分布式智能控制开关站监测及排水技术创新性研究

分布式智能控制开关站监测及排水技术创新性研究

汪毅隆1徐凌1童渊1杨嘉伟1孙海玉2

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（1、国网浙江临海市供电公司；2、临海市电力实业有限公司浙江临海317000）

摘要：分布式智能控制开关站进水后，巡视人员无法下井进行正常巡视，影响到巡视质量，致使运行中的故障隐患不能及时发现，对质量巡逻有很大的障碍，导致运行的问题没有很快的发现。这不仅不能让开关站得到正确的运行，并且让开关站故障继续增大的危险，容易发生电缆头开裂的问题，而且电缆头的更换或做中间接头，导致停电时间长。本文研究了分布式智能控制开关站监测及排水技术，结合排水技术，采用实时时钟芯片作为记录监测系统中的数据记录。还可广泛应用于地震前兆及地下水动态监测、水利部门地下水观测、环境保护部门地下水观测等领域。不仅减轻了运行与维护人员的工作量和劳动强度，还能够更准确更及时的进行报警与排水处理，防止因积水而影响工作人员正常工作的开展和电缆的安全运行。

关键词：分布式控制；排水技术；水位监测报警；传感器

一、引言

作为我国城市中配电线路建设的主要方式，对电缆进行监测是保证其安全可靠运行的重要手段。分布式智能控制开关站监测及排水系统主要由智能温湿度传感器及变送器，水位传感器，抽水泵，自动排水控制器及相应管件阀门组成。

智能温湿度传感器采及变送器采集电缆浅沟的环境温湿度并进行显示；水位传感器采用投入式液位传感器，投入式水位计基于水体静压与水体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件将静压信号转换成电信号，对外输出标准的水位模拟量信号。自动排水控制器方便本地及远程操作，对抽水泵进行启停，能采集水源井水位、出水压力、出水流量等信息。采集水在电流超限、水位超限、控制柜保护、井房停电（需配置蓄电池）等状况发生时，立即上报告警信息。

二、工作原理

水位监测系统主要采用单片机控制技术，结合扩散硅压阻式压力传感器，根据水位高度的不同产生压力的不同，将水位的变化通过水位传感器转化为电流的变化，再利用A/D转换器将其转换成数字量传递给单片机并驱使单片机作出相应反应。通过水位传感器对水位进行检测，被测液体到达水位最高警戒点时，传感器输出电流变化。然后电流变化模拟量被放大、滤波后进入A/D转换器，将4~2OmA模拟信号转换成1024数字量。单片机相应管脚收到变化的数字信号，作出报警反映。

三、技术介绍

1、系统硬件电路设计

（1）水位传感器可采用多点分布，以防止一次信号误差。信号测量放大通道内含三运放电路，温漂、时漂较小。水位传感器信号满量程为4~20mA，精度能满足要求。模拟量经测量放大、滤波后，进入A/D转换器，将4~20mA模拟信号转换成0~1024数字量。A/D转换器、数据存储芯片集成度高、整机功耗小、可靠性高等优点。针对以上对系统的选型以及实现方案，采用以下模块来设计。整体方案设计的基本框架包含电源模块、复位电路、时钟电路、数据存储电路等，重点是给出各个分电路的设计说明。

（2）时钟电路时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。AT89S52单片机时钟频率为11.0592mhz。系统振荡电路采用一个单稳反向放大的自激振荡器。XTALI和XTALZ之间的电路，基本上是反向器，晶体和陶瓷振荡器都可以用来作为反馈元件，组成振荡电路，两种都产生相同的谐振。

（3）复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“启机”过程。AT89S52单片机复位信号是高电平有效。复位引脚RESET连接到一个为了减少噪声的斯密特触发器上，电振荡器工作后使RST脚为低电平并保持lm。，这样一个复位就完成了。

（4）I2C总线协议运用主/从双向通讯。发送数据到总线上的器件定义为发送器，接收数据的器件定义为接收器。主器件和从器件都可工作于接收器和发送器状态，但总线必须由主器件（通常为微处理器）控制，主器件产生串行时钟（SCL），控制总线上数据传送的方向，并产生开始和停止信号。总线从主器件产生开始条件后到产生停止条件期间有效，微处理器对串行E2PROM的读写操作在开始位控制下开始，在停止位控制下结束。当SCL和SDA均为高电平时，定义为总线空闲状态，数据的传送必须在总线空闲时才能开始。当SCL为高电平时，SDA由高到低的变化为传送数据的开始位；而当SCL为高电平时，SDA由低到高的变化为停止位。在开始条件以后，SDA上数据的改变必须在SCL为低电平期间进行，在SCL为高电平期间，SDA必须保持稳定。每传送一位数据，主器件必须发出一个时钟脉冲。

2、系统设计

（1）主程序设计

主控单元的软件设计主要包括数据采集模块，数据存储模块和执行模块。主程序从开机就在不间断的循环，永不停止，直到掉电。程序在各个部分不会停下来等待某一部分的结果，而是继续运行到下一个循环再来查询是否得到了相应结果，是则马上处理，否则继续循环。这种运行机制保证了程序执行的准确可靠，尤其对于需要周期性采样的系统。

（2）数据采集子程序

数据采集子程序在主程序接收到启动数据采集过程命令字后运行。为提高水位采样信号的真实度，本系统利用程序对水位信息在每10分钟连续采样5次，然后将采样值从小到大排队，再取中间值为真实信号。

（3）系统组成

系统主要由智能温湿度传感器及变送器，水位传感器，抽水泵，自动排水控制器及相应管件阀门组成。

智能温湿度传感器采及变送器采集电缆浅沟的环境温湿度并进行显示，同时输出两路环境温湿度信号4-20mA电流信号，DC24V供电。温度量程-40—80℃，湿度量程0-99.9%。

1）水位传感器采用投入式液位传感器，投入式水位计基于水体静压与水体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件将静压信号转换成电信号，再经温度补偿和线性修正后，对外输出标准的水位模拟量信号。量程1米，4-20mA输出。

2）抽水泵采用品牌产品，扬程3-5米，交流220V供电，175W。

自动排水控制器主要由远程控制器GPRS-7203和操控电气箱组成，箱体为480*360*200，内含开关电源、隔离变压器、继电器、按钮、转换开关、空气开关等，方便本地及远程操作，对抽水泵进行启停，远程控制器GPRS-7203具有诸多功能，能采集水源井水位、出水压力、出水流量等信息。

采集水泵运行状态和工作电流、电压等电参数。电流超限、水位超限、控制柜保护、井房停电（需配置蓄电池）等状况发生时，立即上报告警信息。

3、采用GPRS方式与监控中心上位机软件进行远程通讯。

支持手动控制、自动控制、远程控制水泵的启停；控制模式可转换。

支持采集箱门状态信息（功能预留）。

支持采集现场安防报警信息（功能预留）。

支持采集阀门开度信息（选配）。

但以上功能需根据用户实际需求调整。功能不同，测控终端的配置不同。

就本项目而言，我们只需采集水位、环境温度、环境湿度和泵的启停状态，并进行水位越限自动抽水，达到设定位置，自动停泵。

四、装置特点及性能

1、装置主要特点

（2）信号采集部分利用压力式水位传感器监测水位的变化，压力式水位传感器的输出为4~2OmA电流信号，只需二芯电缆即可传输该信号，且压力式水位传感器体积小巧，一般其直径约为3Omm，长度约为150mm，安装方便。

（3）控制中心单片机采用AT89S51，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP??In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，并集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

（3）A/D转换器选用TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，有11个模拟输入通道，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源。采用24C01串行的电擦除存储器，存储器数据掉电保持100年之久，便于运行管理。二线制串行E2PROM是一种非易失存储器，以其体积小、功耗低、操作灵活、性价比高、存储数据可靠等诸多优点，是单片机应用系统中非易失存储器的理想选择。采用I2C总线协议，方便地实现AT89S52对二线制串行E2PROM的读写操作。

2、装置主要性能

1、监测现场采用市电供电。

2、采集3路4-20mA模拟量：电缆井水位，环境温度，环境湿度。传感器都为DC24V供电，监控箱为传感器供电。

3、采集水泵运行状态（开关量）。

4、系统支持远程、就地启停水泵。

5、支持根据水位上下限自动启停泵：水位达到设定上限值自动启泵，水位达到设定下限值自动停泵。上下限可由按键完成设定。

五.总结

分布式智能控制开关站监测及排水技术创新性研究系统是一种无人值守的自动化、智能化的监测系统。结合排水技术，采用实时时钟芯片作为记录监测系统中的数据记录。还可广泛应用于地震前兆及地下水动态监测、水利部门地下水观测、环境保护部门地下水观测等领域。不仅减轻了运行与维护人员的工作量和劳动强度，还能够更准确更及时的进行报警与排水处理，防止因积水而影响工作人员正常工作的开展和电缆的安全运行。

参考文献：

[1]时翔，赵生传，陈志勇等.电缆及其沟井智能监测技术研究与应用[J].电气技术，2012，（9）

[2]余义德，呼志刚.电缆井水位监测系统的设计[J].微计算机信息，2010，26（32）

[3]赵冬泉，王浩正，佟庆远等.数字排水技术的发展与内核技术介绍[J].给水排水动态，2008，（4）

[4]杨光.城市排水管网的现代化管理[J].市政技术，2010，28（1）