基于物聯網技術的智能水泵控制系統

萬尚軍，費章君，管相東

（1.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310007；2.南京征途信息技術有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

隨著經濟和電力工業的飛速發展，各個電壓等級的變電站、配電站房數量眾多，很好地滿足了人們工作、生產、生活中的用電需求。為了提高變配電設備的運維效率，在電力設備故障檢測和控制實現自動化的情況下，需要同步實現環境監測、設備在線監測和控制等輔助監控系統，才能真正實現變配電站的無人值守。水位和水淹情況作為重要環境因素需要被全天候監測，才能確保電力設備的安全運行。實現變電站、配電房水情監測和控制的核心設備就是由水位傳感器、水浸傳感器和水泵控制器組成的智能水泵控制系統。目前大部分水泵控制系統只能實現單水泵控制、雙水泵同時控制、水位采集方式單一或手動/自動/本地/遠程控制方式，不能實現自由切換，并且沒有水泵保護功能、集成度不高、操作使用不方便。基于先進傳感器、無線通信、邊緣計算等物聯網技術的智能水泵控制系統，既能實時采集和傳遞變電站的水情，也能本地或遠程、自動或手動啟動水泵進行排水，有效解決無人值守變電站防汛期間人力緊張、排水不及時等問題，大大提高了工作效率，確保變電站的安全運行。

1 系統架構設計

變電站物聯網系統主要由云平臺（主站）層、通信網絡層、現場感知監控層組成，架構如圖1所示。云平臺層包括數據中臺和業務中臺或小型云主站，用戶終端可通過互聯網訪問平臺數據。現場感知監控層包括現場感知傳感器、控制器和物聯網關，物聯網關通過本地無線LoRa網絡連接傳感器和控制器，通過4G/5G網絡或光纖通道連接云平臺。

圖1 變電站物聯網系統架構

基于物聯網技術的變電站智能水泵控制系統處于變電站物聯網系統的現場感知監控層，主要包括智能水泵控制器、水位傳感器、水浸傳感器、水泵等。水泵控制器通過2.4 GHz無線LoRa、采用國網微功率無線網通信協議與水位傳感器、水浸傳感器通信，獲取變電站水位、水淹情況，并決定是否控制水泵進行排水；同時通過470 MHz無線LoRa，采用國網節點設備無線組網協議與物聯網關通信，上報水位數據和控制數據，也可接收網關、平臺或用戶的控制指令。

2 核心硬件設計

作為水泵控制系統的核心設備，水泵控制器根據水泵功率大小可以安裝在控制箱或控制柜內，外圍根據實際情況擴展接觸器、開關電源模塊、按鈕、顯示屏等，如圖2、圖3所示。

圖2 控制箱面板布局

圖3 控制箱內部布局

智能水泵控制器主要包括主控模塊、開入采集模塊、交流采樣模塊、繼電器外控模塊、繼電器輸出模塊、2.4 GHz無線LoRa通信模塊、470 MHz無線LoRa通信模塊、串行通信模塊、以太網模塊、顯示模塊、電源模塊，如圖4所示。

圖4 水泵控制器硬件框圖

主控模塊采用ARM核的高性能MCU，主要實現數據采集、數據計算、邏輯控制和通信功能。開入采集模塊實現本地啟動、停止按鈕以及體現水位信息的上、中、下三個浮球接入，具備信號隔離功能。交流采樣模塊采用單回輸入雙回輸出，實現三相（單相）電壓、雙回電流信號的接入、隔離和轉換功能。繼電器外控模塊可以在主控模塊運行異常的情況下，通過外接緊急按鈕實現繼電器的通斷，從而控制水泵運行。繼電器輸出模塊實現信號隔離和繼電器的驅動功能。2.4 GHz無線LoRa通信模塊通過無線通信實現與水位、水浸等無線傳感器的數據交換。470 MHz無線LoRa通信模塊通過無線通信實現與物聯網關的數據交換。串行通信模塊通過RS 485實現與水位、水浸等有線傳感器的數據交換，通過RS 232實現控制器的本地維護。以太網模塊通過以太網有線通信實現與物聯網關的數據交換。顯示模塊實現與串口觸摸屏的通信。電源模塊實現電壓轉換，滿足12 V、24 V電壓輸入，輸出5 V。

3 功能設計

智能水泵控制系統主要具備水情監測功能、水情控制功能、遠程監控功能、水泵保護功能。

3.1 水情監測功能

變電站一般有室外高壓設備部分和室內中壓及控制部分，下雨時除了變電站范圍內的降水外，還有外圍雨水可能倒灌，對變電站構成威脅。所以將在電纜溝、電纜層、集水池、地面溝渠、大門入口等關鍵位置布置水位或水浸傳感器。

水泵控制器通過2.4 GHz無線LoRa通信模塊實現與水位、水浸等無線傳感器的數據交換。在水位正常、無水浸的情況下，傳感器按15 min時間間隔（可設置）向水泵控制器傳送數據。當有水位上漲過快、水位異常、水浸情況發生時，傳感器將主動調整發送間隔，讓水泵控制器及時監測變電站水情。當水情正常時，傳感器數據采集和上送周期將恢復到15 min。

3.2 水情控制功能

當水位上漲過快、水位超過設定值、設備浸水等情況發生時，水泵控制器將啟動水泵進行排水。水泵控制器根據設置的控制方式打開水泵，當水位低于設定值時關掉水泵，防止水泵空轉。

水泵控制器具備本地手動和自動控制、遠程自動和手動控制四種方式。為了確保水泵控制器滿足現場和遠程控制運行的各種需求，本文進行了運行方式切換的邏輯控制設計，如圖5所示。控制模式切換邏輯在已有專利的基礎上進行了如下優化：

圖5 水泵控制器控制框圖

（1）本地手動控制（模式1）：通過啟動或停止按鈕將任何控制模式切換到該模式，或通過遠程通信將控制模式定值設置為1。在這種模式下，通過啟動按鈕或停止按鈕分別實現水泵的啟動或停止。

（2）本地自動控制（模式2）：通過自動按鈕將任何控制模式切換到該模式，或通過遠程通信將控制模式定值設置為2。如果遠程通信中斷，遠程自動控制或遠程手動控制將自動切換為該模式。在這種模式下，水泵控制器根據收集的水情信息運行控制邏輯，并控制水泵運行。

（3）遠程自動控制（模式3）：通過遠程通信將控制模式定值設置為3，或將任何控制模式切換到該模式。在這種模式下，物聯網關或平臺可以根據收集的水情信息實現自己的控制邏輯，并遠程控制水泵運行。

（4）遠程手動控制（模式4）：通過遠程通信將控制模式定值設置為4，或將任何控制模式切換到該模式。在這種模式下，可以在平臺通過啟動、停止操作命令實現遠程控制水泵運行。

智能水泵控制器水泵運行控制策略包括水泵控制策略和啟動策略。水泵控制策略包括單臺運行、兩臺同時運行、兩臺交替運行。水泵啟動策略包括浮球單獨控制、水位傳感器單獨控制、浮球和水位傳感器共同控制、多點位智能控制。當水泵運行異常時斷開運行水泵并啟動備用水泵，消除電力設備和輔助控制設備的隱患，確保站內設備正常運行，同時生成報警信息通知用戶進行處理。

3.3 水泵保護功能

智能水泵控制器具備交流采樣功能，通過交流采樣模塊實現了水泵主線路的三相（單相）電壓、電流信號采集。通過采集的電壓和電流信號，水泵保護控制器實現了水泵的過電壓保護、低電壓保護、過電流保護、過熱保護、堵轉保護，任一種保護啟動和跳閘后產生報警事件、記錄故障波形并通過通信接口實時上報，也可以在正常運行時定時上報電壓、電流、開關狀態等運行信息，從而實現對水泵運行狀態的全程監測。同時可以在本地或通過通信接口遠程更改保護參數，根據水泵運行狀態進行合理的配置。

3.4 遠程監控功能

智能水泵控制器具備LoRa無線接口、以太網接口、串口等多種遠程通信接口。在變電站可以通過這些遠程通信接口接入物聯網關或動環監控終端等設備，然后通過光纖或4G/5G無線專網連接物聯網平臺，從而構成完整的基于物聯網技術的遠程監控系統。通過遠程監控系統，變電站的水情信息、水泵運行信息和故障信息、水泵控制器運行信息和控制參數都能及時上傳物聯網平臺，同時通過物聯網平臺可以實現水泵控制、更改運行方式和運行策略、更改保護配置參數。

4 變電站試點運行

本系統已經在江蘇的一個110 kV變電站進行了試點運行，驗證了系統設計的合理性、運行的可靠性和穩定性。如圖6所示，該變電站集水池內安裝了兩臺1 kW的潛水泵用于排除過多的積水，并且安裝了1個水位傳感器用于監測水位，上、下兩個浮球作為啟動和關停水泵的備用條件，室內和室外電纜溝內一共安裝了4個水浸傳感器用于監測電纜的浸水情況。

水位傳感器和水浸傳感器都可以采用電池供電或外接12 V-DC供電。由于水位傳感器緊鄰水泵控制箱，所以由水泵控制箱直接提供12 V-DC電源；而由于水浸傳感器被安裝在不同位置，外接電源有一定困難，所以采用電池供電，電池的理論使用時間為6年。為了保證實時控制集水池的水位，水位傳感器每5 s采集一次數據并通過LoRa無線上傳到智能水泵控制器，控制器根據設置的水位定值來啟動1臺水泵、2臺水泵或停止水泵。水浸傳感器每15 min采集一次數據并通過LoRa無線上傳到智能水泵控制器。智能水泵控制器匯總水浸數據、水位數據、水泵運行數據通過物聯網關上傳云平臺。用戶可及時收到變電站的水情、水泵的異常情況，也可通過Web訪問云平臺獲取水情數據和水泵運行數據。

變電站水泵控制系統示意圖如圖6所示。經過近半年時間的運行和完善，變電站智能水泵控制系統經受了現場的各種考驗，獲得了豐富的數據和運行經驗。從水泵控制器獲取的某一時刻數據見表1所列。

表1 水泵控制器的某一時刻數據

圖6 變電站水泵控制系統示意圖

5 結 語

通過理論設計和現場檢驗，基于物聯網技術的智能水泵控制系統具有如下優勢：

（1）采用滿足國網公司規范要求的無線通信方式和通信規約，實現了傳感器、控制器與物聯網關的互聯互通，節約了安裝調試成本和運維成本，將進一步獲得推廣應用。

（2）智能水泵控制器的本地手動和自動控制、遠程手動和自動控制能夠實現靈活切換，解決了用戶的使用痛點。

（3）智能水泵控制器集成了保護功能，提高了系統集成度，節約了建設成本和維護成本。

（4）基于水位和浮球的水泵控制的冗余設計，提高了變電站的環境安全，從而提高了用電安全。