一種換流站水冷池液位監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

劉 釗

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

換流站的水冷系統(tǒng)分為外水冷循環(huán)系統(tǒng)和內(nèi)水冷循環(huán)系統(tǒng)。在外水冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行中，外水冷池液位的監(jiān)測十分重要。如果液位過低且沒能及時(shí)補(bǔ)充冷卻水，將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站的外水冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障，使內(nèi)水冷系統(tǒng)的降溫效果降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響換流閥冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生故障并退出運(yùn)行。以往在外水冷池液位監(jiān)測中運(yùn)行人員需每日按時(shí)巡檢液位，依次打開重達(dá)50 g的水池蓋板，然后人工判斷液位高低。

通過上述人工方式對(duì)換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)的水冷池液位進(jìn)行監(jiān)測，存在幾方面的不足：（1）運(yùn)行人員每日人工目測巡視，使監(jiān)測間隔時(shí)間長，數(shù)據(jù)不連續(xù)，不利于分析水冷池內(nèi)液位動(dòng)態(tài)狀況；（2）增加液位巡視頻率，會(huì)造成運(yùn)行人員工作疲勞；（3）不能實(shí)時(shí)在線對(duì)換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測。為了解決上述問題，本文提出一種換流站外循環(huán)水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位監(jiān)測報(bào)警裝置，以期達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的技術(shù)效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

在換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池的液位監(jiān)測中，主要采用將水池蓋板輕量化以便工人檢查維修，并在水池蓋板內(nèi)側(cè)統(tǒng)一加裝超聲波液位傳感器，如圖1所示。傳感器與外界STM32單片機(jī)連接，數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)處理。

圖1 水冷池蓋板

硬件模塊分包含超聲波液位傳感器、AD8130差分放大模塊、STM32單片機(jī)、ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器模塊、LCD顯示模塊和電源模塊。具體硬件連接圖如圖2所示。

圖2 液位監(jiān)測裝置連接圖

2 超聲波液位傳感器工作原理

超聲波液位傳感器探頭發(fā)出高頻脈沖聲波。當(dāng)聲波遇到被測液體時(shí)，液體表面發(fā)生反射將超聲波反射回接收器，反射回波被換能器接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波的此過程中的傳播時(shí)間與蓋板到液位表面的距離成正比[1]。

液位高度的表達(dá)式為：

式中：h為水冷池中液位高度，H為水冷池深度，v為環(huán)境聲速，t為探頭發(fā)出超聲波與接收器收到超聲波的時(shí)間間隔。

其中，聲速的溫度補(bǔ)償為：

式中：v為環(huán)境聲速，T為環(huán)境溫度。

3 液位檢測報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)測原理

電源模塊給其他模塊裝置供電。STM32單片機(jī)收集超聲波液位傳感器傳輸?shù)囊何粚?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打上時(shí)間標(biāo)碼。當(dāng)收集到水冷池液位低于標(biāo)準(zhǔn)液位時(shí)，STM32單片機(jī)傳發(fā)出高電平給相應(yīng)的繼電器模塊來驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警模塊，發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水泵增加水冷液。

超聲波液位傳感器的傳出信號(hào)為模擬信號(hào)，為此在超聲波液位傳感器和STM32單片機(jī)之間加入差分放大器模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊，以便信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸和STM32單片機(jī)分析處理信號(hào)。差分放大器模塊采用AD8130差分接收放大器模塊，具有低噪聲、低失真和高共模抑制比的特性。

STM32單片機(jī)信號(hào)輸出端加入繼電器模塊來控制聲光報(bào)警器的啟停。繼電器模塊采用一路光耦隔離可以高低電平觸發(fā)的繼電器模塊。本設(shè)計(jì)中采用高電平觸發(fā)使聲光報(bào)警器工作，低電平停止工作。

保存換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度于歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，便于以后查找和趨勢分析；用數(shù)據(jù)接口模塊與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將水冷池的液位監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)以電信號(hào)的方式傳遞給外部監(jiān)控平臺(tái)。

在計(jì)算機(jī)端，STM32信號(hào)從USB端口傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)CPU的分析處理計(jì)算，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤中。同時(shí)，可以通過互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)端調(diào)用換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度在計(jì)算機(jī)硬盤中的數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場LCD顯示模塊和遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)顯示器上實(shí)時(shí)顯示水冷池液位的變化情況，方便工作人員分析判斷換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位是否超過閥值、是否需要啟動(dòng)補(bǔ)水泵增加水冷液，從而達(dá)到無人值守、遠(yuǎn)端操作、簡化人力的目的。系統(tǒng)控制流程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

按照控制流程的思想，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括STM32單片機(jī)的初始化、超聲波液位傳感器采集設(shè)計(jì)、顯示器循環(huán)顯示水冷池液位實(shí)時(shí)高度、液位數(shù)據(jù)的分析及存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)測等。分別對(duì)各個(gè)小模塊功能編程，通過主程序?qū)⒏鱾€(gè)子程序模塊串接起來成為一個(gè)能夠?qū)λ涑匾何桓叨葘?shí)時(shí)監(jiān)測、分析并顯示的一個(gè)整體。

軟件采用定時(shí)中斷的工作方式，每隔2 ms對(duì)各個(gè)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)的測量值進(jìn)行輪流采樣，通過數(shù)字濾波技術(shù)消除干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出相應(yīng)的水冷池內(nèi)液位高度，并對(duì)照國家標(biāo)準(zhǔn)判斷是否發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié) 論

本裝置根據(jù)換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度變化為研究基礎(chǔ)，開發(fā)了換流站外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外水冷循環(huán)系統(tǒng)水冷池液位高度的遠(yuǎn)端監(jiān)控，減少了工人去現(xiàn)場巡視檢查的頻率，降低了水冷池因液位高度不夠引起的事故，提高了換流站水冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。