1、基于物联网和可控弱气流技术的智能变电站环境控制系统设计摘要：作为智能变电站辅助系统的重要组成部分，环境控制系统的应用使得辅助系统优化控制成为可能。针对现有环境控制系统在系统集成性和节能环保等方面存在的问题，文章以 110kV 润扬智能变电站为例，介绍了一种基于物联网和可控弱气流对流散热技术的集环境监测系统、通风系统和空调系统于一体的智能变电站环境控制系统。该系统的应用，实现了环境控制的系统化，一体化解决了环境方面的问题，为智能变电站的安全、可靠、经济、节能运行提供了技术支撑和重要保障。 关键词：智能变电站、辅助系统、环境控制系统、物联网、可控弱气流对流散热 中图分类号： TM411+.4 文献
2、标识码： A 0 引言 智能电网作为未来电网的发展方向，渗透到发电、输电、变电、配电、用电各个环节。在上述这些环节中，智能变电站无疑是最核心的一环。智能变电站要求全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，并可根据需要支持实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能 1。目前，已建成的诸多智能变电站基本能够满足全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的要求，但在实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等方面尚存一定的不足，而这部分功能主要是通过辅助系统来实现的。参照智能变电站技术导则的相关要求，辅助系统优化控制宜具备变电站运行温度、湿度等环境定时检测功能，实现空调、
3、风机、加热器的远程控制或与温湿度控制器的智能联动，优化变电站管理 1。作为辅助系统的重要组成部分，环境控制系统的应用使得辅助系统优化控制成为可能。 本文重点分析环境控制系统的现状和存在的问题，同时以 110kV 润扬智能变电站为例，介绍一种基于物联网和可控弱气流对流散热技术的集常规环境监测系统、通风系统和空调系统功能于一体的智能变电站环境控制系统，并详细阐系统的应用设计思路和方案。 1 环境控制系统的现状和存在的问题 1.1 环境控制系统的现状 无论是常规变电站还是智能变电站，辅助系统一直都是整个变电站系统的重要组成部分。智能变电站辅助系统主要包含环境控制系统、照明动力系统、消防报警系统、安全
4、防范系统、门禁系统等子系统，其中环境控制系统主要由环境监测子系统、通风子系统和空调子系统组成。 1.2 环境控制系统存在的问题 现有的环境控制系统主要存在以下两方面的问题： 1、系统集成性不强 现有环境控制系统虽然能够实现智能变电站运行温度、湿度等环境定时检测功能，实现空调、风机的远程控制或与温湿度控制器的联动，但由于系统集成性不强，往往导致监测和控制形成两个独立的子系统，缺乏系统关联性，导致系统在实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能方面存在一定的不足。 2、节能环保效应较差 长期以来，安装强力风机，通过过机械强迫抽排方式进行通风或者安装空调是大多“户内”或“地下”变电站普
5、遍沿用的通风降温措施。但这些措施不仅效果不甚理想还衍生出大量的其他问题，例如强力的通风会带来大量的灰尘和漂浮于空气中的盐类或酸性物质，它们附着于设备或绝缘体的表面形成污垢，腐蚀设备甚至构成放电通道，引发爬电、污闪等安全事故；又如传统措施在设备轻载或晚间往往会造成过度降温，使空气的湿容量下降，湿度上升甚至达到饱和并在设备或绝缘体的表面形成凝露，引发放电、闪络等绝缘故障。由于传统通风措施空气流动效应的无序性，在电气设备周围空间内产生了大量的空气涡流或紊流，不但无法将携带的热量排至户外，反而成为蓄热体，为室内温度的升高推波助澜。现有环境控制系统带来的高能耗、噪音、积灰等负面效应，导致系统节能环保效应
6、较差。 2 问题解决方案 2.1 一体化的环境控制解决方案 与传统通风降温措施的单一功能考虑不同，环境控制系统应将变电站设备的运行环境和人身安全标准作为一个整体加以考虑，把通风、降温、防污、干燥、降噪、安全等的环境控制需求通过计算机系统进行统一整合和平衡，在完成通风散热主要效能的同时辅以空气过滤与吸附、有害气体及烟雾的检测与排出、湿度控制与水位测量等措施对封闭空间的多种环境问题实施综合治理，着力将电气设备的运行环境调整到最佳状态，实现设备运行零缺陷的主动防御。一体化的环境控制解决方案如图 1 所示。 图 1 一体化的环境控制解决方案示意图 2.2 突出节能效果和环保效应 现有环境控制系统多采用
7、对流散热技术对设备及运行环境的温度进行控制。对流散热量计算公式： 式中：Q 为对流散热量, W；hC 为换热系数, W/m2；A 为有效换热面积, m2；为换热表面与流体温差,。 通过分析对流散热量计算公式可知，在设备和环境一定的情况下，对流散热量是温差的函数，而与风量、流速没有直接关系，因此最大限度地利用自然空气进行对流散热的关键不在于强力风机和大功率空调的应用而在于环境温度的控制。 可控弱气流对流散热技术主要利用由热空气浮升力驱动的自然弱气流对流，通过“矢量送风” 、 “物理导向” 、 “智能控制”等技术措施对热气流进行有效组织，使其形成一种横向螺旋环绕、纵向单向可控、包覆热源体表面的对流
8、形态，通过自然对流与强制对流共同作用的复合换热过程对电气设备散热降温。通过可控弱气流对流散热技术，能够实现智能变电站设备安装空间的气流组织和局部小气候再造，提高系统综合降温效率。由于采用了可控弱气流对流散热技术，取消了原有系统采用的强力风机和空调等大功率设备，有效地解决了原有系统带来的高能耗、噪音、积灰等问题，显著提高了系统的节能环保效益。环境控制系统的节能环保效益如图 2 所示。 图 2 环境控制系统的节能环保效益图 2.3 物联网技术与远程监控应用 环境控制系统利用物联网技术，通过对外界的感知，构建传感测控网络。通过传感测控网络获取变电站的综合环境信息，经融合处理后生成适当的控制策略，同时
9、通过多种通信媒介实现系统运行情况及告警事件的远传，使有关运行维护人员通过远程监控系统平台能实时“感知”现场的环境信息并实施远程监控。从而最大限度地保证无人值守变电站设备的安全可靠运行。 传感网络组网方案分为有线组网方式和无线组网方式。有线组网方式特点: 通信线路稳定可靠，维护简单，但安装地点易受限制，布线复杂；无线组网方式特点: 安装地点不受限制，无需布线，现场施工方便，但通信易受电磁干扰，抗干扰技术复杂，生产成本高 2。根据变电站实际情况，环境控制系统的传感网络采用有线组网方式，以降低成本且便于维护。 3 应用效益分析 以 110kV 润扬智能变电站为例，该智能变电站为全户内变电站，设置电缆
10、半层，GIS 设备室、主变室和开关室布置于一层，电容器室和二次设备室布置于二层。环境控制系统由 7 台模块机组组成，对整个 110kV站进行环境控制。 电缆层作为整个系统的进风口，安装 6 组进风过滤模块，用于空气净化，防止积灰、积垢和有害气体侵蚀；安装 3 套送风模块机组，从电缆层吸入空气用风管送至各散热器室的散热器底部；安装 2 台排风机，用于事故排烟。 GIS 室安装 1 台模块机组，机组从底部吸入电缆层新风，再次过滤后压入 GIS 室；室内上部设有电动防雨阀窗，室内多余的温、湿度空气经电动阀窗溢出户外，室内底部 SF6 泄漏气体经下部排风口溢出户外；同时在室内上部与下部各安装 2 台排
11、风机，用于事故排风，上面两台向室内送风，底面两台向户外排风，平时 SF6 泄漏气体则在模块机组送风下自行从底部风机口溢出户外。 开关室在墙边安装 2 台带有辅助制冷制热模块机组，该机组从底部吸入电缆层新风，再次过滤并控温、湿后分别从两侧压入开关室内，对电气设备控温。 主变室楼板留有 460360 孔洞，用消声弯型风管与散热器室风管对接，直接将新风送入散热器室；主变室与热散器室上部设通风格栅，用于将主变热空气排入散热器室，该方法即可提升散热器上部加温，增加热压差，又可减少户外尘埃对主变绝缘的破坏。 电容器室墙体下部留有 800350 孔洞，用于安装防爆防火隔烟散流器，下层开关室空气经散流器流入各
12、电容器室，经热交换后从各自上部排风口溢入散热器室排出户外；同时安装 1 台排风机，用户事故排烟。 二次设备室墙体安装 1 台带有制冷制热的模块机组，机组从后背吸入新风，经过滤控湿、温后压入主控室，经热交换后的湿热空气从上部电动阀窗溢出户外；该阀窗自行温控启闭，冬季关闭后室内保温，节约能源。 环境控制系统与传统通风降温措施效益对比情况如表 1 所示： 表 1 环境控制系统与传统通风降温措施效益对比表 4 结论 智能变电站环境控制系统是将物联网技术、空气动力学、热力学、传热学、传感器技术、计算机自动控制技术等理论和技术高度集成的一种智能化应用系统，该系统的应用，实现了智能变电站环境实时监测和优化控
13、制，解决了环境控制问题与变电站设备运行安全功效的关系，有效降低了系统能耗和噪声污染，为智能变电站的安全、可靠、经济、节能运行提供了技术支撑和重要保障。 参考文献： 1 国家电网公司. QGDW383-2009 智能变电站技术导则S. 北京: 国家电网公司, 2009. 2 鲁东海, 孙纯军, 秦华. 基于物联网技术的智能变电站辅助控制与监测系统设计与应用J. 华东电力, 2011, 39(4): 567571. 作者简介： 孙为兵（1980） ，男，江苏建湖人，工程师，研究方向为电力市场、智能变电站设计、配电网规划。 注：（作者联系方式：孙为兵，13615251368，0514-87683237，88543578QQ.com，江苏省扬州市扬州供电公司电力经济技术研究所，225000）
