郭 志，張 瑩，林 松，汪 洋，陳冠彪

（國網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232000）

0 引言

老舊變電站的給水系統(tǒng)管道老化嚴重，管道中的水一旦結(jié)冰膨脹將導(dǎo)致管道開裂、漏水，且無人值守變電站數(shù)量多、路途遠、巡視周期長，給水系統(tǒng)發(fā)生滲漏水后，若工作人員無法及時關(guān)閉水通道閥門，將造成水資源浪費和水費成本的增加，漏水造成水流噴濺，對墻壁、地板等周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，并給運行設(shè)備帶來安全隱患。

在防漏水應(yīng)用研究方面，文獻［1］提出利用霍爾元件代替水流傳感器的低成本新方案，但水流量計算精度欠佳；文獻［2］提出了一種借助聲音傳感器現(xiàn)實漏水聲音檢測，但易受周圍環(huán)境影響；文獻［3］提出一種用水量上限值可調(diào)節(jié)的智能家居防漏水系統(tǒng)；文獻［4］利用傳感電纜檢測漏水，能夠有效檢測機房漏水，但適用場所受限。因此，現(xiàn)有的漏水保護器工作模式單一，而無人值守變電站用水情況特殊，難以滿足實際工作需求。

提出一種基于AT89S51 單片機的無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)，針對變電站用水特點設(shè)置了正常用水工作模式和防漏水工作模式，能夠在檢測到水流量或連續(xù)出水時長達到閾值后，自動關(guān)閉水通道閥門，并及時發(fā)出告警信息告知工作人員，有效防止變電站給水系統(tǒng)滲漏水的發(fā)生。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)由AT89S51 單片機、工作模式選擇電路、復(fù)位電路、蜂鳴器告警電路、水流量采集電路、電磁閥驅(qū)動電路、電源電路以及LCD 顯示屏、直動式電磁閥、葉輪式流量計、短信息告警模塊組成，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示。通過工作模式選擇，滿足變電站用水需求。水流量及連續(xù)出水時長的采集由葉輪式流量計及水流量采集電路完成，當檢測到水流量或連續(xù)出水時長達到閾值時，單片機通過電磁閥驅(qū)動電路關(guān)閉給水通道，同時驅(qū)動蜂鳴器及LCD 顯示屏發(fā)出就地告警，控制短信息告警模塊向指定號碼發(fā)送告警信息。在工作人員到達現(xiàn)場并查明給水系統(tǒng)漏水情況后，通過復(fù)位按鈕完成系統(tǒng)復(fù)位。

圖1 無人值守變電站防漏水告警系統(tǒng)總體設(shè)計

1.2 工作模式方案設(shè)計

無人值守變電站正常情況下用水需求很小，而在某些特定情況下如草坪灌溉、清洗設(shè)備等需要大量用水，針對其特點，將無人值守變電站防漏水告警裝置分為兩種工作模式：正常用水工作模式與防漏水工作模式。正常用水工作模式用于滿足無人值守變電站單次或在某時段內(nèi)頻繁大量用水需求，防漏水工作模式用于滿足無人值守變電站防滲漏水需求。

2 硬件設(shè)計

無人值守變電站防漏水告警裝置包含眾多硬件單元，以下重點介紹微處理器及外圍接口電路、水流量采集電路、電磁閥驅(qū)動電路、告警電路等核心單元。

2.1 處理器及外圍接口電路

AT89S51 單片機作為微處理器，具有成本低、功能強大、體積小及硬件安裝簡單等優(yōu)點［5］。微處理器接口電路如圖2 所示，包含有時鐘電路、復(fù)位電路及工作模式選擇電路。單片機供電電壓為5 V，通過選擇開關(guān)選擇不同的工作模式，通過按鍵實現(xiàn)復(fù)位操作。

圖2 微處理器及外圍接口電路

2.2 水流量檢測電路

管道水流量采集電路輸入端連接葉輪式流量計，則管道內(nèi)水流量為［6］

式中：k1、k2為管道內(nèi)水流量計算系數(shù)，由葉輪式流量傳感器決定；d 為葉輪直徑；S 為管道橫截面積；f 為霍爾傳感器輸出脈沖信號的頻率，計算公式為

式中：ω 為葉輪轉(zhuǎn)速；T 為霍爾傳感器輸出脈沖信號的周期。接入系統(tǒng)5 V 電源，經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳輸給AT89S51 單片機，實現(xiàn)水流量檢測，水流量采集電路如圖3 所示。

圖3 水流量采集電路

2.3 電磁閥驅(qū)動電路

選取常閉型直動式電磁閥，其驅(qū)動電路如圖4所示，當單片機通過引腳輸出低電平時，三極管Q2未導(dǎo)通，則三極管Q3 基極電壓升至系統(tǒng)電壓，三極管Q3 導(dǎo)通，電磁閥通電開啟水通道閥門，單片機輸出高電平時的工作原理與此相反。

圖4 電磁閥驅(qū)動電路

2.4 告警電路

系統(tǒng)采用有源蜂鳴器和LCD 顯示屏進行就地聲光告警，有源蜂鳴器內(nèi)部自帶震蕩源，其驅(qū)動電路如圖5 所示。系統(tǒng)采用S140GSM／3G／4GLTE 型短信息告警控制器進行遠方短信息告警，內(nèi)置SIM 通信卡，外接12 V 電源，其信號輸入端INPUT2 與微控制器的引腳連接，驅(qū)動電路如圖6 所示。

圖5 有源蜂鳴器驅(qū)動電路

圖6 短信息告警控制器驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序流程

“初始化”包括定時器中斷、外部中斷、串口中斷及短信模塊的初始化。通過外接選擇開關(guān)選擇工作模式，采用循環(huán)掃描方式實時監(jiān)測管道出水情況。Flag是滲漏水標志位，若選擇正常用水工作模式，F(xiàn)lag置0，不再對出水情況進行檢測；若選擇防漏水工作模式，對出水情況進行檢測，當檢測到有滲漏水發(fā)生時，F(xiàn)lag置1，通過電磁閥驅(qū)動電路關(guān)閉水通道閥門，同時啟動蜂鳴器和LCD 就地聲光告警，并向指定手機號碼發(fā)送告警短信息，待工作人員前來處理。主程序流程如圖7 所示。

3.2 滲漏水檢測設(shè)計

在正常用水工作模式下，不對管道內(nèi)水流情況進行檢測。在防漏水工作模式下檢測給水系統(tǒng)單次出水量和連續(xù)出水時長，若單次出水量或連續(xù)出水時長未達到預(yù)設(shè)閾值，則經(jīng)延時后清零重新檢測；若單次出水量或連續(xù)出水時長達到預(yù)設(shè)閾值，則判定給水系統(tǒng)有滲漏水發(fā)生，滲漏水檢測流程如圖8 所示。由于無人值守變電站用水情況特殊，據(jù)統(tǒng)計，變電站單次用水量幾乎不超過50 L，且用水時長不超過1 h，而大量用水情況在1 年中也難以遇見1 次，頻次十分低，因此將防漏水工作模式單次出水量和連續(xù)出水時長閾值分別為50 L、1 h，這樣不但能夠有效防止變電站給水系統(tǒng)滲水和漏水的發(fā)生，且不影響變電站站內(nèi)工作時正常用水需求，有效減少了人工干預(yù)環(huán)節(jié)。

圖7 主程序流程

圖8 漏水檢測流程

3.3 告警短信息設(shè)計

短信息告警控制器內(nèi)插SIM 卡［7］，通過GSM 短信控制報警器配置軟件V1.5 進行短信信息編制，編輯內(nèi)容簡介以告知防漏裝置工作情況，如“××變電站室外防漏水裝置動作”，并與指定手機進行通信，如圖9 所示。在系統(tǒng)檢測到防漏達到告警條件時，通過微處理器驅(qū)動短信息告警控制器，發(fā)送短信息給指定手機，上報漏水情況信息。

圖9 告警短信息編輯界面

4 系統(tǒng)測試

選取某無人值守變電站給水系統(tǒng)，對防漏水告警裝置進行安裝調(diào)試，測試在不同工作模式下裝置各模塊動作情況，測試結(jié)果如表1 所示。從表1 可以得出，兩種工作模式下，防漏水裝置均能在檢測到有滲漏水發(fā)生時，有效閉鎖水通道閥門，并及時發(fā)出告警信息。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果統(tǒng)計表

5 結(jié)語

針對無人值守變電站用水特點，提出了正常用水工作模式和防漏水工作模式，通過檢測管道水流量及水流時長，能夠在變電站發(fā)生滲漏水時及時關(guān)閉水通道閥門，并經(jīng)短信息告警控制器發(fā)送告警短信通知工作人員，避免給水系統(tǒng)漏水所帶來的損失和安全隱患，提升無人值守變電站智能化和安全運行水平。