換流站閥塔漏水在線監測系統的設計

毛春翔，馬 潤

1.國網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（閥塔）是換流站重要的輔助設備系統，它通過冷卻介質的流動帶走可控硅閥由于消耗功率所產生的熱量，用于保證換流站核心設備可控硅換流閥的穩定運行，是超、特高壓直流輸電工程中的關鍵設備[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滲漏水現象，若出現輕微滲漏，會只報警不跳閘，嚴重漏水則會直接閉鎖直流系統[2]。相對于傳統的有線傳輸報警信號網絡，無線傳感器網絡具有成本低、靈活、移動性強等優點，為不適宜連線的場合提供了技術支持。

隨著泛在網絡、人工智能、邊緣計算等物聯網技術的發展，智能電網、電力輸變電設備的物聯將迎來跨界融合、集成創新和規?；l展的新階段。借助泛在物聯網思維，可以在現有閥塔漏水監測系統的基礎上設計一種閥塔漏水在線監測系統，更靈敏地監測閥塔漏水情況，確保直流系統的安全穩定運行[3]。

1 傳統閥塔漏水監測系統概述

冷卻系統的安全運行是保證換流閥及直流輸電系統穩定運行的基礎。當換流閥冷卻系統出現滲漏情況時，會對換流閥造成損害，嚴重時會危及直流系統穩定運行。為了避免換流閥冷卻系統滲漏帶來的危害，設置漏水監測系統，用于保證冷卻系統的安全可靠運行[4]。

1.1 傳統監測系統的工作原理

閥塔漏水監測裝置和閥塔漏水監測原理分別如圖1、圖2所示。當閥塔內發生泄漏時，滲漏的水流入閥底部屏蔽內，順傾斜的底屏蔽金屬板流入集水坑?？梢栽诳觾仍O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，控制系統通過2條光纖回路的導通和關斷來監視閥塔漏水。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，控制系統認為無漏水；當回報光纖沒有檢測到光信號時，控制系統認為存在漏水[5]。

圖1 閥塔漏水監測裝置

圖2 閥塔漏水監測原理圖

當閥塔出現漏水時，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斷，控制系統判斷位輕微漏水，給出報警信號；如果繼續漏水，泡沫浮子和擋光板繼續上移，此時信號光纖回路關斷，控制系統判斷大量漏水，給出跳閘信號[6]。

1.2 閥塔漏水監測系統應用現狀

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

現階段，換流閥塔漏水檢測裝置依然采用傳統的有線連接方式，通過采集線對漏水檢測設備進行數據采集[8]。該方式雖然傳輸穩定且不會產生數據畸變，但是也有線路復雜和移動不便的缺陷[9]。隨著物聯網和無線傳輸技術的不斷發展，可以采用傳感器網絡和射頻識別技術進行無線數據采集和傳輸，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，適合在工程中應用[10]。

2 研究目標

根據傳統閥塔漏水監測系統的設計原理，以及國家電網公司提出的“三型兩網”戰略思路，結合物聯網、傳感器網絡、低功率廣域網絡、無線射頻技術研制閥塔漏水在線監測系統，該系統具有以下優勢。

（1）長距離：應用新一代無線通信技術，可實現5 km無中繼長距離自組網，便于檢測設備數據的集中采集和系統間的信息傳遞。

（2）防干擾：閥塔設備正常運行時，流過設備的電流較大，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境下對信號傳輸的干擾。

（3）定位準：采用閥塔分區域實時報警技術，在閥塔閥底部的屏蔽罩內分區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并能迅速定位。

3 系統設計方案

換流站無線閥塔漏水在線監測系統的組成主要包括無線漏水傳感器、無線數據匯集單元及系統分析平臺，如圖3所示。監測系統利用裝設在閥塔各區域內的無線漏水傳感器，實時在線監測其安裝位置（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據匯集單元上傳到控制主機，達到監控告警的目的。

圖3 無線閥塔漏水在線監測系統組成示意圖

3.1 無線漏水傳感器

3.1.1 無線漏水傳感器的布置

根據換流閥閥塔水道設計特點及高壓直流輸電現場水壓實際情況，在每個閥塔底部的屏蔽罩內分區域布置5個無線漏水傳感器，根據閥塔主水管路及原有漏水檢測裝置的位置，優化布置上述無線漏水傳感器，確保無死角覆蓋高頻漏水區域，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，兩根感應線會短接，從而產生電流的變化。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）加強電磁兼容設計，以適應換流站運行環境的要求。

3.2 無線數據匯集單元

無線數據匯集單元用于收集附近位置的無線漏水傳感器信息，并將所有信息轉發至系統分析平臺。換流站閥塔漏水在線監測系統采用LoRa（long range radio）無線傳輸方式，與傳統藍牙和ZigBee等無線傳輸方式相比，該方式功耗更低，傳輸距離更遠，在無線低功耗領域獨占鰲頭。相關實驗數據表明，采用LoRa傳輸方式，在相同功耗下，其傳輸距離比其他傳統方式增加3～5倍。

換流站閥塔漏水在線監測系統主要應用無線漏水傳感器和無線水位傳感器，傳感器根據實際情況安裝于每個閥塔底部的屏蔽罩內和膨脹箱內，LoRaWan網關即無線數據匯集單元，起到數據匯集和中繼的功能。每個閥廳內和每個膨脹箱附近（可視具體情況調整）安裝1個無線數據匯集單元。無線數據匯集單元通過站內部署的光纖與系統分析平臺相連，形成完整的網絡架構。

網關轉換協議可以把LoRa傳感器的數據轉換為TCP/IP格式發送到Internet上。由于LoRa可以同一信道上同時進行多信號解調，網關能夠使用不同于終端節點的RF器件，其具有更高的容量，可作為透明網橋在終端設備和中心網絡服務器間中繼消息，同時通過標準IP連接到網絡服務器；終端設備使用單播的無線通信報文到一個或多個網關。

3.3 系統分析平臺

系統分析平臺可以對所有信息進行處理、分析、存儲和展示，同時發出相應的告警信息。換流站閥塔漏水在線監測系統在站內搭建獨立的服務器，用于運行監測系統分析平臺，系統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。系統支持本地查看、導出歷史數據及報警數據（以Word、PDF等格式導出）、打印歷史曲線等功能，系統分析平臺軟件也可通過相關協議標準接入統一監控平臺。

4 結束語

文章運用物聯網思維，利用傳感器網絡、低功率廣域網絡、無線射頻技術，在原有閥塔漏水報警系統的基礎上設計了閥塔漏水在線監測系統，該系統能實現長距離、抗電磁干擾、分區域、實時的漏水報警監測，可以保證換流站正常穩定運行。該技術成果可推廣用于各個換流站，同時產品系列化后也可以用于常規變電站的類似報警監視系統，生產換流閥的廠家也可以將其用于產品的漏水報警系統，應用前景廣闊。