变电站电缆层远程智能排水控制系统

郭建峰，杨燕华，周 刚

（国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴314000）

变电站是电力网络的重要环节，其进出线电缆通过电缆层进出变电站。电缆层的环境对于电缆的寿命及安全运行有着重要影响。由于浙江地区雨水充沛、环境潮湿，而变电站电缆层通常地势较低，存在积水现象。目前变电站多为无人值守，传统运维方式无法及时消除由电缆层积水带来的安全隐患。因此，及时排除由变电站电缆层积水带来的安全隐患显得尤为重要。但是，由于目前变电站运维人员不能及时了解电缆层积水情况，不能在电缆层发生积水后及时排水，导致积水时间过长，一方面电缆长时间浸水影响电缆的使用寿命，容易引起故障，另一方面积水带来的水汽上升至变电站设备层，导致设备发生凝露，影响设备安全运行[1]。

本文设计了一种变电站电缆层远程智能排水控制系统，以控制器为基础，应用通讯技术，旨在改变传统运维模式，实现变电站电缆层积水情况实时监测、远程查询、智能管控，改善电缆的运行环境，提高电力设备可靠性。

1 现状分析

在采用传统人工运维方式的情况下，本文对2019年较为严重的10起变电站电缆层积水事件进行了统计分析，发现积水的平均时间为1.9 h，完成排水所用的平均时间为2.5 h，耗时较长，不能及时发现积水情况并进行排水。

目前，电力行业采用的排水装置，除了传统的人工排水的方式之外，有采用继电器-接触器控制系统实现自动排水[2]，浮子的上升与下降带动接触器触点的闭合与断开实现水泵的开启和关闭，其结构简单，运行方便，但是该种方式，故障率较高，需要适时维护，才能保证装置稳定准确运行。

结合当前电力、矿业等其他行业对于排水系统的研究现状，本文针对变电站电缆层研究一种远程智能排水控制系统，解决变电站电缆层可能存在的积水时间较长的问题。

2 总体设计

根据变电站电缆层运维需求，该系统应具备：水位定值设定；水位测量；自动开启/关闭排水；水位异常远程报警等功能。因此，该系统应包含电源模块、控制模块、设定模块、测量模块、通信模块以及排水模块，如图1所示。

图1 系统模块分解图

其中，电源模块为控制模块，提供动力，保证设备正常运行；控制模块实现设定模块预设水位信息以及测量模块水位，及测量反馈信息的处理，控制排水模块的开关，并与通信模块连接，提高排水效率、及时报警；设定模块实现预设水位的差异化设定，针对不同变电站或同一变电站不同时间设定

合适的预设水位；测量模块采用传感器进行水位测量，能够实时监测并反馈水位信息；通信模块提供远程报警及远程水位查询功能；排水模块实现排水功能，解决电缆层积水问题。

3 方案实施

为满足该系统在准确性、安全性、便捷性等方面的要求，分别对各个模块进行具体方案实施。

3.1 电源模块

系统直接接入变电站内220 V 交流市电，电源模块分成三路：进入开关电源，产生+12 V 和+5 V电源分别为液晶屏和控制模块供电；进入操作电源板，产生隔离的直流操作电源，为分、合闸操作及控制供电；作为电机储能的交流电压，进入储能切换电路。

3.2 控制模块

控制模块采用ATmega128L型单片机，其I/O接口数多，程序储存器容量大，具有较强的控制能力以及通信能力，能够满足该系统水位信息处理、自动控制、远程报警及查询的功能需求。

3.3 设定模块

考虑设定操作的便捷性以及准确性，系统通过编写的人机维护软件进行预设水位和维护人员手机号码的设定及修改，为满足排水模块能够自动开关并保证控制系统安全稳定运行、故障及时报警，通过设定模块，设置正常、动作、异常3个预设水位。

3.4 测量模块

测量模块采用静压式液位传感器。静压式液位传感器通过测量液体产生的静压力得到水位高度，并转化为电信号输出，其测量误差较小，结构简单，没有可动元件，故障率较低，可靠性高，维护成本小。

3.5 通信模块

通信模块主要包括2个部分，即短信通信与PC通信，其通信模块接口的电路设计图如图2所示。

实时报警及远程查询的功能，因其对信息传输以及通信网络节点更改便捷性的要求，系统采用了短信通信的方式进行此类信息的传输。系统通信模块采用GTM900-C GPRS 模块，数据传输稳定性高且价格低廉，实现短信收发的功能，并与控制模块相连接，一方面，当水位达到设定值时，控制模块向通信模块发出信号，通信模块发送报警信息给相应运维人员，另一方面，通信模块可以接收信息并通过控制模块返回相应数据，即运维人员能够通过发送特定内容的短信（如“水位”），实现水位信息的远程实时查询。

图2 通信模块电路设计图

系统采用了PC通信的方式进行信息的传输，相关人员能够通过PC 通信结合维护软件实现远程设定、修改预设水位值及变电站运维人员手机号码的功能。

3.6 排水模块

排水模块由1 个交流接触器以及3 组继电器-水泵组成，支持采用手动和自动方式进行排水，并可以同时启动3 个水泵，满足存在多个集水井的变电站使用。其设计框架如图3所示，220 V交流电源经过开关进入交流接触器，交流接触器由“交流接触控制单元”控制。“交流接触控制单元”根据“手动”“自动”按钮，选择由控制模块控制分合闸按钮控制交流接触器的分合。当交流接触器合上，电源经过热继电器后送到水泵插座，水泵开启。而热继电器主要实现了水泵的过载保护。

最终，将各个模块进行组装调试，完成变电站电缆层远程智能排水控制系统，其总原理图如图4所示，其中静压式液位传感器与水泵均安装在集水井底部，系统其他主体部分则置于变电站设备层。

图3 排水模块设计框架图

4 现场应用

该系统通过设定模块设置正常、动作、异常3个预设水位，测量模块安装在电缆层集水井中进行水位测量。当水位到达动作值时，排水模块开启进行排水，同时通过通信模块向运维人员发送报警信息。当水位下降到正常值时，排水模块关闭，停止排水，同时通过通信模块向运维人员发送信息。当水位到达异常值时，系统可能存在故障导致无法正常排水或电缆层中进水量过大，此时通过通信模块向运维人员发送报警信息，通知运维人员前往现场进行查看。

图4 系统原理图

系统在正式投入生产使用前，经专业检测机构检测，各项数据合格率均为100%。检测完成后，进行试用，通过对电缆层集水井注水的方式，进行了10次模拟试验，得到系统发现积水的平均时间，以及系统完成排水所需的平均时间，并与传统方式对比，试用效果如图5 所示。其发现积水的时间和完成排水的时间都明显减少，使用效果良好。

图5 试用效果对比图

此外，经相关部门认证，变电站电缆层远程智能排水控制系统在安全、质量、成本、管理等方面均无负面影响。

目前，该系统已在国网嘉兴供电公司多个变电站进行应用，并完成多次排水，其电缆层积水时间从系统使用前的数小时缩短至30 min 以内，大大减少了变电站电缆层积水时间，改善电缆运行环境。

5 结论

变电站电缆层远程智能排水控制系统可通过水位传感器实时测量电缆层集水井内水位高度，及时发现电缆层积水情况，并通过控制器依据水位值与预设值进行比较，实现排水泵的自动开关，应用通信技术实现自主设定、远程报警和查询的功能。变电站电缆层远程智能排水控制系统取代了人工巡视变电站电缆层查看水位情况并进行排水的方式，提高了工作效率，大大减少了人力、物力的使用，通过缩短电缆层积水时间，改善电缆及设备运行环境，减少了设备的维修及更新，降低了设备故障发生率，提高了供电可靠性，确保供电质量。