換流站閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

毛春翔，馬 潤(rùn)

1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，寧夏 銀川 750011

2.寧夏銀星能源股份有限公司，寧夏 銀川 750021

0 引言

閥水冷系統(tǒng)（閥塔）是換流站重要的輔助設(shè)備系統(tǒng)，它通過(guò)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)帶走可控硅閥由于消耗功率所產(chǎn)生的熱量，用于保證換流站核心設(shè)備可控硅換流閥的穩(wěn)定運(yùn)行，是超、特高壓直流輸電工程中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。

在換流站的運(yùn)行過(guò)程中，受震動(dòng)等因素的影響，閥塔水管不可避免地會(huì)出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，若出現(xiàn)輕微滲漏，會(huì)只報(bào)警不跳閘，嚴(yán)重漏水則會(huì)直接閉鎖直流系統(tǒng)[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線傳輸報(bào)警信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、靈活、移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為不適宜連線的場(chǎng)合提供了技術(shù)支持。

隨著泛在網(wǎng)絡(luò)、人工智能、邊緣計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)、電力輸變電設(shè)備的物聯(lián)將迎來(lái)跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)?；l(fā)展的新階段。借助泛在物聯(lián)網(wǎng)思維，可以在現(xiàn)有閥塔漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更靈敏地監(jiān)測(cè)閥塔漏水情況，確保直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

1 傳統(tǒng)閥塔漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

冷卻系統(tǒng)的安全運(yùn)行是保證換流閥及直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。當(dāng)換流閥冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏情況時(shí)，會(huì)對(duì)換流閥造成損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免換流閥冷卻系統(tǒng)滲漏帶來(lái)的危害，設(shè)置漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于保證冷卻系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[4]。

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理

閥塔漏水監(jiān)測(cè)裝置和閥塔漏水監(jiān)測(cè)原理分別如圖1、圖2所示。當(dāng)閥塔內(nèi)發(fā)生泄漏時(shí)，滲漏的水流入閥底部屏蔽內(nèi)，順傾斜的底屏蔽金屬板流入集水坑?？梢栽诳觾?nèi)設(shè)置一個(gè)浮子，浮子連桿上開(kāi)有2個(gè)尺寸不同的孔。泡沫浮子與擋光板固定在一起，控制系統(tǒng)通過(guò)2條光纖回路的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)監(jiān)視閥塔漏水。其中一條光纖用于報(bào)警（圖2中的回報(bào)光纖），另一條用于跳閘（圖2中的信號(hào)光纖）。保護(hù)判斷邏輯為負(fù)邏輯，當(dāng)回報(bào)光纖檢測(cè)到光信號(hào)正常時(shí)，控制系統(tǒng)認(rèn)為無(wú)漏水；當(dāng)回報(bào)光纖沒(méi)有檢測(cè)到光信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)認(rèn)為存在漏水[5]。

圖1 閥塔漏水監(jiān)測(cè)裝置

圖2 閥塔漏水監(jiān)測(cè)原理圖

當(dāng)閥塔出現(xiàn)漏水時(shí)，水將通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入檢測(cè)裝置，泡沫浮子和擋光板一同上移，此時(shí)回報(bào)光纖回路關(guān)斷，控制系統(tǒng)判斷位輕微漏水，給出報(bào)警信號(hào)；如果繼續(xù)漏水，泡沫浮子和擋光板繼續(xù)上移，此時(shí)信號(hào)光纖回路關(guān)斷，控制系統(tǒng)判斷大量漏水，給出跳閘信號(hào)[6]。

1.2 閥塔漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)換流站的閥塔漏水監(jiān)測(cè)都是采用上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置于閥塔底部屏蔽罩內(nèi)的激光監(jiān)測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)閥塔底部屏蔽罩內(nèi)的積水情況并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，可以反映冷卻系統(tǒng)泄漏情況，信號(hào)的一段用于報(bào)警，二段用于閉鎖直流系統(tǒng)[7]。

現(xiàn)階段，換流閥塔漏水檢測(cè)裝置依然采用傳統(tǒng)的有線連接方式，通過(guò)采集線對(duì)漏水檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[8]。該方式雖然傳輸穩(wěn)定且不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)畸變，但是也有線路復(fù)雜和移動(dòng)不便的缺陷[9]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，可以采用傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)采集和傳輸，采集精度高且傳輸距離遠(yuǎn)，可以解決有線傳輸方式的各種問(wèn)題，適合在工程中應(yīng)用[10]。

2 研究目標(biāo)

根據(jù)傳統(tǒng)閥塔漏水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，以及國(guó)家電網(wǎng)公司提出的“三型兩網(wǎng)”戰(zhàn)略思路，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、低功率廣域網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線射頻技術(shù)研制閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）長(zhǎng)距離：應(yīng)用新一代無(wú)線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)5 km無(wú)中繼長(zhǎng)距離自組網(wǎng)，便于檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)的集中采集和系統(tǒng)間的信息傳遞。

（2）防干擾：閥塔設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)設(shè)備的電流較大，存在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)，采用低功耗無(wú)線閥塔漏水檢測(cè)傳感器，能防止在閥塔強(qiáng)電磁環(huán)境下對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。

（3）定位準(zhǔn)：采用閥塔分區(qū)域?qū)崟r(shí)報(bào)警技術(shù)，在閥塔閥底部的屏蔽罩內(nèi)分區(qū)域布置無(wú)線漏水傳感器，可讓運(yùn)維人員在第一時(shí)間掌握閥塔漏水狀態(tài)并能迅速定位。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

換流站無(wú)線閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成主要包括無(wú)線漏水傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元及系統(tǒng)分析平臺(tái)，如圖3所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用裝設(shè)在閥塔各區(qū)域內(nèi)的無(wú)線漏水傳感器，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)其安裝位置（場(chǎng)所）是否浸（積）水，以此判斷閥塔有無(wú)漏水情況，并將漏水報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元上傳到控制主機(jī)，達(dá)到監(jiān)控告警的目的。

圖3 無(wú)線閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成示意圖

3.1 無(wú)線漏水傳感器

3.1.1 無(wú)線漏水傳感器的布置

根據(jù)換流閥閥塔水道設(shè)計(jì)特點(diǎn)及高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)水壓實(shí)際情況，在每個(gè)閥塔底部的屏蔽罩內(nèi)分區(qū)域布置5個(gè)無(wú)線漏水傳感器，根據(jù)閥塔主水管路及原有漏水檢測(cè)裝置的位置，優(yōu)化布置上述無(wú)線漏水傳感器，確保無(wú)死角覆蓋高頻漏水區(qū)域，布置圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線閥塔漏水檢測(cè)傳感器布置示意圖

3.1.2 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線漏水傳感器主要利用水浸檢測(cè)電纜的原理，當(dāng)接水容器的水位達(dá)到水浸檢測(cè)電纜的位置時(shí)，兩根感應(yīng)線會(huì)短接，從而產(chǎn)生電流的變化。無(wú)線漏水傳感器的檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)電流信息可以判斷是否存在水浸的情況，其設(shè)計(jì)如下：

（1）采用集成AD的超低功耗MCU，用于采集水浸檢測(cè)電纜的相應(yīng)的邏輯判斷；

（2）采用低功耗LoRa無(wú)線模塊，其具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)；

（3）采用高穩(wěn)定性的一次性鋰亞電池供電，無(wú)須外部供電，安裝方便；

（4）加強(qiáng)電磁兼容設(shè)計(jì)，以適應(yīng)換流站運(yùn)行環(huán)境的要求。

3.2 無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元

無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元用于收集附近位置的無(wú)線漏水傳感器信息，并將所有信息轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)分析平臺(tái)。換流站閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用LoRa（long range radio）無(wú)線傳輸方式，與傳統(tǒng)藍(lán)牙和ZigBee等無(wú)線傳輸方式相比，該方式功耗更低，傳輸距離更遠(yuǎn)，在無(wú)線低功耗領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用LoRa傳輸方式，在相同功耗下，其傳輸距離比其他傳統(tǒng)方式增加3～5倍。

換流站閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用無(wú)線漏水傳感器和無(wú)線水位傳感器，傳感器根據(jù)實(shí)際情況安裝于每個(gè)閥塔底部的屏蔽罩內(nèi)和膨脹箱內(nèi)，LoRaWan網(wǎng)關(guān)即無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元，起到數(shù)據(jù)匯集和中繼的功能。每個(gè)閥廳內(nèi)和每個(gè)膨脹箱附近（可視具體情況調(diào)整）安裝1個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元。無(wú)線數(shù)據(jù)匯集單元通過(guò)站內(nèi)部署的光纖與系統(tǒng)分析平臺(tái)相連，形成完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換協(xié)議可以把LoRa傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP格式發(fā)送到Internet上。由于LoRa可以同一信道上同時(shí)進(jìn)行多信號(hào)解調(diào)，網(wǎng)關(guān)能夠使用不同于終端節(jié)點(diǎn)的RF器件，其具有更高的容量，可作為透明網(wǎng)橋在終端設(shè)備和中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間中繼消息，同時(shí)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；終端設(shè)備使用單播的無(wú)線通信報(bào)文到一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)。

3.3 系統(tǒng)分析平臺(tái)

系統(tǒng)分析平臺(tái)可以對(duì)所有信息進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)和展示，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的告警信息。換流站閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在站內(nèi)搭建獨(dú)立的服務(wù)器，用于運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析平臺(tái)，系統(tǒng)分析平臺(tái)可以將所有收集到的信息進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)和展示，并支持多種方式的告警。系統(tǒng)支持本地查看、導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警數(shù)據(jù)（以Word、PDF等格式導(dǎo)出）、打印歷史曲線等功能，系統(tǒng)分析平臺(tái)軟件也可通過(guò)相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接入統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)思維，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)、低功率廣域網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線射頻技術(shù)，在原有閥塔漏水報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了閥塔漏水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、抗電磁干擾、分區(qū)域、實(shí)時(shí)的漏水報(bào)警監(jiān)測(cè)，可以保證換流站正常穩(wěn)定運(yùn)行。該技術(shù)成果可推廣用于各個(gè)換流站，同時(shí)產(chǎn)品系列化后也可以用于常規(guī)變電站的類似報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)，生產(chǎn)換流閥的廠家也可以將其用于產(chǎn)品的漏水報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊。