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基于物联网技术的电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：万军，杨易政，万琪，郑涛，孙维然，李桐

[导读] 电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置采用物联网技术，实现光缆熔接盒内、外环境温湿度监测；光缆熔接盒内水浸监测；光缆熔接盒内昆虫侵入监测；提升光缆熔接盒运维工作效率，实现内部环境参数可视化运维；提升光缆熔接盒的可靠性。

万军，杨易政，万琪，郑涛，孙维然，李桐
        （云南电网有限责任公司红河供电局云南红河，661100）
        摘要：电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置采用物联网技术，实现光缆熔接盒内、外环境温湿度监测；光缆熔接盒内水浸监测；光缆熔接盒内昆虫侵入监测；提升光缆熔接盒运维工作效率，实现内部环境参数可视化运维；提升光缆熔接盒的可靠性。
        关键词：温湿度传感器；光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置；冷凝除湿；昆虫侵入监测
        Integrative Device for Environmental Monitoring and Dehumidification of Power Optical Cable Fusion Box Based on Internet of Things
        Wang Jun ,Yang Yizheng,Wang Qi, Zheng Tao, Sun Weiran , Li Tong
        (Honghe Power Supply Bureau, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Honghe Yunnan,661100)
        Abstract:Environmental monitoring and dehumidification integrated device of power optical cable fusion box adopts the Internet of things to realize temperature and humidity monitoring inside and outside the optical cable fusion box.In addition,it can be used to monitor the water immersion and insect invasion in the fiber optic cable fusion box.Adoption of this device is greatly improve the operation and maintenance efficiency, realize the visualization operation and maintenance of internal environment parameters,and improve the reliability of the fiber optic cable fusion box.
        Keywords:Temperature and humidity sensor;Environmental monitoring and dehumidification integrated device of power optical cable fusion box;Condensation dehumidification;Insect invasion monitoring

        0引言
        光纤熔接盒的故障一个很重要的原因是野外杆塔光缆熔接盒长期运行后导致密封不好，防潮、防水性达不到要求，亚热带南季风气候影响下，树木虫类生长较快，对通信光缆接头盒密封胶啃咬、筑巢现象导致通信中断时有发生。进水及潮湿空气及灰尘等腐蚀导致光缆纤芯故障。线路巡维人员在巡视接头盒时完全以外观判断接头盒好坏，并没有直观的数据依托。光缆熔接盒的运行环境的情况在日常巡检中不能进行监测。
        为了杜绝光缆熔接盒内进水及昆虫侵入，避免此类缺陷引起光纤故障，提升光缆运行的可靠，提升运维工作的效率，采用物联网技术，通过实时监测光缆熔接盒内外环境参数，实现盒内工作参数的可视化运维。
        1 电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置的工作原理
        光缆熔接盒的可靠工作有赖于其内部的工作环境参数合适，如果内部进水或者高湿度，内部零部件将锈蚀，光纤将不能正常工作，引发通信故障，所以需要测量、控制盒内空气温湿度，在发生盒内湿度超标或冷凝现象时及时发出告警信息。装置原理框图如图1-1所示。


        图1-1光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置原理图



        1.1温湿度监测：
        温湿度监测由内外温湿度传感器2套温湿度传感器组成，MCU定时唤醒，测量内外环境温湿度，测量结果通过NB-IOT传输到后台系统，为远程运维提供支持。
        1.2冷凝控制：
        1.2.1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：


        T为干球温度计的读数。
        图1-2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。


        图1-2 50%及100%相对湿度下，不同温度下空气中水蒸气含量

        1.2.2结露条件及过程的理论分析
            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。对于高压开关柜内的空气来讲，其湿度会随外界湿度变化而变化，其露点Tl也是随之变化的，所以壁温或带电金属温度Tw就成为影响高压开关柜内壁面和带电金属结露的主要因素。
            由此可见，在高湿气候条件下，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气温一定的温度，当湿度达到饱和时，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。如果在空气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，从而引发事故，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。
        1.2.3冷凝除湿的原理
        1.2.3.1 RH100%和RH60%时开关柜内空气的含水量
        根据密度公式ρ=m/V可计算，假设开关柜有0.002m³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1所示。


        表1、RH100%和RH60%时盒内空气的含水量（g）

        所以，由上面的计算可以看出，采用一台制冷功率为1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。
        1.2.3.5 制冷除湿装置原理
        为了除去盒内多余的水份，通过冷却空气温度，析出空气中的水份，图1-3为制冷元件的工作原理图，致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
        图1-4为制冷除湿器的工作原理框图，盒内除湿采用半导体制冷元件产生冷源，通过冷端散热器对盒内空气进行冷却，空气中的水份冷凝在冷端散热器上，然后形成液体水通过管道流出盒外，从而降低盒内的水份，另一方面半导体制冷元件的在热端会产生大量热量，热端产生热量加热空气，可以增加空气的含水率，增加与冷端散热器的温度差，加速冷凝除湿，提升除湿效率。


        图1-3制冷元件工作原理图                  图1-4制冷除湿器工作原理框图


        1.3昆虫侵入监测：
        对于云贵高原特有的红蚁啃咬光缆熔接盒的密封硅胶，侵入盒内筑巢，由于红蚁体积微小且活动漫爬，一般检测方法无法有效检测到，本方案采用平板电容检测方案，如图2-1所示，在光缆熔接盒的密封界面内部布置电容极板，当红蚁、野蜂在极板间筑巢将改变电容的介质，介质的介电常数发生改变也就引起电容量的变化，采用低功耗振荡器检测该容量的变化，MCU只要简单的测量振荡器的频率就可以检测出小动物侵入筑巢，但本方案依赖难以及时检测出未筑巢或筑巢很小的虫蚁侵入，有赖项目实施后不断收集现场数据，再寻找完美解决方案。
        1.4信息安全与通信传输：
        为了保障本项目的信息安全，所有通信数据都采用国密SM1加密芯片进行硬加密，同时为杜绝仿冒攻击，所有数据都绑定数据产生的时刻信息，任何纪录-重发的信息都会被作为冗余信息或超时信息直接剔除，并提示系统有可能遭受仿冒攻击。对未经加密和身份论证的信息一律阻止发送到后台系统，并发出系统遭受过载攻击的警告，避免系统崩溃。
        对为支持远程可视化巡检，本方案首选低功耗的NB-IOT数据通信模式，应用NB-IOT将数据传输到后台系统，对偏远地区暂时没有NB-IOT的地方可以选择4G/3G/2G全网通无线通信模块实现与后台的数据交换，对无人区没有任何移动通信网络的地理位置，可以采用LoRa远程无线多跳自组网通信模式，将数据集中在有移动通信网络、ADSS/OPGW光纤网络或者BDS单向数据通信模块的杆塔，然后通过阻性网络将数据传输到后台系统。
        为支持移动巡检，本项目还采用蓝牙低功耗BLE通信模式与手机进行通信，手机通信数据经过SM1/SM7国密芯片加密后发送给手机，手机采用USB-SM1国密解密机对加密信号解密，解密后数据发送给手机APP，由APP实现信息展示和告警应用。
        网络通信架构如图1-5所示：


        图1-5通信架构


        1.5手机APP远程监控：
        巡检软件主要用于无联网要求环境，软件运行于移动设备上，并通过内置专用基站与冷凝除湿装置等设备通讯。
        软件初次启动时，界面如图1-6，图1-7所示。软件提供开始巡检与结束巡检开关，并提供实时状态显示、历史巡检查询以及数据同步功能。
        软件开启后，点击“开始巡检”将开启设备通讯，此时手持机将尝试读取附近的冷凝除湿装置与无线传感器等信息，如图2-7所示。对于每个除湿机，主要显示当前温度、湿度以及设备工作状态等信息。
        同时在每个除湿机左下角，还提供手动启动除湿切换开关。以方便特殊情况下，进行人为干预，手动启动除湿功能。
        单机除湿机状态卡的右上角齿轮图标，即可进入除湿机参数设置界面。可以在此设置除湿机启、停的露点温度与相对湿度阈值。



        图1-6 启动界面                         图1-7 实时数据


        2 关键技术
            考虑该装置应用在无电源供应、难以维护的野外光缆熔接盒场景，选用高精度半导体集成温湿度传感器，用于监测盒内、外环境的温湿度，这些温湿度传感器的数据融合后形成凝露判据。
            光缆熔接盒使用的传感器节点必须具备满足以下技术条件：
        1)微型化：要安装在光缆熔接盒内，体积大的传感器挤占盒内空间，影响光纤正常布局，所以为避免对盒内其他设备造成干涉，光缆熔接盒内的传感器越小越好；
        2)低功耗与长电池寿命：本装置安装在云南山区的铁塔上，为减小太阳能电池的面积，并且能够适应连续长时间阴雨天气正常运行，传感器节点的功耗必须足够低，以保证整个装置的供电系统能够安装在光缆熔接盒内而不造成与光纤、尾纤的物理空间干涉；。
        3)高可靠：本装置安装在云南山区的铁塔上，大部分位置人员难以抵达，维修保养困难，所以本装置必须能够实现长期免维护运行；
        4)抗强噪声干扰：输电线路通常都有高场强的干扰，对射频干扰主要是火花形成的散弹噪声和电晕形成的白噪声，这些噪声会对射频通信形成干扰，所以要实现高可靠的无线通信，所以无线通信单元必须有良好的抗干扰性能；
        5)抗强电场损毁：强电场干扰会导致太阳能电池、天线等外露且无法实现等电位、地电位安装的部件供应出很高的电压，高感应电压会损毁太阳能电池的MTTP控制器、射频电路的前端半导体零部件，所以本装置还要有很强的抗强电场损毁力。

        3 主要技术指标
        3.1 主要功能：
        1)实时检测光缆熔接盒内、外环境温湿度；
        2)实时告警光缆熔接盒内凝露；
        3)实时控制光缆熔接盒内环境湿度，避免盒内凝露；
        4)实时检测昆虫入侵筑巢，预警昆虫入侵与筑巢；
        5)环境获取能源，太阳能供电长期免维护运行；
        6)应用低功耗NB-IOT远程组网通信，实现远程可视化运维；
        7)应用物联网通信，实现手机APP现场移动巡检。
        3.2 主要技术指标：
        1)温度检测范围与精度：-40℃~85℃，      ±2℃
        2)湿度检测范围与精度：0%RH~100%RH,   ±5%@20%RH~95%
        3)蚁巢检测体积：50*20*5mm3
        4)制冷功率：1W
        5)检测周期：5min
        6)通信周期：正常6H，即时告警：最大延时30S
        7)通信模式：远程：NB-IOT，近程：BLE5.0
        8)装置平均功耗：5mW
        9)太阳能功率：0.5W
        10)储能：5WH
        11)自持率：40天连续监测，除湿：4小时
        12)工作温度：-20℃~65℃
        13)外露部分防护等级： IP67
        4 结论
           本文基于冷凝除湿的原理和平板电容检测技术，建立了一套完整可行的基于效果的电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置设计方案，并对整个系统的模块进行了比较。综合的理论分析和实验研究，为电力光缆熔接盒环境监测及除湿一体装置的开发提供了简单、方便、低功耗、高可靠性、经济、实用等方面的理论和实践参考。控制光缆熔接盒内环境湿度，避免盒内凝露并告警；实时检测昆虫入侵筑巢，预警昆虫入侵与筑巢；应用低功耗NB-IOT远程组网通信，实现远程可视化运维；应用物联网通信，实现手机APP现场移动巡检。本装置操作简单,价格低廉,安装方便,具有良好的应用前景。
        参考文献：
        [1] 刘宪勋、毕波，何红红，等. 温湿度传感器检定系统设计[J].运用气象学报,2006,17（5）：635-642.
        [2] 肖志红.平板式电容传感器测量电路研究[J].现代电子技术,2004(17).
        作者简介：
        万军，1993年生，男，云南电网有限责任公司红河供电局，助理工程师，从事通信运维及管理工作。
        杨易政，1981年生，男，云南电网有限责任公司红河供电局，工程师，从事调度部门管理工作。
        万琪，1973年生，女，云南电网有限责任公司红河供电局，高级工程师，从事通信运维及管理工作。
        郑涛，1969年生，男，云南电网有限责任公司红河供电局，高级工程师，从事调度部门管理工作。
        孙维然，1994年生，男，云南电网有限责任公司红河供电局，从事通信运行维护工作。
        李桐，1996年生，女，云南电网有限责任公司红河供电局，从事通信运行维护工作。