无人值守变电站水位监控系统的设计

王海欧，马秀林，李毅鸣，王嘉

（1.国网浙江省电力公司检修公司，杭州311232；2.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州318000）

无人值守变电站水位监控系统的设计

王海欧1，马秀林2，李毅鸣1，王嘉1

（1.国网浙江省电力公司检修公司，杭州311232；2.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州318000）

为了适应变电站无人化改革的需求，实现对变电站水位的远程监控，设计了一套由现场测控单元和远程后台控制系统组成的水位监控系统。该系统不仅能测量、显示变电站现场的水位和降雨量，还可以对各个变电站的水位进行远程控制。同时，该系统利用GPRS实现了数据远程传输，方便快捷且降低了组网的难度。

水位监测；降雨量；单片机

0 引言

变电站的水位监测关系到一个变电站能否正常运行，通常变电站的电压等级越高，其影响范围越大。最近几年极端天气频现，变电站被淹的消息时有报道，对民众的日常生活以及工厂企业的生产造成了不利影响。同时，随着电网公司改革的推进，越来越多的变电站实现了无人值守，而主站工作人员无法及时掌握现场水位情况，需派遣运维人员赶往现场检查才能了解，从而错失采取相关措施的时机。

一般变电站的雨水监控系统主要由雨水泵和水位测控2部分组成，其设计往往比较固定，只是在水位上升到设定的高水位时才开启雨水泵进行排水，下降到设定的低水位时关停雨水泵停止排水，却忽略了降雨量对雨水流入速度的影响。另外，雨水泵是否正常工作，需工作人员到现场检查后才能知晓，无法实时掌握设备状态；雨水泵的切换试验按规定需要2人持操作票进行，工作效率较低。

针对上述问题，设计了一套变电站在线水位监控系统，可在远程后台实时对变电站的水位和降雨量进行监测。该系统可以根据降雨量的大小自动调整对雨水泵的控制方式，还可在后台人工干预雨水泵的工作方式，使得对现场水位控制更加灵活。

1 系统总体结构

随着电网公司运维方式的转变，越来越多的远程在线监测系统得到应用，但是目前来看，应用主要集中在变压器、断路器、避雷器等变电站主设备上，而对变电站附属设备的雨水监控系统的研究则较少。一个好的雨水监控系统，不仅要满足变电站对水位控制的要求，还应在外部条件造成其无法控制水位的极端状况下，能够为管理人员进行决策赢得足够的时间。新设计的水位监控系统结构如图1所示。

图1 水位监控系统结构

现场水位监控装置主要完成现场雨水井水位以及降雨量的采集，通过公共GPRS（通用无线分组业务）网络实现与远程后台水位监控系统的数据通信。远程后台监控系统主要提供现场水位和降雨量显示的可视化界面，以及对现场水位监控装置控制方式的设定和更改或者直接控制雨水泵的启停。

2 现场水位监控装置的设计

位于各个变电站内的水位监控装置主要由以下几部分构成：雨水井水位测量传感器、降雨量测量传感器、雨水泵控制单元、分贝测量模块以及水位监控主机，如图2所示。

图2 水位监控装置结构

现场水位监控装置采用单片机作为核心处理器，来完成现场数据采集、与远程后台进行数据通信以及对雨水泵进行启停控制等。设计采用的STC15F2K60S2系列单时钟/机器周期（1T）单片机[1]，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成高精度R/C时钟，5～35 MHz宽范围可设置，省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路（内部已集成高可靠复位电路，8级可选复位门槛电压）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换（30万次/s），内置2K字节大容量SRAM（静态随机存取存储器），2组高速异步串行口通信端口（UART1/UART2，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可作5组串口使用），1组高速同步串行通信端口SPI，适合多串行口通信/电机控制/强干扰场合。

2.1 现场数据采集

现场需要采集雨水井的水位数值、降雨量数值以及雨水井内分贝数值。水位和降雨量主要作为选择雨水泵控制方式的参数，其大小关系到雨水泵的启停。而雨水井内分贝值的采集则作为检查雨水泵是否正常工作的一个辅助手段。

目前，用于测量水位的传感器有浮筒式水位传感器、超声波式水位传感器以及压力式传感器等[2]。由于压力传感器可以自动采集，具有误差小、分辨率高、测量精度高、自动化程度高等优点，设计中采用投入式的压力水位传感器进行测量。压力水位传感器的基本原理是由于不同水位产生的净水压强不同，测量出水压就可以计算出水位。为减小水流波动引起的测量误差，可将传感器安装在钻有孔的钢管中，同时采用一阶滤波法来提高水位测量精度，如式（1）所示：

式中：a取值0～1；Xk为本次采样值；Yk－1为上次滤波结果；Yk为本次滤波结果。

压力式水位传感器一般输出4～20 mA，0～5 VDC，0～10 VDC的模拟信号，利用STC15F2K60S2单片机上的A/D采样并转化为数字信号进行处理。

测量降雨量的传感器，目前应用较多的主要有翻斗式雨量传感器和容栅式雨量传感器[3]。这2种传感器各有优缺点，容栅式雨量传感器相较于翻斗式雨量传感器具有精度高、计量准确以及不会漏记强降雨等优点，同时也存在使用成本高、出现意外维护难等缺点。鉴于变电站内对降雨量的采集精度不像水文、气象、水利等应用中那样高，翻斗式雨量传感器已经可以满足变电站水位监控的需求。

测量降雨量的过程如下：翻斗式雨量传感器承水口收集的雨水，先经过上筒（漏斗），再注入计量翻斗，翻斗是由中间隔板分成的2个等容积的三角斗室，是一个机械双稳态结构，当一个斗室接水时，另一个斗室处于等待状态。当所接雨水容积达到预定值时，受重力作用一个斗室翻倒，处于等待状态，另一个斗室则处于接水工作状态，并如此反复。在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻动时从干式舌簧管旁扫描，使干式舌簧管通断，即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次，并送出一个开关信号。通过单片机记录脉冲信号的个数即可获得降雨量的数值。

为省去运维人员到现场检查雨水泵的麻烦，设计了雨水泵检查程序，通过开启雨水泵前后水位的变化来判断雨水泵是否正常。而分贝检测模块作为这一判断的辅助方法，可以提高判断的准确性。分贝检测模块输出线性的模拟量，通过STC15F2K60S2单片机上自带的A/D进行采样，再经程序处理后得到雨水井内的分贝值。由于雨水泵开启时，电机启动和水流排出会产生高于停止时的分贝值，通过对比开启前后雨水井内的分贝值可以辅助判断雨水泵是否正常运转。

2.2 远程数据通信

GPRS是一种基于GSM（全球移动通信系统）系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理技术，是以“分组”的形式将资料传送到用户手上。相对于GSM 9．6 kbps的访问速度而言，GPRS拥有171．2 kbps的访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10～30 s，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；费用方面，GSM是按连接时间计费的，而GPRS按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率要远远高于GSM[4]。

由于变电站实行了无人值守，因此各个子站采集的雨水井水位、降雨量以及雨水井内分贝值等数据需要远程传送至主站。尽管传输的数据量不大，但需要与远程后台频繁进行数据交换，因此采用GPRS经济性更高、速度更快。华为GTM900C是一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议模块，使用简单，易于集成，价格相对低廉，在国内市场应用较广。此处采用华为的GTM900C模块来搭建GPRS数据传输网络，通过单片机的串口与其相连，并使用AT指令进行相关数据的发送和接收。

3 系统软件设计

现场水位监控装置主要通过各传感器采集相关数据，经由GPRS网络发送至远程后台，再由远程后台程序对数据进行处理，形成相应的控制策略并发送至现场水位监控装置，实现对雨水泵的相关控制。其主要程序流程如图3所示。

图3 现场水位监控装置主程序流程

远程后台监控系统采用C#开发完成，运行在Windows环境下，利用SQL Server数据库[6]存储数据。系统主要功能包括：

（1）实现对数据采集的控制，包括设定数据采集频率、数据发送时间间隔等。

（2）能将采集到的水位、降雨量和分贝值进行存储，可查询历史信息，能够自动生成雨量水位信息报表。

（3）可生成水位和降雨量以及雨水泵开启时间之间关系的曲线图，并通过对历史数据的相关数值分析，给出未来一段时间水位以及降雨量的预测，为提前决策提供条件。

4 结语

该系统利用现场水位监控装置采集现场雨水井水位、降雨量以及分贝等数据，并利用GPRS完成数据的远程传输，实现了远程后台对现场水位等信息的监测。同时，基于后台历史数据的分析，可以灵活设定现场水位控制策略，实现了现场水位的自动控制以及预警等，很好地适应了当前变电站无人化的改革需要。

[1]徐爱钧.STC15增强型8051单片机C语言编程与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]俞晓东.全水位监控仪的设计与实现[D].浙江：浙江工业大学信息工程学院，2013.

[3]陈蒙蒙，蒋鹏.雨量水位监测系统设计[J].杭州电子科技大学学报，2012，32（5）:211-214.

[4]魏德华，何廷霖，刘占京，等.基于GPRS的小流域水情自动测报系统[J].中国农村水利水电，2006（7）:18-19.

[5]付强，丁宁.C#编程实战宝典[M].北京：清华大学出版社，2014.

[6]金玉明.精通SQL Server 2008完全自学手册[M].北京：中国铁道出版社，2011.

（本文编辑：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

王海欧（1982），男，工程师，从事变电运行工作。