基于物联网技术的智能水泵控制系统

2022-07-21万尚军费章君管相东

物联网技术 2022年7期

万尚军，费章君，管相东

（1.浙江大学工程师学院，浙江杭州 310007；2.南京征途信息技术有限公司，江苏南京 210012）

0 引言

随着经济和电力工业的飞速发展，各个电压等级的变电站、配电站房数量众多，很好地满足了人们工作、生产、生活中的用电需求。为了提高变配电设备的运维效率，在电力设备故障检测和控制实现自动化的情况下，需要同步实现环境监测、设备在线监测和控制等辅助监控系统，才能真正实现变配电站的无人值守。水位和水淹情况作为重要环境因素需要被全天候监测，才能确保电力设备的安全运行。实现变电站、配电房水情监测和控制的核心设备就是由水位传感器、水浸传感器和水泵控制器组成的智能水泵控制系统。目前大部分水泵控制系统只能实现单水泵控制、双水泵同时控制、水位采集方式单一或手动/自动/本地/远程控制方式，不能实现自由切换，并且没有水泵保护功能、集成度不高、操作使用不方便。基于先进传感器、无线通信、边缘计算等物联网技术的智能水泵控制系统，既能实时采集和传递变电站的水情，也能本地或远程、自动或手动启动水泵进行排水，有效解决无人值守变电站防汛期间人力紧张、排水不及时等问题，大大提高了工作效率，确保变电站的安全运行。

1 系统架构设计

变电站物联网系统主要由云平台（主站）层、通信网络层、现场感知监控层组成，架构如图1所示。云平台层包括数据中台和业务中台或小型云主站，用户终端可通过互联网访问平台数据。现场感知监控层包括现场感知传感器、控制器和物联网关，物联网关通过本地无线LoRa网络连接传感器和控制器，通过4G/5G网络或光纤通道连接云平台。

图1 变电站物联网系统架构

基于物联网技术的变电站智能水泵控制系统处于变电站物联网系统的现场感知监控层，主要包括智能水泵控制器、水位传感器、水浸传感器、水泵等。水泵控制器通过2.4 GHz无线LoRa、采用国网微功率无线网通信协议与水位传感器、水浸传感器通信，获取变电站水位、水淹情况，并决定是否控制水泵进行排水；同时通过470 MHz无线LoRa，采用国网节点设备无线组网协议与物联网关通信，上报水位数据和控制数据，也可接收网关、平台或用户的控制指令。

2 核心硬件设计

作为水泵控制系统的核心设备，水泵控制器根据水泵功率大小可以安装在控制箱或控制柜内，外围根据实际情况扩展接触器、开关电源模块、按钮、显示屏等，如图2、图3所示。

图2 控制箱面板布局

图3 控制箱内部布局

智能水泵控制器主要包括主控模块、开入采集模块、交流采样模块、继电器外控模块、继电器输出模块、2.4 GHz无线LoRa通信模块、470 MHz无线LoRa通信模块、串行通信模块、以太网模块、显示模块、电源模块，如图4所示。

图4 水泵控制器硬件框图

主控模块采用ARM核的高性能MCU，主要实现数据采集、数据计算、逻辑控制和通信功能。开入采集模块实现本地启动、停止按钮以及体现水位信息的上、中、下三个浮球接入，具备信号隔离功能。交流采样模块采用单回输入双回输出，实现三相（单相）电压、双回电流信号的接入、隔离和转换功能。继电器外控模块可以在主控模块运行异常的情况下，通过外接紧急按钮实现继电器的通断，从而控制水泵运行。继电器输出模块实现信号隔离和继电器的驱动功能。2.4 GHz无线LoRa通信模块通过无线通信实现与水位、水浸等无线传感器的数据交换。470 MHz无线LoRa通信模块通过无线通信实现与物联网关的数据交换。串行通信模块通过RS 485实现与水位、水浸等有线传感器的数据交换，通过RS 232实现控制器的本地维护。以太网模块通过以太网有线通信实现与物联网关的数据交换。显示模块实现与串口触摸屏的通信。电源模块实现电压转换，满足12 V、24 V电压输入，输出5 V。

3 功能设计

智能水泵控制系统主要具备水情监测功能、水情控制功能、远程监控功能、水泵保护功能。

3.1 水情监测功能

变电站一般有室外高压设备部分和室内中压及控制部分，下雨时除了变电站范围内的降水外，还有外围雨水可能倒灌，对变电站构成威胁。所以将在电缆沟、电缆层、集水池、地面沟渠、大门入口等关键位置布置水位或水浸传感器。

水泵控制器通过2.4 GHz无线LoRa通信模块实现与水位、水浸等无线传感器的数据交换。在水位正常、无水浸的情况下，传感器按15 min时间间隔（可设置）向水泵控制器传送数据。当有水位上涨过快、水位异常、水浸情况发生时，传感器将主动调整发送间隔，让水泵控制器及时监测变电站水情。当水情正常时，传感器数据采集和上送周期将恢复到15 min。

3.2 水情控制功能

当水位上涨过快、水位超过设定值、设备浸水等情况发生时，水泵控制器将启动水泵进行排水。水泵控制器根据设置的控制方式打开水泵，当水位低于设定值时关掉水泵，防止水泵空转。

水泵控制器具备本地手动和自动控制、远程自动和手动控制四种方式。为了确保水泵控制器满足现场和远程控制运行的各种需求，本文进行了运行方式切换的逻辑控制设计，如图5所示。控制模式切换逻辑在已有专利的基础上进行了如下优化：

图5 水泵控制器控制框图

（1）本地手动控制（模式1）：通过启动或停止按钮将任何控制模式切换到该模式，或通过远程通信将控制模式定值设置为1。在这种模式下，通过启动按钮或停止按钮分别实现水泵的启动或停止。

（2）本地自动控制（模式2）：通过自动按钮将任何控制模式切换到该模式，或通过远程通信将控制模式定值设置为2。如果远程通信中断，远程自动控制或远程手动控制将自动切换为该模式。在这种模式下，水泵控制器根据收集的水情信息运行控制逻辑，并控制水泵运行。

（3）远程自动控制（模式3）：通过远程通信将控制模式定值设置为3，或将任何控制模式切换到该模式。在这种模式下，物联网关或平台可以根据收集的水情信息实现自己的控制逻辑，并远程控制水泵运行。

（4）远程手动控制（模式4）：通过远程通信将控制模式定值设置为4，或将任何控制模式切换到该模式。在这种模式下，可以在平台通过启动、停止操作命令实现远程控制水泵运行。

智能水泵控制器水泵运行控制策略包括水泵控制策略和启动策略。水泵控制策略包括单台运行、两台同时运行、两台交替运行。水泵启动策略包括浮球单独控制、水位传感器单独控制、浮球和水位传感器共同控制、多点位智能控制。当水泵运行异常时断开运行水泵并启动备用水泵，消除电力设备和辅助控制设备的隐患，确保站内设备正常运行，同时生成报警信息通知用户进行处理。

3.3 水泵保护功能

智能水泵控制器具备交流采样功能，通过交流采样模块实现了水泵主线路的三相（单相）电压、电流信号采集。通过采集的电压和电流信号，水泵保护控制器实现了水泵的过电压保护、低电压保护、过电流保护、过热保护、堵转保护，任一种保护启动和跳闸后产生报警事件、记录故障波形并通过通信接口实时上报，也可以在正常运行时定时上报电压、电流、开关状态等运行信息，从而实现对水泵运行状态的全程监测。同时可以在本地或通过通信接口远程更改保护参数，根据水泵运行状态进行合理的配置。

3.4 远程监控功能

智能水泵控制器具备LoRa无线接口、以太网接口、串口等多种远程通信接口。在变电站可以通过这些远程通信接口接入物联网关或动环监控终端等设备，然后通过光纤或4G/5G无线专网连接物联网平台，从而构成完整的基于物联网技术的远程监控系统。通过远程监控系统，变电站的水情信息、水泵运行信息和故障信息、水泵控制器运行信息和控制参数都能及时上传物联网平台，同时通过物联网平台可以实现水泵控制、更改运行方式和运行策略、更改保护配置参数。

4 变电站试点运行

本系统已经在江苏的一个110 kV变电站进行了试点运行，验证了系统设计的合理性、运行的可靠性和稳定性。如图6所示，该变电站集水池内安装了两台1 kW的潜水泵用于排除过多的积水，并且安装了1个水位传感器用于监测水位，上、下两个浮球作为启动和关停水泵的备用条件，室内和室外电缆沟内一共安装了4个水浸传感器用于监测电缆的浸水情况。

水位传感器和水浸传感器都可以采用电池供电或外接12 V-DC供电。由于水位传感器紧邻水泵控制箱，所以由水泵控制箱直接提供12 V-DC电源；而由于水浸传感器被安装在不同位置，外接电源有一定困难，所以采用电池供电，电池的理论使用时间为6年。为了保证实时控制集水池的水位，水位传感器每5 s采集一次数据并通过LoRa无线上传到智能水泵控制器，控制器根据设置的水位定值来启动1台水泵、2台水泵或停止水泵。水浸传感器每15 min采集一次数据并通过LoRa无线上传到智能水泵控制器。智能水泵控制器汇总水浸数据、水位数据、水泵运行数据通过物联网关上传云平台。用户可及时收到变电站的水情、水泵的异常情况，也可通过Web访问云平台获取水情数据和水泵运行数据。

变电站水泵控制系统示意图如图6所示。经过近半年时间的运行和完善，变电站智能水泵控制系统经受了现场的各种考验，获得了丰富的数据和运行经验。从水泵控制器获取的某一时刻数据见表1所列。