基于GSM短信息的變電站自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)

杜洪濤，胡昌倫

(國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東 萊蕪 271100)

0 引言

夏季雨水較多，對于地勢低洼無人值守的變電站，防汛、防洪工作尤為重要。變電站內(nèi)電纜層、電纜溝地勢較低，容易產(chǎn)生積水。電纜長時(shí)間浸泡于積水中，可能導(dǎo)致絕緣下降、爆炸等嚴(yán)重后果，危及電力設(shè)備安全運(yùn)行。若變電站進(jìn)水較多，可能導(dǎo)致變電站全停，造成惡劣的社會(huì)影響［1］。

目前，變電站的站內(nèi)排水一般采用水泵和排水管，工作人員在日常巡視時(shí)，如發(fā)現(xiàn)站內(nèi)有積水，便開啟水泵排水，以保證電力設(shè)備安全運(yùn)行，其不足之處在于:由于需要人工觀測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理，降低了工作效率，有時(shí)會(huì)危及電力設(shè)備安全運(yùn)行。因此，客觀上需要一種智能裝置，在變電站出現(xiàn)汛情時(shí)，它能及時(shí)啟動(dòng)水泵排水并通知變電站值班人員。

1 系統(tǒng)功能原理圖

變電站自動(dòng)報(bào)警排水裝置實(shí)時(shí)檢測變電站的水位信息，當(dāng)變電站內(nèi)水位達(dá)到警戒值時(shí)，裝置通過GSM短信息向值班人員報(bào)告，并將信息傳輸至報(bào)警控制中心;當(dāng)變電站內(nèi)水位達(dá)到或超過臨界值，危及站內(nèi)設(shè)備安全時(shí)，裝置自動(dòng)啟動(dòng)排水功能，通過GSM短信息向值班人員報(bào)告險(xiǎn)情，并將水位信息傳輸至報(bào)警控制中心。報(bào)警控制中心實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息的時(shí)間、地點(diǎn)、類型，以便于值班人員檢查，并將報(bào)警信息存入數(shù)據(jù)庫以備查詢［2］。變電站自動(dòng)報(bào)警排水裝置功能原理圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)功能原理圖

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖2給出了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要由水位探頭開關(guān)量輸入、PLC控制單元、GSM模塊、繼電器控制模塊、水位指示模塊組成。當(dāng)集水池內(nèi)水位上升至警戒水位時(shí)，警戒水位探頭開關(guān)觸點(diǎn)接通，信號(hào)上傳至PLC控制器，PLC控制器通過GSM無線通信模塊ZWG-03B，向變電站值班員發(fā)送短信告警;集水池內(nèi)水位上升至排水水位時(shí)，排水水位探頭開關(guān)觸點(diǎn)接通，信號(hào)上傳至PLC控制器，PLC控制器通過第一中間繼電器啟動(dòng)交流接觸器，開啟水泵排水，并通過ZWG-03B，向變電站值班員發(fā)送短信告警;當(dāng)警戒水位和排水水位探頭失靈，信號(hào)無法及時(shí)上傳，集水池內(nèi)水位上升至緊急水位時(shí)，系統(tǒng)不通過PLC控制器直接啟動(dòng)第二中間繼電器，開啟水泵排水，并向變電站值班員發(fā)送短信告警。

圖2 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集模塊

如圖3所示，系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊包括三個(gè)水位探頭，水位探頭安裝在變電站集水池內(nèi)壁的下部和中部，從下到上依次為警戒水位探頭、排水水位探頭、緊急水位探頭。集水池通常設(shè)備在變電站室內(nèi)的低洼處，如電纜夾層、電纜溝等。信號(hào)采集模塊中的三個(gè)水位探頭均選用側(cè)裝式浮球開關(guān)，型號(hào)為上海云歐自動(dòng)化儀表公司RF小型浮球液位開關(guān)中的Y0-SS2-A1，材質(zhì)是304。浮球開關(guān)由彈簧開關(guān)和浮子組成，浮球可以隨著液位的變化而上下移動(dòng)，在移動(dòng)過程中觸動(dòng)浮球內(nèi)的磁簧開關(guān)吸合和分開，輸出開關(guān)量信號(hào)［3］。三路開關(guān)量信號(hào)分別直接送入 PLC I0.0、I0.1、I0.2 輸入端口檢測。

圖3 水位探頭安裝示意圖

3.2 中央處理模塊

中央處理模塊可以實(shí)現(xiàn)水位探頭開關(guān)量的采集與處理、當(dāng)前水位狀態(tài)電氣指示，同時(shí)可以控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信。

PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，具有適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。CPU選用西門子S7-200系列的222CN AC/DC/RELAY，本機(jī)共有8路數(shù)字輸入、6路繼電器輸出，具有1個(gè)RS485通信端口，通信端口支持PPI，MPI，自由口等通信協(xié)議。本系統(tǒng)中負(fù)載電源接PLC直流輸出DC 24 V電源，電源最大負(fù)載能力 500 mA［4］。

3.3ZWG-03B(GSM)數(shù)據(jù)傳輸模塊

ZWG-03B是廣州致遠(yuǎn)電子公司開發(fā)的智能短信模塊，采用RS485總線接口，+5～26 V寬范圍電壓供電。ZWG-03B通過串口電纜與電腦連接后，可以配置模塊的波特率、短信接收號(hào)碼、工作模式。模塊支持命令和透明兩種工作模式，命令模式為“一對一”發(fā)送短信，透明模式為“群發(fā)”短信功能。文中報(bào)警系統(tǒng)采用透明模式，可預(yù)設(shè)最多五位變電站值班人員的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)排水系統(tǒng)檢測到報(bào)警信號(hào)時(shí)，PLC啟動(dòng)短信發(fā)送程序通過RS485總線控制ZWG-03B向值班人員發(fā)送報(bào)警短信。

ZWG-03B發(fā)送短信命令格式為:AT+SENDSMS=Pho，“Message”^Z，Pho為發(fā)送短信目標(biāo)號(hào)碼;Message為發(fā)送短信內(nèi)容，支持中英文短信，每條短信最多支持160個(gè)英文字符;中文短信為國際碼(GB2312)，每條短信最多支持70個(gè)字符。排水系統(tǒng)采用GB2312編碼形式編輯待發(fā)送漢字，GB2312編碼即漢字的內(nèi)碼［5］。

ZWG-03B支持通過發(fā)送短信方式，更改預(yù)設(shè)變電站值班人員的手機(jī)號(hào)碼功能。例如，發(fā)送短信格式為“系統(tǒng)密碼，SENDNUM3，目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼，RCVNUM3，目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼”，系統(tǒng)密碼表示短信模塊的密碼，SENDNUM3、RCVNUM3表示第三位值班員人員的手機(jī)號(hào)碼，目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼表示需要更改的目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼。

3.4 水位指示模塊

水位指示模塊用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的水位狀態(tài)，由6個(gè)LED指示信號(hào)燈組成，水位指示模塊原理圖如圖4所示。

圖4 水位指示模塊原理圖

L1～L4依次為警戒水位指示燈、排水水位指示燈、緊急水位指示燈、故障指示燈，型號(hào)為江蘇雙科電氣AD56-22DS系列DC24V LED信號(hào)指示燈。L5為PLC工作電源指示燈，L6為排水指示燈，安裝于水泵交流接觸器輸出端，型號(hào)為江蘇雙科電氣AD56-22DS系列AC220V LED信號(hào)指示燈。故障水位指示燈用于檢測警戒、排水、緊急水位傳感器工作狀態(tài)的邏輯關(guān)系，若輸出邏輯錯(cuò)誤，則可以判斷水位傳感器失靈。水位指示燈邏輯關(guān)系表如表1所示。

表1 水位指示燈邏輯關(guān)系表

3.5 繼電器輸出控制模塊

水泵啟動(dòng)、運(yùn)行電流較大，達(dá)到20 A左右，CPU直接帶負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，故水泵采用交流接觸器開關(guān)。222CN AC/DC/RELAY為繼電器輸出端口，輸出電壓DC24 V，無法直接驅(qū)動(dòng)水泵的220 V或380 V交流接觸器開關(guān)，因此需要加入中間繼電器。本系統(tǒng)中，中間繼電器選用ABB公司的CR-MX024DC2L，觸點(diǎn)容量為7 A 250 VAC和7 A 30 VDC，交流接觸器選用施耐德公司的LC1 D1210。繼電器輸出控制模塊原理圖如圖5所示。PLC控制器檢測傳感器開關(guān)量信號(hào)，達(dá)到排水水位時(shí)，啟動(dòng)第一中間繼電器KA1;第二中間繼電器KA2不受PLC控制，當(dāng)水位達(dá)到緊急水位時(shí)，緊急水位探頭開關(guān)觸點(diǎn)閉合，回路自動(dòng)導(dǎo)通，啟動(dòng)水泵排水［6］。本系統(tǒng)中，水泵交流接觸器的輔助觸點(diǎn)接入PLC輸入口I0.7，用于檢測水泵的工作狀態(tài)，文中不再詳細(xì)敘述。

圖5 繼電器輸出控制模塊原理圖

4 系統(tǒng)軟件部分

軟件部分主要包括自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)終端檢測軟件和上位機(jī)人機(jī)交互軟件兩個(gè)部分。

4.1 自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)終端檢測軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端檢測軟件與系統(tǒng)硬件相配合，主要完成水位傳感器開關(guān)量檢測、當(dāng)前水位狀態(tài)指示、控制中間繼電器輸出及GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。它包括水位傳感器檢測程序、水位指示及中間繼電器控制子程序、短信收發(fā)子程序等［7］，圖6給出了系統(tǒng)主程序流程圖。

4.2 上位機(jī)人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)人機(jī)交互軟件安裝在變電站值班室的監(jiān)控微機(jī)上，它負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場報(bào)警終端發(fā)送的報(bào)警信息，實(shí)時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容，并將報(bào)警內(nèi)容保存以備查詢。值班室監(jiān)控微機(jī)通過串口與GSM調(diào)制調(diào)解器ZWG-03A連接，ZWG-03A采用RS232串口接線，其功能與ZWG-03B一致，本系統(tǒng)中用于接收報(bào)警信息［8］。

本系統(tǒng)人機(jī)交互軟件是一個(gè)報(bào)警信息接收平臺(tái)與管理軟件，它采用Visual Studio 2005開發(fā)環(huán)境，支持Microsoft.net framework 2.0版本的應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)。人機(jī)交互軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，具備報(bào)警信息接收、用戶數(shù)據(jù)庫、報(bào)警顯示、即時(shí)打印報(bào)警資料等功能:① 報(bào)警信息接收功能:定時(shí)讀入報(bào)警信息，包括變電站名稱、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警類型。② 事件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、打印功能:自動(dòng)記錄報(bào)警信息、操作人員登錄情況，并且可以打印報(bào)警資料，方便值班人員查詢維護(hù)。③ 報(bào)警顯示:當(dāng)軟件收到報(bào)警信息時(shí)，頁面自動(dòng)顯示報(bào)警信息。

5 自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)控制箱及浮球開關(guān)實(shí)物圖如圖7所示。系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)交互軟件如圖8所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

本項(xiàng)創(chuàng)新成果已申請國家實(shí)用新型專利，專利申請?zhí)?201320314424.6，授權(quán)號(hào):CN203307913U。截至發(fā)稿日期，自動(dòng)報(bào)警排水系統(tǒng)已在萊蕪供電公司所轄220 kV方下、鵬泉、110 kV大橋三個(gè)變電站調(diào)試成功并投入運(yùn)行，經(jīng)過2014年夏季汛期的考驗(yàn)，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、報(bào)警及動(dòng)作正確，變電站未發(fā)生一起進(jìn)水事件。目前，萊蕪供電公司正逐步推廣應(yīng)用該創(chuàng)新成果。

圖7 排水裝置實(shí)物圖

6 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能型變電站報(bào)警排水系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、動(dòng)作可靠、操作方便，不僅節(jié)省人力物力，而且能夠及時(shí)避免變電站險(xiǎn)情的發(fā)生，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場前景。

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