一種換流站水冷池液位監測裝置的設計

劉 釗

（國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

換流站的水冷系統分為外水冷循環系統和內水冷循環系統。在外水冷循環系統運行中，外水冷池液位的監測十分重要。如果液位過低且沒能及時補充冷卻水，將會導致換流站的外水冷系統出現故障，使內水冷系統的降溫效果降低，嚴重時會直接影響換流閥冷卻系統產生故障并退出運行。以往在外水冷池液位監測中運行人員需每日按時巡檢液位，依次打開重達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換流站外水冷循環系統的水冷池液位進行監測，存在幾方面的不足：（1）運行人員每日人工目測巡視，使監測間隔時間長，數據不連續，不利于分析水冷池內液位動態狀況；（2）增加液位巡視頻率，會造成運行人員工作疲勞；（3）不能實時在線對換流站外水冷循環系統運行工況進行監測。為了解決上述問題，本文提出一種換流站外循環水冷循環系統水冷池液位監測報警裝置，以期達到實時在線監測外水冷循環系統水冷池液位高度并對監測數據進行分析的技術效果。

1 硬件設計

在換流站外水冷循環系統水冷池的液位監測中，主要采用將水池蓋板輕量化以便工人檢查維修，并在水池蓋板內側統一加裝超聲波液位傳感器，如圖1所示。傳感器與外界STM32單片機連接，數據傳輸至單片機處理。

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、ADC數模轉換模塊、聲光報警模塊、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出高頻脈沖聲波。當聲波遇到被測液體時，液體表面發生反射將超聲波反射回接收器，反射回波被換能器接收轉換成電信號。超聲波的此過程中的傳播時間與蓋板到液位表面的距離成正比[1]。

液位高度的表達式為：

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

其中，聲速的溫度補償為：

式中：v為環境聲速，T為環境溫度。

3 液位檢測報警系統監測原理

電源模塊給其他模塊裝置供電。STM32單片機收集超聲波液位傳感器傳輸的液位實時數據，并進行數據處理，打上時間標碼。當收集到水冷池液位低于標準液位時，STM32單片機傳發出高電平給相應的繼電器模塊來驅動聲光報警模塊，發出報警并自動啟動補水泵增加水冷液。

超聲波液位傳感器的傳出信號為模擬信號，為此在超聲波液位傳感器和STM32單片機之間加入差分放大器模塊和數模轉換器模塊，以便信號的遠距離傳輸和STM32單片機分析處理信號。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單片機信號輸出端加入繼電器模塊來控制聲光報警器的啟停。繼電器模塊采用一路光耦隔離可以高低電平觸發的繼電器模塊。本設計中采用高電平觸發使聲光報警器工作，低電平停止工作。

保存換流站外水冷循環系統水冷池液位高度于歷史數據存儲器中，便于以后查找和趨勢分析；用數據接口模塊與外界進行數據交換，將水冷池的液位監測系統的報警信號以電信號的方式傳遞給外部監控平臺。

在計算機端，STM32信號從USB端口傳入計算機，經過計算機CPU的分析處理計算，將數據存儲在計算機硬盤中。同時，可以通過互聯網在遠端調用換流站外水冷循環系統水冷池液位高度在計算機硬盤中的數據，在現場LCD顯示模塊和遠端計算機顯示器上實時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系統水冷池液位是否超過閥值、是否需要啟動補水泵增加水冷液，從而達到無人值守、遠端操作、簡化人力的目的。系統控制流程，如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖

按照控制流程的思想，系統的軟件設計包括STM32單片機的初始化、超聲波液位傳感器采集設計、顯示器循環顯示水冷池液位實時高度、液位數據的分析及存儲設計、局域網數據共享和遠程監測等。分別對各個小模塊功能編程，通過主程序將各個子程序模塊串接起來成為一個能夠對水冷池液位高度實時監測、分析并顯示的一個整體。

軟件采用定時中斷的工作方式，每隔2 ms對各個傳輸到STM32單片機的測量值進行輪流采樣，通過數字濾波技術消除干擾進行數據處理，計算出相應的水冷池內液位高度，并對照國家標準判斷是否發出警報。

4 結 論

本裝置根據換流站外水冷循環系統水冷池液位高度變化為研究基礎，開發了換流站外水冷循環系統水冷池液位高度監測裝置，實現了對外水冷循環系統水冷池液位高度的遠端監控，減少了工人去現場巡視檢查的頻率，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的穩定性。