淺談用于配電室的內部環境監控系統設計與產品選型

摘要：配電室是配電系統的重要組成部分，影響著電力用戶的用電需求，需要保障其安全、可靠運行。針對配電室內部環境進行了深入分析，設計了一種內部環境監控系統。通過該系統可以采集配電室內部的溫度、濕度、液位、SF6氣體和煙霧，根據采集來的數據及時對風機、除濕機、空調、排水泵等輔助設備進行聯動控制；此外系統采集得到的數據通過GPRS網絡傳輸到監控中心供工作人員查詢和控制。通過實地測試發現，該系統可以為配電室安全、可靠運行提供良好的內部環境支持。

關鍵詞：配電室；內部環境；監控系統

0、引言

配電室是指帶有低壓負荷的室內配電場所，主要為低壓用戶配送電能，設有中壓進線（可有少 量出線）、配電變壓器和低壓配電裝置。它是配電系統的重要組成部分，影響著電力用戶的用電需求，因此保障它安全、可靠運行顯得十分重要。影響配電室安全、可靠運行的因素很多，比如配電室內部的溫度、濕度、浸水、氣體和煙霧等 。考慮到上述因素對配電室的影響，本文設計了一種內部環境監控系統，用于配電室日常管理，以盡可能降低內部環境異常對配電室工作的影響，為配電室安全、可靠運行提供良好的內部環境支持。

1、系統設計思路

傳統方式下配電室內部環境的監控多以人工方式進行，存在漏檢、問題發現不及時等現象，工作效率低，不能保障配電室內部環境處于良好狀況 。因此本文摒棄傳統方式，采用智能化系統進行日常內部環境監控。通過分析配電室內部環境，本文設計的系統應該具備溫濕度監測、液位監測、SF6氣體監測、煙霧監測等功能。監測得到的數據匯總到一臺主機上面，主機根據設置的安全閾值進行綜合分析，根據分析的結果及時對風機、除濕機、空調、排水 泵等輔助設備進行聯動控制；此外，監測得到的數據通過GPRS網絡傳輸到監控中心供工作人員查詢和分析，工作人員可以遠程控制輔助設備。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

2、系統硬件設計

系統硬件主要由主機模塊、內部環境監測模塊、輔助設備控制模塊、電源模塊等組成。

2.1 主機模塊設計

主機模塊由CC2530*小化電路和GPRS通信電路組成。其中CC2530*小化電路采用TI公司 的CC2530芯片，配以相應的外圍電路，如圖 2 所示。CC2530*小化電路一方面把內部環境監測 模塊采集來的數據通過ZigBee無線網絡接收進來并和安全閾值進行比對分析，根據比對分析的結果再去控制輔助設備控制模塊；另一方面把內部環境數據通過GPRS通信電路中的USR-GM3，如圖3所示發送到監控中心服務器上，接收監控中心回傳的控制指令數據，再去控制輔助設備控制模塊。

2.2 內部環境監測模塊設計

內部環境監測模塊由CC2530*小化電路、485轉換電路和變送器電路組成。

                                                                                                                      圖2 CC2530*小化電路

圖3 GPRS通信電路

其中CC2530*小化電路用于加入到主機模塊創建的ZigBee無線網絡中去，通過ZigBee無線網絡把變送器采集來的數據傳輸到主機模塊。變送器電路用于采集內部環境相關數據，有溫濕度變送器、液位變送器、SF6氣體變送器、煙霧變送器。這些變送器都是RS485型的，4芯輸出，每一芯的顏色和對應的接線如圖 4 所示。485轉換電路用于變送器和 CC2530之間進行串口通訊，如圖5所示。

圖4 變送器電路

圖5 485轉換電路

2.3 輔助設備控制模塊設計

輔助設備控制模塊由CC2530*小化電路、空調控制電路、風機控制電路、除濕機控制電路和排 水泵控制電路組成。其中CC2530*小化電路用于加入到主機模塊創建的ZigBee無線網絡中去，通過ZigBee無線網絡接收主機模塊發送的控制指令數據。空調控制電路用于控制空調工作和停止，它由學習空調遙控器指令的紅外接收電路和控制空調工作的紅外發送電路組成。風機控制電路、除濕機控制電路和排水泵控制電路用于控制相應設備（風機、除濕機和排水泵）的工作和停止，它們由驅動固態繼電器電路、固態繼電器、交流接觸器和相應設備組成。

2.4 電源模塊設計

電源模塊用于輸出電能為主機模塊、內部環境監測模塊、輔助設備控制模塊提供電能。提供的電源有+3.3VDC、+3.6VDC、+5VDC、+12VDC和220VAC。其中直流穩壓電源由橋式整流 電路、濾波電路和穩壓電路組成。

3、系統軟件設計

為了實現模塊之間順利通信，需要在前面硬件設計的基礎上進行軟件設計。

3.1 主機模塊軟件設計

主機模塊開始工作后，需要進行初始化，然后建立ZigBee 網絡并為自己確定一個網絡ID，接著廣播自己的網絡ID和信道，等待內部環境監測模塊、輔助設備控制模塊的入網請求，并根據收到的入網請求做出應答。當主機模塊同意了它們的入網請求后，會自動為它們分配網絡短地址。成功組網后，主機模塊接收內部環境監測模 塊發送來的數據信息，并和安全閾值進行比對，根據比對的結果發送控制指令數據給輔助設備控制模塊；除此之外主機模塊還通過GPRS網絡將數據上傳到監控中心服務器，接收監控中心的控制指令數據并發送到輔助設備控制模塊進行控制。其流程如圖6所示。

圖6 主機模塊的軟件流程

3.2 內部環境監測模塊軟件設計

內部環境監測模塊開始工作后，需要進行初始化，自動掃描信道并向主機模塊發送入網申請， 直至成功加入主機模塊創建的ZigBee無線網絡為止。成功加入ZigBee無線網絡后，內部環境監測模塊按照事先設置好的時間周期把變送器采集來的數據發送給主機模塊，直至發送數據成功為止，其他時間段處于休眠狀態。其流程如圖7所示

圖7 內部環境監測模塊的軟件流程

3.3 輔助設備控制模塊軟件設計

輔助設備控制模塊軟件設計和內部環境監測模塊軟件設計很相似，不同之處在于成功加入主機模塊創建的ZigBee無線網絡后，輔助設備控制模塊只接收主機模塊發送的控制指令數據，根據指令數據再去控制具體的輔助設備工作或者停止。其流程如圖8所示。

3.4 監控中心相關界面軟件設計

監控中心相關的界面有登錄界面和管理界面。其中登錄界面需要工作人員輸入正確的賬號 和密碼，點擊確定才能進入到管理界面；管理界面一方面可以查詢到配電室內部的溫濕度、液位、SF6氣體和煙霧的相關數據，另一方面工作人員可以根據需要控制空調、風機、除濕機和排水泵工作或者停止。

圖8 輔助設備控制模塊的軟件流程

打開監控中心登錄界面，登錄界面如圖 9 所示，輸入賬號和密碼，點擊登錄按鈕進入管理界面，管理界面如圖10 所示。從圖10中可以看到當前溫度是25.79℃，濕度是57.65%RH，SF6 氣體、煙霧和液位為 0，相關輔助設備不需要控制、處于關閉狀態。

圖9 監控中心登錄頁面

圖10 監控中心管理頁面

4、安科瑞配電室環境監控系統

4.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子系統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

4.2應用場所

適用于軌道交通，工業，建筑，學校，商業綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統工程設計、施工和運行維護。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實時監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，實時顯示有關故障、告警等信息。

4.4.2數據查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數據。

4.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

4.4.4運行報表

查詢配電室內設備的運行數據報表。

4.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.4.6歷史事件查詢

能夠對產生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。 

4.4.7用戶權限管理

設置了用戶權限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

4.4.8網絡拓撲圖

支持實時監視并診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構。

4.4.9遙控功能

可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。

4.5系統硬件配置

5、結論

本文設計的系統緊貼配電室內部環境實際，從硬件和軟件2個方面著手進行設計。經過實地測試發現，系統能較好地為配電室安全、可靠運行提供良好的內部環境支持。