換流站閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

毛春翔，馬 潤

1.國網(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)，它通過冷卻介質(zhì)的流動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]。

在換流站的運行過程中，受震動等因素的影響，閥塔水管不可避免地會出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，若出現(xiàn)輕微滲漏，會只報警不跳閘，嚴重漏水則會直接閉鎖直流系統(tǒng)[2]。相對于傳統(tǒng)的有線傳輸報警信號網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、靈活、移動性強等優(yōu)點，為不適宜連線的場合提供了技術(shù)支持。

隨著泛在網(wǎng)絡(luò)、人工智能、邊緣計算等物聯(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)將迎來跨界融合、集成創(chuàng)新和規(guī)模化發(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)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)，更靈敏地監(jiān)測閥塔漏水情況，確保直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[3]。

1 傳統(tǒng)閥塔漏水監(jiān)測系統(tǒng)概述

冷卻系統(tǒng)的安全運行是保證換流閥及直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。當換流閥冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)滲漏情況時，會對換流閥造成損害，嚴重時會危及直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了避免換流閥冷卻系統(tǒng)滲漏帶來的危害，設(shè)置漏水監(jiān)測系統(tǒng)，用于保證冷卻系統(tǒng)的安全可靠運行[4]。

1.1 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

閥塔漏水監(jiān)測裝置和閥塔漏水監(jiān)測原理分別如圖1、圖2所示。當閥塔內(nèi)發(fā)生泄漏時，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。可以在坑內(nèi)設(shè)置一個浮子，浮子連桿上開有2個尺寸不同的孔。泡沫浮子與擋光板固定在一起，控制系統(tǒng)通過2條光纖回路的導通和關(guān)斷來監(jiān)視閥塔漏水。其中一條光纖用于報警（圖2中的回報光纖），另一條用于跳閘（圖2中的信號光纖）。保護判斷邏輯為負邏輯，當回報光纖檢測到光信號正常時，控制系統(tǒng)認為無漏水；當回報光纖沒有檢測到光信號時，控制系統(tǒng)認為存在漏水[5]。

圖1 閥塔漏水監(jiān)測裝置

圖2 閥塔漏水監(jiān)測原理圖

當閥塔出現(xiàn)漏水時，水將通過進水口進入檢測裝置，泡沫浮子和擋光板一同上移，此時回報光纖回路關(guān)斷，控制系統(tǒng)判斷位輕微漏水，給出報警信號；如果繼續(xù)漏水，泡沫浮子和擋光板繼續(xù)上移，此時信號光纖回路關(guān)斷，控制系統(tǒng)判斷大量漏水，給出跳閘信號[6]。

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

目前，國內(nèi)換流站的閥塔漏水監(jiān)測都是采用上述監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置于閥塔底部屏蔽罩內(nèi)的激光監(jiān)測模塊來檢測閥塔底部屏蔽罩內(nèi)的積水情況并發(fā)出報警信號，可以反映冷卻系統(tǒng)泄漏情況，信號的一段用于報警，二段用于閉鎖直流系統(tǒng)[7]。

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

2 研究目標

根據(jù)傳統(tǒng)閥塔漏水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原理，以及國家電網(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)、無線射頻技術(shù)研制閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢。

（1）長距離：應(yīng)用新一代無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)5 km無中繼長距離自組網(wǎng)，便于檢測設(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)備正常運行時，流過設(shè)備的電流較大，存在較強的電磁場，采用低功耗無線閥塔漏水檢測傳感器，能防止在閥塔強電磁環(huán)境下對信號傳輸?shù)母蓴_。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

換流站無線閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成主要包括無線漏水傳感器、無線數(shù)據(jù)匯集單元及系統(tǒng)分析平臺，如圖3所示。監(jiān)測系統(tǒng)利用裝設(shè)在閥塔各區(qū)域內(nèi)的無線漏水傳感器，實時在線監(jiān)測其安裝位置（場所）是否浸（積）水，以此判斷閥塔有無漏水情況，并將漏水報警信息通過無線數(shù)據(jù)匯集單元上傳到控制主機，達到監(jiān)控告警的目的。

圖3 無線閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖

3.1 無線漏水傳感器

3.1.1 無線漏水傳感器的布置

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

圖4 無線閥塔漏水檢測傳感器布置示意圖

3.1.2 檢測模塊的設(shè)計

無線漏水傳感器主要利用水浸檢測電纜的原理，當接水容器的水位達到水浸檢測電纜的位置時，兩根感應(yīng)線會短接，從而產(chǎn)生電流的變化。無線漏水傳感器的檢測模塊通過檢測電流信息可以判斷是否存在水浸的情況，其設(shè)計如下：

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

（2）采用低功耗LoRa無線模塊，其具有功耗低、傳輸距離遠等特點；

（3）采用高穩(wěn)定性的一次性鋰亞電池供電，無須外部供電，安裝方便；

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

3.2 無線數(shù)據(jù)匯集單元

無線數(shù)據(jù)匯集單元用于收集附近位置的無線漏水傳感器信息，并將所有信息轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)分析平臺。換流站閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)采用LoRa（long range radio）無線傳輸方式，與傳統(tǒng)藍牙和ZigBee等無線傳輸方式相比，該方式功耗更低，傳輸距離更遠，在無線低功耗領(lǐng)域獨占鰲頭。相關(guān)實驗數(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)測系統(tǒng)主要應(yīng)用無線漏水傳感器和無線水位傳感器，傳感器根據(jù)實際情況安裝于每個閥塔底部的屏蔽罩內(nèi)和膨脹箱內(nèi)，LoRaWan網(wǎng)關(guān)即無線數(shù)據(jù)匯集單元，起到數(shù)據(jù)匯集和中繼的功能。每個閥廳內(nèi)和每個膨脹箱附近（可視具體情況調(diào)整）安裝1個無線數(shù)據(jù)匯集單元。無線數(shù)據(jù)匯集單元通過站內(nèi)部署的光纖與系統(tǒng)分析平臺相連，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進行多信號解調(diào)，網(wǎng)關(guān)能夠使用不同于終端節(jié)點的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，同時通過標準IP連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；終端設(shè)備使用單播的無線通信報文到一個或多個網(wǎng)關(guān)。

3.3 系統(tǒng)分析平臺

系統(tǒng)分析平臺可以對所有信息進行處理、分析、存儲和展示，同時發(fā)出相應(yīng)的告警信息。換流站閥塔漏水在線監(jiān)測系統(tǒng)在站內(nèi)搭建獨立的服務(wù)器，用于運行監(jiān)測系統(tǒng)分析平臺，系統(tǒng)分析平臺可以將所有收集到的信息進行處理、分析、存儲和展示，并支持多種方式的告警。系統(tǒng)支持本地查看、導出歷史數(shù)據(jù)及報警數(shù)據(jù)（以Word、PDF等格式導出）、打印歷史曲線等功能，系統(tǒng)分析平臺軟件也可通過相關(guān)協(xié)議標準接入統(tǒng)一監(jiān)控平臺。

4 結(jié)束語

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