天线等功能单元组成。工作原理：mpu通过柜体舱壁温度传感器实时采集舱壁温度、储存箱内环境温湿度传感器ths1采集箱内环境温湿度、储存箱外环境温湿度传感器ths2采集箱外环境温湿度，由ths1计算箱内露点温度。根据采集的储存箱内外温湿度和舱壁温度，决策通风或制冷除湿的控制策略，实现箱内凝露控制，避免舱壁发生凝露。通过2.4ghzwsn通讯模块收集t型接头温度传感器、门磁传感器、水浸传感器、水位传感器等其他wsn传感器采集的信息，这些环网柜的状态信息和环境温、湿度数据、控制状态信息经sm2加密芯片加密后通过nb-iot/4g无线通讯模块发送到云端，或通过以太网通讯模块由配网自动化onu通讯单元发送到内网安全3区，为运检平台提供实时数据支持。

(4)制冷除湿装置、洁净通风装置

安全通讯基站是环网柜状态在线监测装置的主控单元，mpu实时检测储存箱内外的环境温湿度和舱壁温度，实时计算舱壁露点温度，对储存箱内地温湿度进行控制：

①在舱壁温度接近露点温度前适时启动凝露控制：

a:储存箱外湿度低于箱内湿度：

储存箱外温度低于箱内温度：全速启动洁净通风装置，将箱外干冷空气抽入箱内，迅速降低箱内温度与湿度，使得箱内舱壁温度远离露点温度，从而避免舱壁凝露；

储存箱外温高于箱内温度：中速启动洁净通风装置，将箱外干热空气抽入箱内，缓慢提升环网柜舱壁温度、降低空气湿度，使得舱壁温度远离露点温度，从而避免舱壁凝露；

b：储存箱外湿度高于箱内湿度：

储存箱外温度低于箱内温度：低速启动洁净通风装置，将箱外湿冷空气缓慢抽入箱内，将湿热空气通过储存箱顶部散热窗慢慢挤出箱内，降低储存箱内的气温从而降低露点温度，舱壁温度相对上升而远离露点温度，从而避免舱壁凝露；

储存箱外温高于箱内温度：储存箱外的高温高湿空气一旦进入箱内极易导致舱壁凝露，所以必须关闭洁净通风装置，如果舱壁温度接近露点温度，就及时启动制冷除湿模块除湿，将储存箱内的湿度降低，使得舱壁温度远离露点温度，从而避免舱壁凝露。

②在舱壁温度远离露点温度前适时启动凝露控制：

a:储存箱外湿度低于箱内湿度：

储存箱外温度低于箱内温度：根据储存箱内空气温度与目标控制温度关系确定洁净通风装置的控制策略，如果箱内温度高于控制目标温度就全速启动洁净通风装置，迅速降低箱内温度，达到目标温度后降低通风速度以节省能源；

储存箱外温高于箱内温度：就停止洁净通风装置以节省能源和延长风机寿命；

b:储存箱外湿度高于箱内湿度：

储存箱外温度低于箱内温度：低速启动洁净通风装置，将箱外湿冷空气缓慢抽入箱内，将湿热空气通过储存箱顶部散热窗慢慢挤出箱内，从而降低箱内气温，避免极速通风造成湿度极具增大而导致凝露；

储存箱外温高于箱内温度：储存箱外的高温高湿空气一旦进入箱内极易导致舱壁凝露，所以必须关闭洁净通风装置，待舱壁温度接近露点温度时再启动制冷除湿模块。

③洁净通风的工作原理

洁净通风装置总是将储存箱外地空气经滤尘网过滤后送入环网柜形成微正压，避免环境粉尘通过各种缝隙进入柜内，实现洁净通风，保持环网柜储存箱内地环境清洁。

④封堵

上述箱体温度与湿度控制、洁净通风等功能的实现都是在pt或太阳能供电的条件下实现的，由于可用能源有限，所以制冷功率和通风功率都严重受限，必须对进入箱体的外表湿气进行限制，所以必须对湿气的主要来源电缆沟进行良好的封堵，同时对环网柜底部的散热进风口进行封堵，使得全部进入环网柜储存箱的空气都是经过滤尘网过滤的空气，实现洁净通风。

(5)太阳能组件及储能装置

由于环网柜状态监测装置采用pt供电或太阳能供电，其能提供的能源非常有限，为了保证其他设备正常工作，装置个用瞬态功率不能满足制冷除湿或滤尘通风的需求，在封堵良好的前提下，耗电较大的大功率的制冷除湿模块不是经常启动的，所以可以用蓄电池储能，以备在需要除湿时用蓄电池提供主要的制冷除湿能源。

通常ptz最大功率不超过500va，还要保证计量和其他自动化系统的正常工作，所以可用功率一般不超过100w，假设高湿天气每天启动2套100w制冷除湿模块1次60分钟，则耗电为200wh，同时每天启动4组20w滤尘风20小时，则需要的蓄电池容量为取300wh，可用充电功率为:20w*20h+100w*2h＝600wh，可用满足正常工作的需要。

其他可以附加的传感器及设备：

1)电缆t型插拔头温度监测：在t型接头的端盖内部集成电压感应取电型2.4ghzwsn无线温度传感器，实时监测电缆t头的工作温度，温度信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统；

2)水浸：在环网柜大箱顶部和地板分别部署2.4ghzwsn无线水浸传感器，实时监测环网柜漏雨状态，水浸信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统；

3)水位：在环网柜地下电缆沟部署2.4ghzwsn无线水位传感器，实时监测环网柜地下电缆沟的水位状态，水位信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统；

4)避雷器监测：应用可插拔wsn无线智能避雷器替代传统插拔式避雷器，实现避雷器泄漏(全)电流、阀芯温度和动作次数监测，避雷器状态信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统；

5)门磁：在环网柜大箱各门上分别部署2.4ghzwsn无线门磁传感器，实时监测环网柜门开闭状态，门开闭状态信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统；

6)地线防盗：在箱体外接地铜排的箱内侧和大地分别接入wsn无线接地线防盗传感器，当外部接地铜排被盗，该铜排与大地之间无接地环路，传感器自动告警接地铜排丢失，接地铜排丢失信息经国密sm7芯片加密后通过安全通讯基站发送到后台系统。

7)信息安全

物联网应用核心问题之一是信息安全，国家电网公司已经发布了电力物联网相关信息安全标准q/gdw/z1939—2013《电力无线传感器网络信息安全指南》，在遵循上述标准的基础上，我公司积极与信通产业集团智芯微电子科技有限公司推出新一代无线安全传感器，在全部传感器内部集成低功耗sm7国密芯片，在安全通讯基站集成sm7与sm2国密芯片，传感器数据传输到安全通讯基站后由sm7芯片实现传感器身份论证和数据解密，合法有效数据在经过基站压缩、去冗余、多传感器融合处理后形成新的有效数据，再经过sm2国密芯片加密后传输到云端或后台系统，实现可信安全保密通讯。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。