變電站電纜層遠程智能排水控制系統

郭建峰，楊燕華，周 剛

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興314000）

變電站是電力網絡的重要環節，其進出線電纜通過電纜層進出變電站。電纜層的環境對于電纜的壽命及安全運行有著重要影響。由于浙江地區雨水充沛、環境潮濕，而變電站電纜層通常地勢較低，存在積水現象。目前變電站多為無人值守，傳統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，不能在電纜層發生積水后及時排水，導致積水時間過長，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備層，導致設備發生凝露，影響設備安全運行[1]。

本文設計了一種變電站電纜層遠程智能排水控制系統，以控制器為基礎，應用通訊技術，旨在改變傳統運維模式，實現變電站電纜層積水情況實時監測、遠程查詢、智能管控，改善電纜的運行環境，提高電力設備可靠性。

1 現狀分析

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

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

結合當前電力、礦業等其他行業對于排水系統的研究現狀，本文針對變電站電纜層研究一種遠程智能排水控制系統，解決變電站電纜層可能存在的積水時間較長的問題。

2 總體設計

根據變電站電纜層運維需求，該系統應具備：水位定值設定；水位測量；自動開啟/關閉排水；水位異常遠程報警等功能。因此，該系統應包含電源模塊、控制模塊、設定模塊、測量模塊、通信模塊以及排水模塊，如圖1所示。

圖1 系統模塊分解圖

其中，電源模塊為控制模塊，提供動力，保證設備正常運行；控制模塊實現設定模塊預設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，并與通信模塊連接，提高排水效率、及時報警；設定模塊實現預設水位的差異化設定，針對不同變電站或同一變電站不同時間設定

合適的預設水位；測量模塊采用傳感器進行水位測量，能夠實時監測并反饋水位信息；通信模塊提供遠程報警及遠程水位查詢功能；排水模塊實現排水功能，解決電纜層積水問題。

3 方案實施

為滿足該系統在準確性、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

系統直接接入變電站內220 V 交流市電，電源模塊分成三路：進入開關電源，產生+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，能夠滿足該系統水位信息處理、自動控制、遠程報警及查詢的功能需求。

3.3 設定模塊

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

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生的靜壓力得到水位高度，并轉化為電信號輸出，其測量誤差較小，結構簡單，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計圖如圖2所示。

實時報警及遠程查詢的功能，因其對信息傳輸以及通信網絡節點更改便捷性的要求，系統采用了短信通信的方式進行此類信息的傳輸。系統通信模塊采用GTM900-C GPRS 模塊，數據傳輸穩定性高且價格低廉，實現短信收發的功能，并與控制模塊相連接，一方面，當水位達到設定值時，控制模塊向通信模塊發出信號，通信模塊發送報警信息給相應運維人員，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數據，即運維人員能夠通過發送特定內容的短信（如“水位”），實現水位信息的遠程實時查詢。

圖2 通信模塊電路設計圖

系統采用了PC通信的方式進行信息的傳輸，相關人員能夠通過PC 通信結合維護軟件實現遠程設定、修改預設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。其設計框架如圖3所示，220 V交流電源經過開關進入交流接觸器，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“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。當交流接觸器合上，電源經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了水泵的過載保護。

最終，將各個模塊進行組裝調試，完成變電站電纜層遠程智能排水控制系統，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，系統其他主體部分則置于變電站設備層。

圖3 排水模塊設計框架圖

4 現場應用

該系統通過設定模塊設置正常、動作、異常3個預設水位，測量模塊安裝在電纜層集水井中進行水位測量。當水位到達動作值時，排水模塊開啟進行排水，同時通過通信模塊向運維人員發送報警信息。當水位下降到正常值時，排水模塊關閉，停止排水，同時通過通信模塊向運維人員發送信息。當水位到達異常值時，系統可能存在故障導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送報警信息，通知運維人員前往現場進行查看。

圖4 系統原理圖

系統在正式投入生產使用前，經專業檢測機構檢測，各項數據合格率均為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，得到系統發現積水的平均時間，以及系統完成排水所需的平均時間，并與傳統方式對比，試用效果如圖5 所示。其發現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，經相關部門認證，變電站電纜層遠程智能排水控制系統在安全、質量、成本、管理等方面均無負面影響。

目前，該系統已在國網嘉興供電公司多個變電站進行應用，并完成多次排水，其電纜層積水時間從系統使用前的數小時縮短至30 min 以內，大大減少了變電站電纜層積水時間，改善電纜運行環境。

5 結論

變電站電纜層遠程智能排水控制系統可通過水位傳感器實時測量電纜層集水井內水位高度，及時發現電纜層積水情況，并通過控制器依據水位值與預設值進行比較，實現排水泵的自動開關，應用通信技術實現自主設定、遠程報警和查詢的功能。變電站電纜層遠程智能排水控制系統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，改善電纜及設備運行環境，減少了設備的維修及更新，降低了設備故障發生率，提高了供電可靠性，確保供電質量。