基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水泵控制系統(tǒng)

萬(wàn)尚軍，費(fèi)章君，管相東

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

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)的飛速發(fā)展，各個(gè)電壓等級(jí)的變電站、配電站房數(shù)量眾多，很好地滿(mǎn)足了人們工作、生產(chǎn)、生活中的用電需求。為了提高變配電設(shè)備的運(yùn)維效率，在電力設(shè)備故障檢測(cè)和控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的情況下，需要同步實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制等輔助監(jiān)控系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)變配電站的無(wú)人值守。水位和水淹情況作為重要環(huán)境因素需要被全天候監(jiān)測(cè)，才能確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)變電站、配電房水情監(jiān)測(cè)和控制的核心設(shè)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(tǒng)。目前大部分水泵控制系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單水泵控制、雙水泵同時(shí)控制、水位采集方式單一或手動(dòng)/自動(dòng)/本地/遠(yuǎn)程控制方式，不能實(shí)現(xiàn)自由切換，并且沒(méi)有水泵保護(hù)功能、集成度不高、操作使用不方便。基于先進(jìn)傳感器、無(wú)線(xiàn)通信、邊緣計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水泵控制系統(tǒng)，既能實(shí)時(shí)采集和傳遞變電站的水情，也能本地或遠(yuǎn)程、自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水，有效解決無(wú)人值守變電站防汛期間人力緊張、排水不及時(shí)等問(wèn)題，大大提高了工作效率，確保變電站的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由云平臺(tái)（主站）層、通信網(wǎng)絡(luò)層、現(xiàn)場(chǎng)感知監(jiān)控層組成，架構(gòu)如圖1所示。云平臺(tái)層包括數(shù)據(jù)中臺(tái)和業(yè)務(wù)中臺(tái)或小型云主站，用戶(hù)終端可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)感知監(jiān)控層包括現(xiàn)場(chǎng)感知傳感器、控制器和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過(guò)本地?zé)o線(xiàn)LoRa網(wǎng)絡(luò)連接傳感器和控制器，通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)或光纖通道連接云平臺(tái)。

圖1 變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電站智能水泵控制系統(tǒng)處于變電站物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)感知監(jiān)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(guò)2.4 GHz無(wú)線(xiàn)LoRa、采用國(guó)網(wǎng)微功率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)通信協(xié)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(jìn)行排水；同時(shí)通過(guò)470 MHz無(wú)線(xiàn)LoRa，采用國(guó)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信，上報(bào)水位數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，也可接收網(wǎng)關(guān)、平臺(tái)或用戶(hù)的控制指令。

2 核心硬件設(shè)計(jì)

作為水泵控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，水泵控制器根據(jù)水泵功率大小可以安裝在控制箱或控制柜內(nèi)，外圍根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展接觸器、開(kāi)關(guān)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(nèi)部布局

智能水泵控制器主要包括主控模塊、開(kāi)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(wú)線(xiàn)LoRa通信模塊、470 MHz無(wú)線(xiàn)LoRa通信模塊、串行通信模塊、以太網(wǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、邏輯控制和通信功能。開(kāi)入采集模塊實(shí)現(xiàn)本地啟動(dòng)、停止按鈕以及體現(xiàn)水位信息的上、中、下三個(gè)浮球接入，具備信號(hào)隔離功能。交流采樣模塊采用單回輸入雙回輸出，實(shí)現(xiàn)三相（單相）電壓、雙回電流信號(hào)的接入、隔離和轉(zhuǎn)換功能。繼電器外控模塊可以在主控模塊運(yùn)行異常的情況下，通過(guò)外接緊急按鈕實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷，從而控制水泵運(yùn)行。繼電器輸出模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離和繼電器的驅(qū)動(dòng)功能。2.4 GHz無(wú)線(xiàn)LoRa通信模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)與水位、水浸等無(wú)線(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)交換。470 MHz無(wú)線(xiàn)LoRa通信模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。串行通信模塊通過(guò)RS 485實(shí)現(xiàn)與水位、水浸等有線(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)交換，通過(guò)RS 232實(shí)現(xiàn)控制器的本地維護(hù)。以太網(wǎng)模塊通過(guò)以太網(wǎng)有線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)交換。顯示模塊實(shí)現(xiàn)與串口觸摸屏的通信。電源模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，滿(mǎn)足12 V、24 V電壓輸入，輸出5 V。

3 功能設(shè)計(jì)

智能水泵控制系統(tǒng)主要具備水情監(jiān)測(cè)功能、水情控制功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、水泵保護(hù)功能。

3.1 水情監(jiān)測(cè)功能

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

水泵控制器通過(guò)2.4 GHz無(wú)線(xiàn)LoRa通信模塊實(shí)現(xiàn)與水位、水浸等無(wú)線(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)交換。在水位正常、無(wú)水浸的情況下，傳感器按15 min時(shí)間間隔（可設(shè)置）向水泵控制器傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)有水位上漲過(guò)快、水位異常、水浸情況發(fā)生時(shí)，傳感器將主動(dòng)調(diào)整發(fā)送間隔，讓水泵控制器及時(shí)監(jiān)測(cè)變電站水情。當(dāng)水情正常時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)采集和上送周期將恢復(fù)到15 min。

3.2 水情控制功能

當(dāng)水位上漲過(guò)快、水位超過(guò)設(shè)定值、設(shè)備浸水等情況發(fā)生時(shí)，水泵控制器將啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水。水泵控制器根據(jù)設(shè)置的控制方式打開(kāi)水泵，當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)關(guān)掉水泵，防止水泵空轉(zhuǎn)。

水泵控制器具備本地手動(dòng)和自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)和手動(dòng)控制四種方式。為了確保水泵控制器滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程控制運(yùn)行的各種需求，本文進(jìn)行了運(yùn)行方式切換的邏輯控制設(shè)計(jì)，如圖5所示?？刂颇Ｊ角袚Q邏輯在已有專(zhuān)利的基礎(chǔ)上進(jìn)行了如下優(yōu)化：

圖5 水泵控制器控制框圖

（1）本地手動(dòng)控制（模式1）：通過(guò)啟動(dòng)或停止按鈕將任何控制模式切換到該模式，或通過(guò)遠(yuǎn)程通信將控制模式定值設(shè)置為1。在這種模式下，通過(guò)啟動(dòng)按鈕或停止按鈕分別實(shí)現(xiàn)水泵的啟動(dòng)或停止。

（2）本地自動(dòng)控制（模式2）：通過(guò)自動(dòng)按鈕將任何控制模式切換到該模式，或通過(guò)遠(yuǎn)程通信將控制模式定值設(shè)置為2。如果遠(yuǎn)程通信中斷，遠(yuǎn)程自動(dòng)控制或遠(yuǎn)程手動(dòng)控制將自動(dòng)切換為該模式。在這種模式下，水泵控制器根據(jù)收集的水情信息運(yùn)行控制邏輯，并控制水泵運(yùn)行。

（3）遠(yuǎn)程自動(dòng)控制（模式3）：通過(guò)遠(yuǎn)程通信將控制模式定值設(shè)置為3，或?qū)⑷魏慰刂颇Ｊ角袚Q到該模式。在這種模式下，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)或平臺(tái)可以根據(jù)收集的水情信息實(shí)現(xiàn)自己的控制邏輯，并遠(yuǎn)程控制水泵運(yùn)行。

（4）遠(yuǎn)程手動(dòng)控制（模式4）：通過(guò)遠(yuǎn)程通信將控制模式定值設(shè)置為4，或?qū)⑷魏慰刂颇Ｊ角袚Q到該模式。在這種模式下，可以在平臺(tái)通過(guò)啟動(dòng)、停止操作命令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水泵運(yùn)行。

智能水泵控制器水泵運(yùn)行控制策略包括水泵控制策略和啟動(dòng)策略。水泵控制策略包括單臺(tái)運(yùn)行、兩臺(tái)同時(shí)運(yùn)行、兩臺(tái)交替運(yùn)行。水泵啟動(dòng)策略包括浮球單獨(dú)控制、水位傳感器單獨(dú)控制、浮球和水位傳感器共同控制、多點(diǎn)位智能控制。當(dāng)水泵運(yùn)行異常時(shí)斷開(kāi)運(yùn)行水泵并啟動(dòng)備用水泵，消除電力設(shè)備和輔助控制設(shè)備的隱患，確保站內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)生成報(bào)警信息通知用戶(hù)進(jìn)行處理。

3.3 水泵保護(hù)功能

智能水泵控制器具備交流采樣功能，通過(guò)交流采樣模塊實(shí)現(xiàn)了水泵主線(xiàn)路的三相（單相）電壓、電流信號(hào)采集。通過(guò)采集的電壓和電流信號(hào)，水泵保護(hù)控制器實(shí)現(xiàn)了水泵的過(guò)電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)，任一種保護(hù)啟動(dòng)和跳閘后產(chǎn)生報(bào)警事件、記錄故障波形并通過(guò)通信接口實(shí)時(shí)上報(bào)，也可以在正常運(yùn)行時(shí)定時(shí)上報(bào)電壓、電流、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等運(yùn)行信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)的全程監(jiān)測(cè)。同時(shí)可以在本地或通過(guò)通信接口遠(yuǎn)程更改保護(hù)參數(shù)，根據(jù)水泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行合理的配置。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

智能水泵控制器具備LoRa無(wú)線(xiàn)接口、以太網(wǎng)接口、串口等多種遠(yuǎn)程通信接口。在變電站可以通過(guò)這些遠(yuǎn)程通信接口接入物聯(lián)網(wǎng)關(guān)或動(dòng)環(huán)監(jiān)控終端等設(shè)備，然后通過(guò)光纖或4G/5G無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從而構(gòu)成完整的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，變電站的水情信息、水泵運(yùn)行信息和故障信息、水泵控制器運(yùn)行信息和控制參數(shù)都能及時(shí)上傳物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)水泵控制、更改運(yùn)行方式和運(yùn)行策略、更改保護(hù)配置參數(shù)。

4 變電站試點(diǎn)運(yùn)行

本系統(tǒng)已經(jīng)在江蘇的一個(gè)110 kV變電站進(jìn)行了試點(diǎn)運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。如圖6所示，該變電站集水池內(nèi)安裝了兩臺(tái)1 kW的潛水泵用于排除過(guò)多的積水，并且安裝了1個(gè)水位傳感器用于監(jiān)測(cè)水位，上、下兩個(gè)浮球作為啟動(dòng)和關(guān)停水泵的備用條件，室內(nèi)和室外電纜溝內(nèi)一共安裝了4個(gè)水浸傳感器用于監(jiān)測(cè)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(shí)間為6年。為了保證實(shí)時(shí)控制集水池的水位，水位傳感器每5 s采集一次數(shù)據(jù)并通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)上傳到智能水泵控制器，控制器根據(jù)設(shè)置的水位定值來(lái)啟動(dòng)1臺(tái)水泵、2臺(tái)水泵或停止水泵。水浸傳感器每15 min采集一次數(shù)據(jù)并通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)上傳到智能水泵控制器。智能水泵控制器匯總水浸數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)上傳云平臺(tái)。用戶(hù)可及時(shí)收到變電站的水情、水泵的異常情況，也可通過(guò)Web訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái)獲取水情數(shù)據(jù)和水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)。

變電站水泵控制系統(tǒng)示意圖如圖6所示。經(jīng)過(guò)近半年時(shí)間的運(yùn)行和完善，變電站智能水泵控制系統(tǒng)經(jīng)受了現(xiàn)場(chǎng)的各種考驗(yàn)，獲得了豐富的數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。從水泵控制器獲取的某一時(shí)刻數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1 水泵控制器的某一時(shí)刻數(shù)據(jù)

圖6 變電站水泵控制系統(tǒng)示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水泵控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)公司規(guī)范要求的無(wú)線(xiàn)通信方式和通信規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了傳感器、控制器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)互通，節(jié)約了安裝調(diào)試成本和運(yùn)維成本，將進(jìn)一步獲得推廣應(yīng)用。

（2）智能水泵控制器的本地手動(dòng)和自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)和自動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)靈活切換，解決了用戶(hù)的使用痛點(diǎn)。

（3）智能水泵控制器集成了保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)集成度，節(jié)約了建設(shè)成本和維護(hù)成本。

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