基于单片机的无人值守变电站防漏水告警系统

郭 志，张 莹，林 松，汪 洋，陈冠彪

（国网淮南供电公司，安徽 淮南 232000）

0 引言

老旧变电站的给水系统管道老化严重，管道中的水一旦结冰膨胀将导致管道开裂、漏水，且无人值守变电站数量多、路途远、巡视周期长，给水系统发生渗漏水后，若工作人员无法及时关闭水通道阀门，将造成水资源浪费和水费成本的增加，漏水造成水流喷溅，对墙壁、地板等周围环境产生不利影响，并给运行设备带来安全隐患。

在防漏水应用研究方面，文献［1］提出利用霍尔元件代替水流传感器的低成本新方案，但水流量计算精度欠佳；文献［2］提出了一种借助声音传感器现实漏水声音检测，但易受周围环境影响；文献［3］提出一种用水量上限值可调节的智能家居防漏水系统；文献［4］利用传感电缆检测漏水，能够有效检测机房漏水，但适用场所受限。因此，现有的漏水保护器工作模式单一，而无人值守变电站用水情况特殊，难以满足实际工作需求。

提出一种基于AT89S51 单片机的无人值守变电站防漏水告警系统，针对变电站用水特点设置了正常用水工作模式和防漏水工作模式，能够在检测到水流量或连续出水时长达到阈值后，自动关闭水通道阀门，并及时发出告警信息告知工作人员，有效防止变电站给水系统渗漏水的发生。

1 系统设计

1.1 总体设计方案

无人值守变电站防漏水告警系统由AT89S51 单片机、工作模式选择电路、复位电路、蜂鸣器告警电路、水流量采集电路、电磁阀驱动电路、电源电路以及LCD 显示屏、直动式电磁阀、叶轮式流量计、短信息告警模块组成，系统总体设计如图1 所示。通过工作模式选择，满足变电站用水需求。水流量及连续出水时长的采集由叶轮式流量计及水流量采集电路完成，当检测到水流量或连续出水时长达到阈值时，单片机通过电磁阀驱动电路关闭给水通道，同时驱动蜂鸣器及LCD 显示屏发出就地告警，控制短信息告警模块向指定号码发送告警信息。在工作人员到达现场并查明给水系统漏水情况后，通过复位按钮完成系统复位。

图1 无人值守变电站防漏水告警系统总体设计

1.2 工作模式方案设计

无人值守变电站正常情况下用水需求很小，而在某些特定情况下如草坪灌溉、清洗设备等需要大量用水，针对其特点，将无人值守变电站防漏水告警装置分为两种工作模式：正常用水工作模式与防漏水工作模式。正常用水工作模式用于满足无人值守变电站单次或在某时段内频繁大量用水需求，防漏水工作模式用于满足无人值守变电站防渗漏水需求。

2 硬件设计

无人值守变电站防漏水告警装置包含众多硬件单元，以下重点介绍微处理器及外围接口电路、水流量采集电路、电磁阀驱动电路、告警电路等核心单元。

2.1 处理器及外围接口电路

AT89S51 单片机作为微处理器，具有成本低、功能强大、体积小及硬件安装简单等优点［5］。微处理器接口电路如图2 所示，包含有时钟电路、复位电路及工作模式选择电路。单片机供电电压为5 V，通过选择开关选择不同的工作模式，通过按键实现复位操作。

图2 微处理器及外围接口电路

2.2 水流量检测电路

管道水流量采集电路输入端连接叶轮式流量计，则管道内水流量为［6］

式中：k1、k2为管道内水流量计算系数，由叶轮式流量传感器决定；d 为叶轮直径；S 为管道横截面积；f 为霍尔传感器输出脉冲信号的频率，计算公式为

式中：ω 为叶轮转速；T 为霍尔传感器输出脉冲信号的周期。接入系统5 V 电源，经过AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传输给AT89S51 单片机，实现水流量检测，水流量采集电路如图3 所示。

图3 水流量采集电路

2.3 电磁阀驱动电路

选取常闭型直动式电磁阀，其驱动电路如图4所示，当单片机通过引脚输出低电平时，三极管Q2未导通，则三极管Q3 基极电压升至系统电压，三极管Q3 导通，电磁阀通电开启水通道阀门，单片机输出高电平时的工作原理与此相反。

图4 电磁阀驱动电路

2.4 告警电路

系统采用有源蜂鸣器和LCD 显示屏进行就地声光告警，有源蜂鸣器内部自带震荡源，其驱动电路如图5 所示。系统采用S140GSM／3G／4GLTE 型短信息告警控制器进行远方短信息告警，内置SIM 通信卡，外接12 V 电源，其信号输入端INPUT2 与微控制器的引脚连接，驱动电路如图6 所示。

图5 有源蜂鸣器驱动电路

图6 短信息告警控制器驱动电路

3 软件设计

3.1 主程序流程

“初始化”包括定时器中断、外部中断、串口中断及短信模块的初始化。通过外接选择开关选择工作模式，采用循环扫描方式实时监测管道出水情况。Flag是渗漏水标志位，若选择正常用水工作模式，Flag置0，不再对出水情况进行检测；若选择防漏水工作模式，对出水情况进行检测，当检测到有渗漏水发生时，Flag置1，通过电磁阀驱动电路关闭水通道阀门，同时启动蜂鸣器和LCD 就地声光告警，并向指定手机号码发送告警短信息，待工作人员前来处理。主程序流程如图7 所示。

3.2 渗漏水检测设计

在正常用水工作模式下，不对管道内水流情况进行检测。在防漏水工作模式下检测给水系统单次出水量和连续出水时长，若单次出水量或连续出水时长未达到预设阈值，则经延时后清零重新检测；若单次出水量或连续出水时长达到预设阈值，则判定给水系统有渗漏水发生，渗漏水检测流程如图8 所示。由于无人值守变电站用水情况特殊，据统计，变电站单次用水量几乎不超过50 L，且用水时长不超过1 h，而大量用水情况在1 年中也难以遇见1 次，频次十分低，因此将防漏水工作模式单次出水量和连续出水时长阈值分别为50 L、1 h，这样不但能够有效防止变电站给水系统渗水和漏水的发生，且不影响变电站站内工作时正常用水需求，有效减少了人工干预环节。

图7 主程序流程

图8 漏水检测流程

3.3 告警短信息设计

短信息告警控制器内插SIM 卡［7］，通过GSM 短信控制报警器配置软件V1.5 进行短信信息编制，编辑内容简介以告知防漏装置工作情况，如“××变电站室外防漏水装置动作”，并与指定手机进行通信，如图9 所示。在系统检测到防漏达到告警条件时，通过微处理器驱动短信息告警控制器，发送短信息给指定手机，上报漏水情况信息。

图9 告警短信息编辑界面

4 系统测试

选取某无人值守变电站给水系统，对防漏水告警装置进行安装调试，测试在不同工作模式下装置各模块动作情况，测试结果如表1 所示。从表1 可以得出，两种工作模式下，防漏水装置均能在检测到有渗漏水发生时，有效闭锁水通道阀门，并及时发出告警信息。

表1 系统测试结果统计表

5 结语

针对无人值守变电站用水特点，提出了正常用水工作模式和防漏水工作模式，通过检测管道水流量及水流时长，能够在变电站发生渗漏水时及时关闭水通道阀门，并经短信息告警控制器发送告警短信通知工作人员，避免给水系统漏水所带来的损失和安全隐患，提升无人值守变电站智能化和安全运行水平。