無人值守變電站水位監控系統的設計

王海歐，馬秀林，李毅鳴，王嘉

（1.國網浙江省電力公司檢修公司，杭州311232；2.國網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控系統的設計

王海歐1，馬秀林2，李毅鳴1，王嘉1

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

為了適應變電站無人化改革的需求，實現對變電站水位的遠程監控，設計了一套由現場測控單元和遠程后臺控制系統組成的水位監控系統。該系統不僅能測量、顯示變電站現場的水位和降雨量，還可以對各個變電站的水位進行遠程控制。同時，該系統利用GPRS實現了數據遠程傳輸，方便快捷且降低了組網的難度。

水位監測；降雨量；單片機

0 引言

變電站的水位監測關系到一個變電站能否正常運行，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，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的生產造成了不利影響。同時，隨著電網公司改革的推進，越來越多的變電站實現了無人值守，而主站工作人員無法及時掌握現場水位情況，需派遣運維人員趕往現場檢查才能了解，從而錯失采取相關措施的時機。

一般變電站的雨水監控系統主要由雨水泵和水位測控2部分組成，其設計往往比較固定，只是在水位上升到設定的高水位時才開啟雨水泵進行排水，下降到設定的低水位時關停雨水泵停止排水，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，需工作人員到現場檢查后才能知曉，無法實時掌握設備狀態；雨水泵的切換試驗按規定需要2人持操作票進行，工作效率較低。

針對上述問題，設計了一套變電站在線水位監控系統，可在遠程后臺實時對變電站的水位和降雨量進行監測。該系統可以根據降雨量的大小自動調整對雨水泵的控制方式，還可在后臺人工干預雨水泵的工作方式，使得對現場水位控制更加靈活。

1 系統總體結構

隨著電網公司運維方式的轉變，越來越多的遠程在線監測系統得到應用，但是目前來看，應用主要集中在變壓器、斷路器、避雷器等變電站主設備上，而對變電站附屬設備的雨水監控系統的研究則較少。一個好的雨水監控系統，不僅要滿足變電站對水位控制的要求，還應在外部條件造成其無法控制水位的極端狀況下，能夠為管理人員進行決策贏得足夠的時間。新設計的水位監控系統結構如圖1所示。

圖1 水位監控系統結構

現場水位監控裝置主要完成現場雨水井水位以及降雨量的采集，通過公共GPRS（通用無線分組業務）網絡實現與遠程后臺水位監控系統的數據通信。遠程后臺監控系統主要提供現場水位和降雨量顯示的可視化界面，以及對現場水位監控裝置控制方式的設定和更改或者直接控制雨水泵的啟停。

2 現場水位監控裝置的設計

位于各個變電站內的水位監控裝置主要由以下幾部分構成：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控主機，如圖2所示。

圖2 水位監控裝置結構

現場水位監控裝置采用單片機作為核心處理器，來完成現場數據采集、與遠程后臺進行數據通信以及對雨水泵進行啟停控制等。設計采用的STC15F2K60S2系列單時鐘/機器周期（1T）單片機[1]，是高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成高精度R/C時鐘，5～35 MHz寬范圍可設置，省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路（內部已集成高可靠復位電路，8級可選復位門檻電壓）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉換（30萬次/s），內置2K字節大容量SRAM（靜態隨機存取存儲器），2組高速異步串行口通信端口（UART1/UART2，可在5組管腳之間進行切換，分時復用可作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/電機控制/強干擾場合。

2.1 現場數據采集

現場需要采集雨水井的水位數值、降雨量數值以及雨水井內分貝數值。水位和降雨量主要作為選擇雨水泵控制方式的參數，其大小關系到雨水泵的啟停。而雨水井內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、自動化程度高等優點，設計中采用投入式的壓力水位傳感器進行測量。壓力水位傳感器的基本原理是由于不同水位產生的凈水壓強不同，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為上次濾波結果；Yk為本次濾波結果。

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單片機上的A/D采樣并轉化為數字信號進行處理。

測量降雨量的傳感器，目前應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、計量準確以及不會漏記強降雨等優點，同時也存在使用成本高、出現意外維護難等缺點。鑒于變電站內對降雨量的采集精度不像水文、氣象、水利等應用中那樣高，翻斗式雨量傳感器已經可以滿足變電站水位監控的需求。

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，是一個機械雙穩態結構，當一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態。當所接雨水容積達到預定值時，受重力作用一個斗室翻倒，處于等待狀態，另一個斗室則處于接水工作狀態，并如此反復。在翻斗側壁上裝有磁鋼，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，并送出一個開關信號。通過單片機記錄脈沖信號的個數即可獲得降雨量的數值。

為省去運維人員到現場檢查雨水泵的麻煩，設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，可以提高判斷的準確性。分貝檢測模塊輸出線性的模擬量，通過STC15F2K60S2單片機上自帶的A/D進行采樣，再經程序處理后得到雨水井內的分貝值。由于雨水泵開啟時，電機啟動和水流排出會產生高于停止時的分貝值，通過對比開啟前后雨水井內的分貝值可以輔助判斷雨水泵是否正常運轉。

2.2 遠程數據通信

GPRS是一種基于GSM（全球移動通信系統）系統的無線分組交換技術，提供端到端、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理技術，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請求；費用方面，GSM是按連接時間計費的，而GPRS按數據流量計費；GPRS對于網絡資源的利用率要遠遠高于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分貝值等數據需要遠程傳送至主站。盡管傳輸的數據量不大，但需要與遠程后臺頻繁進行數據交換，因此采用GPRS經濟性更高、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，內嵌TCP/IP協議模塊，使用簡單，易于集成，價格相對低廉，在國內市場應用較廣。此處采用華為的GTM900C模塊來搭建GPRS數據傳輸網絡，通過單片機的串口與其相連，并使用AT指令進行相關數據的發送和接收。

3 系統軟件設計

現場水位監控裝置主要通過各傳感器采集相關數據，經由GPRS網絡發送至遠程后臺，再由遠程后臺程序對數據進行處理，形成相應的控制策略并發送至現場水位監控裝置，實現對雨水泵的相關控制。其主要程序流程如圖3所示。

圖3 現場水位監控裝置主程序流程

遠程后臺監控系統采用C#開發完成，運行在Windows環境下，利用SQL Server數據庫[6]存儲數據。系統主要功能包括：

（1）實現對數據采集的控制，包括設定數據采集頻率、數據發送時間間隔等。

（2）能將采集到的水位、降雨量和分貝值進行存儲，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系的曲線圖，并通過對歷史數據的相關數值分析，給出未來一段時間水位以及降雨量的預測，為提前決策提供條件。

4 結語

該系統利用現場水位監控裝置采集現場雨水井水位、降雨量以及分貝等數據，并利用GPRS完成數據的遠程傳輸，實現了遠程后臺對現場水位等信息的監測。同時，基于后臺歷史數據的分析，可以靈活設定現場水位控制策略，實現了現場水位的自動控制以及預警等，很好地適應了當前變電站無人化的改革需要。

[1]徐愛鈞.STC15增強型8051單片機C語言編程與應用[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]俞曉東.全水位監控儀的設計與實現[D].浙江：浙江工業大學信息工程學院，2013.

[3]陳蒙蒙，蔣鵬.雨量水位監測系統設計[J].杭州電子科技大學學報，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[J].中國農村水利水電，2006（7）:18-19.

[5]付強，丁寧.C#編程實戰寶典[M].北京：清華大學出版社，2014.

[6]金玉明.精通SQL Server 2008完全自學手冊[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，從事變電運行工作。