變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)

郭建峰，楊燕華，周 剛

（國網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)，其進出線電纜通過電纜層進出變電站。電纜層的環(huán)境對于電纜的壽命及安全運行有著重要影響。由于浙江地區(qū)雨水充沛、環(huán)境潮濕，而變電站電纜層通常地勢較低，存在積水現(xiàn)象。目前變電站多為無人值守，傳統(tǒng)運維方式無法及時消除由電纜層積水帶來的安全隱患。因此，及時排除由變電站電纜層積水帶來的安全隱患顯得尤為重要。但是，由于目前變電站運維人員不能及時了解電纜層積水情況，不能在電纜層發(fā)生積水后及時排水，導(dǎo)致積水時間過長，一方面電纜長時間浸水影響電纜的使用壽命，容易引起故障，另一方面積水帶來的水汽上升至變電站設(shè)備層，導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生凝露，影響設(shè)備安全運行[1]。

本文設(shè)計了一種變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)，以控制器為基礎(chǔ)，應(yīng)用通訊技術(shù)，旨在改變傳統(tǒng)運維模式，實現(xiàn)變電站電纜層積水情況實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程查詢、智能管控，改善電纜的運行環(huán)境，提高電力設(shè)備可靠性。

1 現(xiàn)狀分析

在采用傳統(tǒng)人工運維方式的情況下，本文對2019年較為嚴(yán)重的10起變電站電纜層積水事件進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)積水的平均時間為1.9 h，完成排水所用的平均時間為2.5 h，耗時較長，不能及時發(fā)現(xiàn)積水情況并進行排水。

目前，電力行業(yè)采用的排水裝置，除了傳統(tǒng)的人工排水的方式之外，有采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動排水[2]，浮子的上升與下降帶動接觸器觸點的閉合與斷開實現(xiàn)水泵的開啟和關(guān)閉，其結(jié)構(gòu)簡單，運行方便，但是該種方式，故障率較高，需要適時維護，才能保證裝置穩(wěn)定準(zhǔn)確運行。

結(jié)合當(dāng)前電力、礦業(yè)等其他行業(yè)對于排水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，本文針對變電站電纜層研究一種遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)，解決變電站電纜層可能存在的積水時間較長的問題。

2 總體設(shè)計

根據(jù)變電站電纜層運維需求，該系統(tǒng)應(yīng)具備：水位定值設(shè)定；水位測量；自動開啟/關(guān)閉排水；水位異常遠(yuǎn)程報警等功能。因此，該系統(tǒng)應(yīng)包含電源模塊、控制模塊、設(shè)定模塊、測量模塊、通信模塊以及排水模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊分解圖

其中，電源模塊為控制模塊，提供動力，保證設(shè)備正常運行；控制模塊實現(xiàn)設(shè)定模塊預(yù)設(shè)水位信息以及測量模塊水位，及測量反饋信息的處理，控制排水模塊的開關(guān)，并與通信模塊連接，提高排水效率、及時報警；設(shè)定模塊實現(xiàn)預(yù)設(shè)水位的差異化設(shè)定，針對不同變電站或同一變電站不同時間設(shè)定

合適的預(yù)設(shè)水位；測量模塊采用傳感器進行水位測量，能夠?qū)崟r監(jiān)測并反饋水位信息；通信模塊提供遠(yuǎn)程報警及遠(yuǎn)程水位查詢功能；排水模塊實現(xiàn)排水功能，解決電纜層積水問題。

3 方案實施

為滿足該系統(tǒng)在準(zhǔn)確性、安全性、便捷性等方面的要求，分別對各個模塊進行具體方案實施。

3.1 電源模塊

系統(tǒng)直接接入變電站內(nèi)220 V 交流市電，電源模塊分成三路：進入開關(guān)電源，產(chǎn)生+12 V 和+5 V電源分別為液晶屏和控制模塊供電；進入操作電源板，產(chǎn)生隔離的直流操作電源，為分、合閘操作及控制供電；作為電機儲能的交流電壓，進入儲能切換電路。

3.2 控制模塊

控制模塊采用ATmega128L型單片機，其I/O接口數(shù)多，程序儲存器容量大，具有較強的控制能力以及通信能力，能夠滿足該系統(tǒng)水位信息處理、自動控制、遠(yuǎn)程報警及查詢的功能需求。

3.3 設(shè)定模塊

考慮設(shè)定操作的便捷性以及準(zhǔn)確性，系統(tǒng)通過編寫的人機維護軟件進行預(yù)設(shè)水位和維護人員手機號碼的設(shè)定及修改，為滿足排水模塊能夠自動開關(guān)并保證控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、故障及時報警，通過設(shè)定模塊，設(shè)置正常、動作、異常3個預(yù)設(shè)水位。

3.4 測量模塊

測量模塊采用靜壓式液位傳感器。靜壓式液位傳感器通過測量液體產(chǎn)生的靜壓力得到水位高度，并轉(zhuǎn)化為電信號輸出，其測量誤差較小，結(jié)構(gòu)簡單，沒有可動元件，故障率較低，可靠性高，維護成本小。

3.5 通信模塊

通信模塊主要包括2個部分，即短信通信與PC通信，其通信模塊接口的電路設(shè)計圖如圖2所示。

實時報警及遠(yuǎn)程查詢的功能，因其對信息傳輸以及通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點更改便捷性的要求，系統(tǒng)采用了短信通信的方式進行此類信息的傳輸。系統(tǒng)通信模塊采用GTM900-C GPRS 模塊，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高且價格低廉，實現(xiàn)短信收發(fā)的功能，并與控制模塊相連接，一方面，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定值時，控制模塊向通信模塊發(fā)出信號，通信模塊發(fā)送報警信息給相應(yīng)運維人員，另一方面，通信模塊可以接收信息并通過控制模塊返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，即運維人員能夠通過發(fā)送特定內(nèi)容的短信（如“水位”），實現(xiàn)水位信息的遠(yuǎn)程實時查詢。

圖2 通信模塊電路設(shè)計圖

系統(tǒng)采用了PC通信的方式進行信息的傳輸，相關(guān)人員能夠通過PC 通信結(jié)合維護軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、修改預(yù)設(shè)水位值及變電站運維人員手機號碼的功能。

3.6 排水模塊

排水模塊由1 個交流接觸器以及3 組繼電器-水泵組成，支持采用手動和自動方式進行排水，并可以同時啟動3 個水泵，滿足存在多個集水井的變電站使用。其設(shè)計框架如圖3所示，220 V交流電源經(jīng)過開關(guān)進入交流接觸器，交流接觸器由“交流接觸控制單元”控制。“交流接觸控制單元”根據(jù)“手動”“自動”按鈕，選擇由控制模塊控制分合閘按鈕控制交流接觸器的分合。當(dāng)交流接觸器合上，電源經(jīng)過熱繼電器后送到水泵插座，水泵開啟。而熱繼電器主要實現(xiàn)了水泵的過載保護。

最終，將各個模塊進行組裝調(diào)試，完成變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)，其總原理圖如圖4所示，其中靜壓式液位傳感器與水泵均安裝在集水井底部，系統(tǒng)其他主體部分則置于變電站設(shè)備層。

圖3 排水模塊設(shè)計框架圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

該系統(tǒng)通過設(shè)定模塊設(shè)置正常、動作、異常3個預(yù)設(shè)水位，測量模塊安裝在電纜層集水井中進行水位測量。當(dāng)水位到達(dá)動作值時，排水模塊開啟進行排水，同時通過通信模塊向運維人員發(fā)送報警信息。當(dāng)水位下降到正常值時，排水模塊關(guān)閉，停止排水，同時通過通信模塊向運維人員發(fā)送信息。當(dāng)水位到達(dá)異常值時，系統(tǒng)可能存在故障導(dǎo)致無法正常排水或電纜層中進水量過大，此時通過通信模塊向運維人員發(fā)送報警信息，通知運維人員前往現(xiàn)場進行查看。

圖4 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)在正式投入生產(chǎn)使用前，經(jīng)專業(yè)檢測機構(gòu)檢測，各項數(shù)據(jù)合格率均為100%。檢測完成后，進行試用，通過對電纜層集水井注水的方式，進行了10次模擬試驗，得到系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)積水的平均時間，以及系統(tǒng)完成排水所需的平均時間，并與傳統(tǒng)方式對比，試用效果如圖5 所示。其發(fā)現(xiàn)積水的時間和完成排水的時間都明顯減少，使用效果良好。

圖5 試用效果對比圖

此外，經(jīng)相關(guān)部門認(rèn)證，變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)在安全、質(zhì)量、成本、管理等方面均無負(fù)面影響。

目前，該系統(tǒng)已在國網(wǎng)嘉興供電公司多個變電站進行應(yīng)用，并完成多次排水，其電纜層積水時間從系統(tǒng)使用前的數(shù)小時縮短至30 min 以內(nèi)，大大減少了變電站電纜層積水時間，改善電纜運行環(huán)境。

5 結(jié)論

變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)可通過水位傳感器實時測量電纜層集水井內(nèi)水位高度，及時發(fā)現(xiàn)電纜層積水情況，并通過控制器依據(jù)水位值與預(yù)設(shè)值進行比較，實現(xiàn)排水泵的自動開關(guān)，應(yīng)用通信技術(shù)實現(xiàn)自主設(shè)定、遠(yuǎn)程報警和查詢的功能。變電站電纜層遠(yuǎn)程智能排水控制系統(tǒng)取代了人工巡視變電站電纜層查看水位情況并進行排水的方式，提高了工作效率，大大減少了人力、物力的使用，通過縮短電纜層積水時間，改善電纜及設(shè)備運行環(huán)境，減少了設(shè)備的維修及更新，降低了設(shè)備故障發(fā)生率，提高了供電可靠性，確保供電質(zhì)量。