王海歐，馬秀林，李毅鳴，王嘉

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修公司，杭州311232；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州318000）

無人值守變電站水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

王海歐1，馬秀林2，李毅鳴1，王嘉1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修公司，杭州311232；2.國網(wǎng)浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州318000）

為了適應(yīng)變電站無人化改革的需求，實現(xiàn)對變電站水位的遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)計了一套由現(xiàn)場測控單元和遠(yuǎn)程后臺控制系統(tǒng)組成的水位監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能測量、顯示變電站現(xiàn)場的水位和降雨量，還可以對各個變電站的水位進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時，該系統(tǒng)利用GPRS實現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，方便快捷且降低了組網(wǎng)的難度。

水位監(jiān)測；降雨量；單片機(jī)

0 引言

變電站的水位監(jiān)測關(guān)系到一個變電站能否正常運(yùn)行，通常變電站的電壓等級越高，其影響范圍越大。最近幾年極端天氣頻現(xiàn)，變電站被淹的消息時有報道，對民眾的日常生活以及工廠企業(yè)的生產(chǎn)造成了不利影響。同時，隨著電網(wǎng)公司改革的推進(jìn)，越來越多的變電站實現(xiàn)了無人值守，而主站工作人員無法及時掌握現(xiàn)場水位情況，需派遣運(yùn)維人員趕往現(xiàn)場檢查才能了解，從而錯失采取相關(guān)措施的時機(jī)。

一般變電站的雨水監(jiān)控系統(tǒng)主要由雨水泵和水位測控2部分組成，其設(shè)計往往比較固定，只是在水位上升到設(shè)定的高水位時才開啟雨水泵進(jìn)行排水，下降到設(shè)定的低水位時關(guān)停雨水泵停止排水，卻忽略了降雨量對雨水流入速度的影響。另外，雨水泵是否正常工作，需工作人員到現(xiàn)場檢查后才能知曉，無法實時掌握設(shè)備狀態(tài)；雨水泵的切換試驗按規(guī)定需要2人持操作票進(jìn)行，工作效率較低。

針對上述問題，設(shè)計了一套變電站在線水位監(jiān)控系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)程后臺實時對變電站的水位和降雨量進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)可以根據(jù)降雨量的大小自動調(diào)整對雨水泵的控制方式，還可在后臺人工干預(yù)雨水泵的工作方式，使得對現(xiàn)場水位控制更加靈活。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

隨著電網(wǎng)公司運(yùn)維方式的轉(zhuǎn)變，越來越多的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)得到應(yīng)用，但是目前來看，應(yīng)用主要集中在變壓器、斷路器、避雷器等變電站主設(shè)備上，而對變電站附屬設(shè)備的雨水監(jiān)控系統(tǒng)的研究則較少。一個好的雨水監(jiān)控系統(tǒng)，不僅要滿足變電站對水位控制的要求，還應(yīng)在外部條件造成其無法控制水位的極端狀況下，能夠為管理人員進(jìn)行決策贏得足夠的時間。新設(shè)計的水位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置主要完成現(xiàn)場雨水井水位以及降雨量的采集，通過公共GPRS（通用無線分組業(yè)務(wù)）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與遠(yuǎn)程后臺水位監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要提供現(xiàn)場水位和降雨量顯示的可視化界面，以及對現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置控制方式的設(shè)定和更改或者直接控制雨水泵的啟停。

2 現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置的設(shè)計

位于各個變電站內(nèi)的水位監(jiān)控裝置主要由以下幾部分構(gòu)成：雨水井水位測量傳感器、降雨量測量傳感器、雨水泵控制單元、分貝測量模塊以及水位監(jiān)控主機(jī)，如圖2所示。

圖2 水位監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置采用單片機(jī)作為核心處理器，來完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、與遠(yuǎn)程后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及對雨水泵進(jìn)行啟停控制等。設(shè)計采用的STC15F2K60S2系列單時鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)[1]，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，5～35 MHz寬范圍可設(shè)置，省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路（內(nèi)部已集成高可靠復(fù)位電路，8級可選復(fù)位門檻電壓）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（30萬次/s），內(nèi)置2K字節(jié)大容量SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器），2組高速異步串行口通信端口（UART1/UART2，可在5組管腳之間進(jìn)行切換，分時復(fù)用可作5組串口使用），1組高速同步串行通信端口SPI，適合多串行口通信/電機(jī)控制/強(qiáng)干擾場合。

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場需要采集雨水井的水位數(shù)值、降雨量數(shù)值以及雨水井內(nèi)分貝數(shù)值。水位和降雨量主要作為選擇雨水泵控制方式的參數(shù)，其大小關(guān)系到雨水泵的啟停。而雨水井內(nèi)分貝值的采集則作為檢查雨水泵是否正常工作的一個輔助手段。

目前，用于測量水位的傳感器有浮筒式水位傳感器、超聲波式水位傳感器以及壓力式傳感器等[2]。由于壓力傳感器可以自動采集，具有誤差小、分辨率高、測量精度高、自動化程度高等優(yōu)點，設(shè)計中采用投入式的壓力水位傳感器進(jìn)行測量。壓力水位傳感器的基本原理是由于不同水位產(chǎn)生的凈水壓強(qiáng)不同，測量出水壓就可以計算出水位。為減小水流波動引起的測量誤差，可將傳感器安裝在鉆有孔的鋼管中，同時采用一階濾波法來提高水位測量精度，如式（1）所示：

式中：a取值0～1；Xk為本次采樣值；Yk－1為上次濾波結(jié)果；Yk為本次濾波結(jié)果。

壓力式水位傳感器一般輸出4～20 mA，0～5 VDC，0～10 VDC的模擬信號，利用STC15F2K60S2單片機(jī)上的A/D采樣并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理。

測量降雨量的傳感器，目前應(yīng)用較多的主要有翻斗式雨量傳感器和容柵式雨量傳感器[3]。這2種傳感器各有優(yōu)缺點，容柵式雨量傳感器相較于翻斗式雨量傳感器具有精度高、計量準(zhǔn)確以及不會漏記強(qiáng)降雨等優(yōu)點，同時也存在使用成本高、出現(xiàn)意外維護(hù)難等缺點。鑒于變電站內(nèi)對降雨量的采集精度不像水文、氣象、水利等應(yīng)用中那樣高，翻斗式雨量傳感器已經(jīng)可以滿足變電站水位監(jiān)控的需求。

測量降雨量的過程如下：翻斗式雨量傳感器承水口收集的雨水，先經(jīng)過上筒（漏斗），再注入計量翻斗，翻斗是由中間隔板分成的2個等容積的三角斗室，是一個機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態(tài)。當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值時，受重力作用一個斗室翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個斗室則處于接水工作狀態(tài)，并如此反復(fù)。在翻斗側(cè)壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動時從干式舌簧管旁掃描，使干式舌簧管通斷，即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次，并送出一個開關(guān)信號。通過單片機(jī)記錄脈沖信號的個數(shù)即可獲得降雨量的數(shù)值。

為省去運(yùn)維人員到現(xiàn)場檢查雨水泵的麻煩，設(shè)計了雨水泵檢查程序，通過開啟雨水泵前后水位的變化來判斷雨水泵是否正常。而分貝檢測模塊作為這一判斷的輔助方法，可以提高判斷的準(zhǔn)確性。分貝檢測模塊輸出線性的模擬量，通過STC15F2K60S2單片機(jī)上自帶的A/D進(jìn)行采樣，再經(jīng)程序處理后得到雨水井內(nèi)的分貝值。由于雨水泵開啟時，電機(jī)啟動和水流排出會產(chǎn)生高于停止時的分貝值，通過對比開啟前后雨水井內(nèi)的分貝值可以輔助判斷雨水泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信

GPRS是一種基于GSM（全球移動通信系統(tǒng)）系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，是以“分組”的形式將資料傳送到用戶手上。相對于GSM 9．6 kbps的訪問速度而言，GPRS擁有171．2 kbps的訪問速度；在連接建立時間方面，GSM需要10～30 s，而GPRS只需要極短的時間就可以訪問到相關(guān)請求；費(fèi)用方面，GSM是按連接時間計費(fèi)的，而GPRS按數(shù)據(jù)流量計費(fèi)；GPRS對于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM[4]。

由于變電站實行了無人值守，因此各個子站采集的雨水井水位、降雨量以及雨水井內(nèi)分貝值等數(shù)據(jù)需要遠(yuǎn)程傳送至主站。盡管傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但需要與遠(yuǎn)程后臺頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此采用GPRS經(jīng)濟(jì)性更高、速度更快。華為GTM900C是一款雙頻900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡單，易于集成，價格相對低廉，在國內(nèi)市場應(yīng)用較廣。此處采用華為的GTM900C模塊來搭建GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過單片機(jī)的串口與其相連，并使用AT指令進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置主要通過各傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程后臺，再由遠(yuǎn)程后臺程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成相應(yīng)的控制策略并發(fā)送至現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置，實現(xiàn)對雨水泵的相關(guān)控制。其主要程序流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置主程序流程

遠(yuǎn)程后臺監(jiān)控系統(tǒng)采用C#開發(fā)完成，運(yùn)行在Windows環(huán)境下，利用SQL Server數(shù)據(jù)庫[6]存儲數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要功能包括：

（1）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔等。

（2）能將采集到的水位、降雨量和分貝值進(jìn)行存儲，可查詢歷史信息，能夠自動生成雨量水位信息報表。

（3）可生成水位和降雨量以及雨水泵開啟時間之間關(guān)系的曲線圖，并通過對歷史數(shù)據(jù)的相關(guān)數(shù)值分析，給出未來一段時間水位以及降雨量的預(yù)測，為提前決策提供條件。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)利用現(xiàn)場水位監(jiān)控裝置采集現(xiàn)場雨水井水位、降雨量以及分貝等數(shù)據(jù)，并利用GPRS完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程后臺對現(xiàn)場水位等信息的監(jiān)測。同時，基于后臺歷史數(shù)據(jù)的分析，可以靈活設(shè)定現(xiàn)場水位控制策略，實現(xiàn)了現(xiàn)場水位的自動控制以及預(yù)警等，很好地適應(yīng)了當(dāng)前變電站無人化的改革需要。

[1]徐愛鈞.STC15增強(qiáng)型8051單片機(jī)C語言編程與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]俞曉東.全水位監(jiān)控儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，2013.

[3]陳蒙蒙，蔣鵬.雨量水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2012，32（5）:211-214.

[4]魏德華，何廷霖，劉占京，等.基于GPRS的小流域水情自動測報系統(tǒng)[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（7）:18-19.

[5]付強(qiáng)，丁寧.C#編程實戰(zhàn)寶典[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[6]金玉明.精通SQL Server 2008完全自學(xué)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

（本文編輯：方明霞）

Design of Water Level Monitoring System for Unmanned Substation

WANG Haiou1，MA Xiulin2，LI Yiming1，WANG Jia1
（1.State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 311232，China；2.State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318000，China）

In order to meet the reform needs of unmanned substation and implement remote monitoring of substation′s water level，a water level monitoring system is designed，which comprises site control unit and remote background control system.This monitoring system can not only measure and display the water level and rainfall but remotely control water level of each substation.Besides，the system uses GPRS for remote data transmission，which is convenient and reduces the difficulty of networking.

water level monitoring；rainfall；single-chip microcomputer

TM63；TP277.2

：A

：1007-1881（2016）03-0004-03

2015-09-29

王海歐（1982），男，工程師，從事變電運(yùn)行工作。