用于配电室的内部环境监控系统设计与产品选型

摘要：配电室是配电系统的重要组成部分，影响着电力用户的用电需求，需要保障其安全、可靠运行。针对配电室内部环境进行了深入分析，设计了一种内部环境监控系统。通过该系统可以采集配电室内部的温度、湿度、液位、SF6气体和烟雾，根据采集来的数据及时对风机、除湿机、空调、排水泵等辅助设备进行联动控制；此外系统采集得到的数据通过GPRS网络传输到监控中心供工作人员查询和控制。通过实地测试发现，该系统可以为配电室安全、可靠运行提供良好的内部环境支持。

关键词：配电室；内部环境；监控系统

0、引言

配电室是指带有低压负荷的室内配电场所，主要为低压用户配送电能，设有中压进线（可有少量出线）、配电变压器和低压配电装置。它是配电系统的重要组成部分，影响着电力用户的用电需求，因此保障它安全、可靠运行显得十分重要。影响配电室安全、可靠运行的因素很多，比如配电室内部的温度、湿度、浸水、气体和烟雾等。考虑到上述因素对配电室的影响，本文设计了一种内部环境监控系统，用于配电室日常管理，以尽可能降低内部环境异常对配电室工作的影响，为配电室安全、可靠运行提供良好的内部环境支持。

1、系统设计思路

传统方式下配电室内部环境的监控多以人工方式进行，存在漏检、问题发现不及时等现象，工作效率低，不能保障配电室内部环境处于良好状况。因此本文摒弃传统方式，采用智能化系统进行日常内部环境监控。通过分析配电室内部环境，本文设计的系统应该具备温湿度监测、液位监测、SF6气体监测、烟雾监测等功能。监测得到的数据汇总到一台主机上面，主机根据设置的安全阈值进行综合分析，根据分析的结果及时对风机、除湿机、空调、排水泵等辅助设备进行联动控制；此外，监测得到的数据通过GPRS网络传输到监控中心供工作人员查询和分析，工作人员可以远程控制辅助设备。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2、系统硬件设计

系统硬件主要由主机模块、内部环境监测模块、辅助设备控制模块、电源模块等组成。

2.1 主机模块设计

主机模块由CC2530*小化电路和GPRS通信电路组成。其中CC2530*小化电路采用TI公司的CC2530芯片，配以相应的外围电路，如图 2 所示。CC2530*小化电路一方面把内部环境监测模块采集来的数据通过ZigBee无线网络接收进来并和安全阈值进行比对分析，根据比对分析的结果再去控制辅助设备控制模块；另一方面把内部环境数据通过GPRS通信电路中的USR-GM3，如图3所示发送到监控中心服务器上，接收监控中心回传的控制指令数据，再去控制辅助设备控制模块。

2.2 内部环境监测模块设计

内部环境监测模块由CC2530*小化电路、485转换电路和变送器电路组成。

图2 CC2530*小化电路

图3 GPRS通信电路

其中CC2530*小化电路用于加入到主机模块创建的ZigBee无线网络中去，通过ZigBee无线网络把变送器采集来的数据传输到主机模块。变送器电路用于采集内部环境相关数据，有温湿度变送器、液位变送器、SF6气体变送器、烟雾变送器。这些变送器都是RS485型的，4芯输出，每一芯的颜色和对应的接线如图 4 所示。485转换电路用于变送器和 CC2530之间进行串口通讯，如图5所示。

图4 变送器电路

图5 485转换电路

2.3 辅助设备控制模块设计

辅助设备控制模块由CC2530*小化电路、空调控制电路、风机控制电路、除湿机控制电路和排水泵控制电路组成。其中CC2530*小化电路用于加入到主机模块创建的ZigBee无线网络中去，通过ZigBee无线网络接收主机模块发送的控制指令数据。空调控制电路用于控制空调工作和停止，它由学习空调遥控器指令的红外接收电路和控制空调工作的红外发送电路组成。风机控制电路、除湿机控制电路和排水泵控制电路用于控制相应设备（风机、除湿机和排水泵）的工作和停止，它们由驱动固态继电器电路、固态继电器、交流接触器和相应设备组成。

2.4 电源模块设计

电源模块用于输出电能为主机模块、内部环境监测模块、辅助设备控制模块提供电能。提供的电源有+3.3VDC、+3.6VDC、+5VDC、+12VDC和220VAC。其中直流稳压电源由桥式整流电路、滤波电路和稳压电路组成。

3、系统软件设计

为了实现模块之间顺利通信，需要在前面硬件设计的基础上进行软件设计。

3.1 主机模块软件设计

主机模块开始工作后，需要进行初始化，然后建立ZigBee 网络并为自己确定一个网络ID，接着广播自己的网络ID和信道，等待内部环境监测模块、辅助设备控制模块的入网请求，并根据收到的入网请求做出应答。当主机模块同意了它们的入网请求后，会自动为它们分配网络短地址。成功组网后，主机模块接收内部环境监测模块发送来的数据信息，并和安全阈值进行比对，根据比对的结果发送控制指令数据给辅助设备控制模块；除此之外主机模块还通过GPRS网络将数据上传到监控中心服务器，接收监控中心的控制指令数据并发送到辅助设备控制模块进行控制。其流程如图6所示。

图6 主机模块的软件流程

3.2 内部环境监测模块软件设计

内部环境监测模块开始工作后，需要进行初始化，自动扫描信道并向主机模块发送入网申请，直至成功加入主机模块创建的ZigBee无线网络为止。成功加入ZigBee无线网络后，内部环境监测模块按照事先设置好的时间周期把变送器采集来的数据发送给主机模块，直至发送数据成功为止，其他时间段处于休眠状态。其流程如图7所示

图7 内部环境监测模块的软件流程

3.3 辅助设备控制模块软件设计

辅助设备控制模块软件设计和内部环境监测模块软件设计很相似，不同之处在于成功加入主机模块创建的ZigBee无线网络后，辅助设备控制模块只接收主机模块发送的控制指令数据，根据指令数据再去控制具体的辅助设备工作或者停止。其流程如图8所示。

3.4 监控中心相关界面软件设计

监控中心相关的界面有登录界面和管理界面。其中登录界面需要工作人员输入正确的账号和密码，点击确定才能进入到管理界面；管理界面一方面可以查询到配电室内部的温湿度、液位、SF6气体和烟雾的相关数据，另一方面工作人员可以根据需要控制空调、风机、除湿机和排水泵工作或者停止。

图8 辅助设备控制模块的软件流程

打开监控中心登录界面，登录界面如图 9 所示，输入账号和密码，点击登录按钮进入管理界面，管理界面如图10 所示。从图10中可以看到当前温度是25.79℃，湿度是57.65%RH，SF6 气体、烟雾和液位为 0，相关辅助设备不需要控制、处于关闭状态。

图9 监控中心登录页面

图10 监控中心管理页面

4、安科瑞配电室环境监控系统

4.1概述

配电室综合监控系统包括智能监控系统屏、通讯管理机、UPS电源、视频监控子系统（云台球机、枪机）、环境监测子系统（温度、湿度、水浸、烟感）、控制子系统（灯光、空调、除湿机、风机、水泵）、门禁监控子系统（读卡器、开门按钮、磁力锁）、安防监控子系统（双鉴检测器）。

4.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，实时显示有关故障、告警等信息。

4.4.2数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室中各个设备的运行数据。

4.4.3曲线查询

可以直接查看各电参量曲线。

4.4.4运行报表

查询配电室内设备的运行数据报表。

4.4.5实时告警

具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。

4.4.6历史事件查询

能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。

4.4.7用户权限管理

设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

4.4.8网络拓扑图

支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

4.4.9遥控功能

可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

4.5系统硬件配置

名称	型号	图片	功能
系统	ACREL-2000E		Acrel-2000E 配电室综合监控系统，可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控，可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制，优化动力环境，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，实现配电动力环境的分布式远程管理。
智能通信管理机	Anet-2E4SM		通用网关，2路网口，4路RS485，可选配1路LORA，带电告警功能，支持485，4G从模块扩展。
主机	Acrel-2000E/A		数据采集、状态监测、设备控制、报警事件记录查询，可以根据采集到的设备数据或状态联动启动风机、声光报警器、空调、水泵等设备。
	Acrel-2000E/B		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。
	Acrel-2000E/M		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。立柜式安装。
	Acrel-2000E/G		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。立柜式安装
环境监测硬件	RS-WS-NO1-8		用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC 85～265V 工作温度：-40.0℃～99.9℃ 工作湿度：0%RH～99%RH
	BRJ-307		光电式烟雾传感; 电源正极（DC 12V）：+12V，继电器输出：常开触点
	RS-SJ-N01R01-2		接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC 10-30V 工作温度：-20℃~+60℃ 工作湿度：0%RH~80%RH 响应时间：1s 继电器输出：常开触点
环境监测硬件	T35-II-5.6		风量4800，带温控器，带消声段，电机变频
	AT8002		常开型；感应距离：30-50mm 材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
	DS-2DC6120BY-A		视频监控
	ARTU-KJ8		8路开关量输入,8路继电器输出