电缆沟智能防汛联控装置研究

林智炳,李语菲,陈友恒

(1.国网莆田供电公司,福建 莆田 351100;2.厦门理工学院,福建 厦门 361024)

0 引言

随着城市化进程的加快和城市基础设施建设的不断发展。电缆沟作为城市供电、通信等重要设施的承载体,其防汛工作的重要性不容忽视。传统的电缆沟防汛手段主要依靠人工巡查,存在反应时间长、效率低等问题[1]。因此,研制一种能够实时监测和响应的电缆沟防汛联控装置具有重要意义。

1 联控装置应用

电缆沟防汛响应联控装置的应用可以提高城市供电的防汛能力。联控装置能够实时监测电缆沟内的水位深度、温度、湿度多种数据,并进行多维度分析评价电缆沟汛情状态,通过联控系统与城市防汛指挥中心进行数据交互。一旦监测到电缆沟内的水位超过安全阈值或水流量异常增大,联控装置会自动发出预警信号、启动水泵排水,并向防汛指挥中心发送告警信号。防汛指挥中心可以根据装置发送的数据及时制定防汛措施,并调度相关部门进行抢险工作,提高城市电缆沟防汛的响应速度和效率。

2 联控装置创新

(1)通过电缆沟全域温湿度感知技术,构建电缆沟汛期设备风险算法。通过实时监测当前电缆沟环境温湿度、水位,进行风险评估,起到提前预警、尽早准备的作用。

(2)通过水位监测传感器自检及水位监测同步分析,在极端天气条件下,可在局部水位倒灌实际发生时,无视其他算法的安全提示,立即启动汛期紧急响应。

3 联控装置整体设计

电缆沟防汛响应联控装置由温湿度传感器模块、水位传感器模块、水泵驱动模块、电源模块、无线通信模块、上位机模块和STM32控制模块组成。整体联控装置设计如图1所示,温湿度传感器模块完成电缆沟内环境温湿度检测;水位传感器模块完成电缆沟内水位的测量;STM32控制模块是联控装置的控制核心,完成信息的采集和控制水泵驱动模块;水泵驱动模块控制水泵完成排水和停止排水;无线通信模块与上位机模块建立通信,将传感器测得的电缆沟内环境信息上传至上位机;上位机模块对采集到的电缆沟环境数据进行分析计算,发布抽水、停止抽水等命令和给出警示信息;电源模块是整个设计的动力工厂,完成各个模块所需电压的转换。

图1 联控装置整体设计

3.1 温湿度传感器模块设计

出现汛情时,电缆沟内环境湿度升高,湿度能侧面反馈汛情程度。电缆沟在高湿环境下长期运行会使电缆表面不断吸收潮气并形成水膜,影响设备寿命,甚至发生安全事故,造成经济损失和不良影响。电缆沟内环境温度过高或过低都会对电缆的健康产生不利影响。过高的温度会导致电缆加速老化,降低使用寿命;过低的温度则可能导致电缆冻裂或收缩,引起电力故障。联控装置针对电缆沟环境温湿度进行实时监测,并将温湿度数据远传上报,为评估汛情和电缆健康状态提供依据。

温湿度传感器模块使用温度、湿度于一体的瑞士Sensirion最新高精度数字温湿度传感器(SHT30),灵敏度高、稳定性好、全量程自动温度补偿。实时采集温度、湿度,克服了传统模式温度和湿度传感器不稳定、误差大、易受干扰等严重缺陷。输出信号为数字信号,可以方便与机房监控主机或其他工控机联网,温湿度值可以实时通过RS485读取出来,具有准确、稳定、使用寿命长等特点。该设计温度测量范围为-40～125 ℃,精度达到±0.2 ℃、湿度测量范围为0～100%,精度±2%。

3.2 水位传感器模块设计

水位传感器是电缆沟内水位采集系统的前端,被安装在电缆沟内地势较低的地方,将采集到的水位情况传送给主控单元,作为是否启动抽水泵的重要参考条件,因此要求所用水位传感器具有较好的稳定性、较高的精度、较低的功耗等[2]。目前,能够实现水位测量的传感器种类较多,综合电缆沟内环境情况及性能考虑,联控装置选用投入式水位传感器。投入式水位传感器是根据地下水的压力与地下水的水位高度呈现一种线性关系原理制成的。水位传感器检测到的水位信号为模拟信号,需经过处理后转换为数字信号输出,然后再经过温度补偿以及线性修正之后,将水位信号输出到主控制芯片。为保证水位传感器的测量精度,水位传感器在安装时需要将其缓慢放入电缆沟水位监测点中,禁止使用暴力手段直接抛投产生压力,以免损坏水位传感器。

水位信息采集模块包含水位传感器和模数转换器。水位传感器以输出模拟电压的方式传递水位信息,且输出端的电压随着传感器所受压力的增大而增大,与压力成正比例关系,由于控制芯片无法直接处理水模拟电压信号,因此在处理水位传感器信号时需要将模拟量转化为数字量。ADC0832是一个8位、双通道A/D转换芯片,测量的电压范围是0～5 V,它能够将0～5 V的电压转化成对应比例关系的1∶255的数据。电缆沟内水位信息采集过程,首先将水位传感器输出的直流电压信号转换成对应关系的数字信号,然后控制芯片直接读取ADC0832转换后的数据获取电缆沟内水位信息,最后完成水位信息采集。

3.3 水泵驱动模块设计

水泵驱动模块具有多种驱动模式,电路如图2所示,当S1按下D9、D10、Q3导通,SD/ZD输出低电平,联控装置进入手动模式,电缆沟水位发出报警信号后,需人工打开水泵排水。当S1处于断开状态时,Q3处于截止状态,由于外接上拉电阻R26,SD/ZD输出高电平,联控装置进入自动模式,当STM32判断条件符合时,开启水泵进行排水。为防止出现水泵误驱动和方便电缆维修,联控装置设计了强制停止模式,常态下S2处于断开状态,QZTZ输出高电平,表示水泵可以通过自动模式和手动模式控制完成排水工作。当S2处于按下状态时,D11导通,QZTZ输出低电平,强制断开水泵电源。

图2 水泵工作模式原理

水泵供电电源如图3所示,J3外接水泵,在符合水泵启动条件时,STM32输出低电平,使Q2处于导通状态,继电器J2上电导通,市电220 L接通水泵开始工作。

图3 水泵供电原理

3.4 电源模块设计

根据STM32主控芯片、采集放大电路、显示电路和通信电路等电路的供电需求,联控装置设计了DC5 V供电和DC3.3 V供电。设计通过使用交流转直流模块LDE05将AC220 V的市电转换成DC5 V电源,并根据模块的用电需求使用光耦隔离器件U13、U14隔离DC5 V电源,降低市电噪声对后级电路的影响,保护后级电路。根据不同模块用电需求,设计使用2种直流电压转换芯片AS1117和LM1086,完成DC3.3 V供电电源设计。此种电源转换设计既保证了设计中对电流的需求,又降低了开发成本。

3.5 通信模块设计

为了实现远程监测电缆沟内环境温湿度、水位及水泵工作情况。联控装置设计了无线通信模块。能够实现远程无线通信的技术有多种,如蓝牙技术、ZigBee技术以及GPRS技术等[3]。设计对比各个无线通信技术的优缺点后,本文选用GPRS技术作为联控装置的无线通信技术。GPRS采用分组技术原理进行数据的传输,实现电缆沟内环境的实时监测。传感器采集到的电缆沟内环境数据经过模拟/数字转换处理之后,到达防汛指挥中心的GPRS模块,通过GPRS模块再传输给前置机,然后将电缆沟内环境信息数据传输到数据库中进行存储。防汛指挥中心的上位机对接收到的数据进行分析和显示。

4 程序设计

程序设计是联控装置实现电缆沟联控防汛的核心,程序流程如图4所示,上电后,系统首先进入初始化状态。初始化完成后,对上位机发布的电缆沟内环境信息是否采集指令进行判断,上位机发布信息采集命令后开始进入数据接收状态,接收前端传感器采集到的电缆沟环境信息,对采集到的数据进行显示,然后进入抽水条件判决状态。将采集到的数据与预设条件进行对比,不满足水泵启动条件时进入关闭抽水泵状态。当满足水泵启动条件时,启动抽水泵。水泵启动后,继续进行电缆沟环境数据的采集与传输并做到上位机实时显示与条件判决,符合启动条件继续启动抽水泵,否则关闭抽水泵,抽水泵关闭后进入系统判定状态,通过与设定条件进行对比,符合设定条件则判定系统正常,回到数据传输状态继续对电缆沟内环境进行实时监测;若不符合设定条件则程序结束,并发出报警[4-5]。

图4 程序流程

5 结语

电缆沟防汛响应联控装置的研制和应用对提高城市防汛能力具有重要意义。联控装置能够实时监测电缆沟内的水位和温湿度,并与城市防汛指挥中心进行数据交互,实现及时响应和调控。经过现场安装与调试,模拟电缆沟进水实验效果显著。电缆沟内进水1 cm,防汛指挥中心即可收到报警信号并能显示当前水位与温湿度。水位达到5～10 cm时,水泵启动一级排水。水位达到10～20 cm时,水泵启动二级排水。水位达到20 cm及以上时,水泵启动三级排水。同时,防汛指挥中心发出排水告警信号。水位回落至5 cm及以下时,水泵自动停止运行,保护水泵电机,并通知防汛指挥中心。综上所述,联控装置完全达到了设计要求,已投入正式运行。