换流站阀塔漏水在线监测系统的设计

毛春翔，马 润

1.国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏 银川 750011

2.宁夏银星能源股份有限公司，宁夏 银川 750021

0 引言

阀水冷系统（阀塔）是换流站重要的辅助设备系统，它通过冷却介质的流动带走可控硅阀由于消耗功率所产生的热量，用于保证换流站核心设备可控硅换流阀的稳定运行，是超、特高压直流输电工程中的关键设备[1]。

在换流站的运行过程中，受震动等因素的影响，阀塔水管不可避免地会出现渗漏水现象，若出现轻微渗漏，会只报警不跳闸，严重漏水则会直接闭锁直流系统[2]。相对于传统的有线传输报警信号网络，无线传感器网络具有成本低、灵活、移动性强等优点，为不适宜连线的场合提供了技术支持。

随着泛在网络、人工智能、边缘计算等物联网技术的发展，智能电网、电力输变电设备的物联将迎来跨界融合、集成创新和规模化发展的新阶段。借助泛在物联网思维，可以在现有阀塔漏水监测系统的基础上设计一种阀塔漏水在线监测系统，更灵敏地监测阀塔漏水情况，确保直流系统的安全稳定运行[3]。

1 传统阀塔漏水监测系统概述

冷却系统的安全运行是保证换流阀及直流输电系统稳定运行的基础。当换流阀冷却系统出现渗漏情况时，会对换流阀造成损害，严重时会危及直流系统稳定运行。为了避免换流阀冷却系统渗漏带来的危害，设置漏水监测系统，用于保证冷却系统的安全可靠运行[4]。

1.1 传统监测系统的工作原理

阀塔漏水监测装置和阀塔漏水监测原理分别如图1、图2所示。当阀塔内发生泄漏时，渗漏的水流入阀底部屏蔽内，顺倾斜的底屏蔽金属板流入集水坑。可以在坑内设置一个浮子，浮子连杆上开有2个尺寸不同的孔。泡沫浮子与挡光板固定在一起，控制系统通过2条光纤回路的导通和关断来监视阀塔漏水。其中一条光纤用于报警（图2中的回报光纤），另一条用于跳闸（图2中的信号光纤）。保护判断逻辑为负逻辑，当回报光纤检测到光信号正常时，控制系统认为无漏水；当回报光纤没有检测到光信号时，控制系统认为存在漏水[5]。

图1 阀塔漏水监测装置

图2 阀塔漏水监测原理图

当阀塔出现漏水时，水将通过进水口进入检测装置，泡沫浮子和挡光板一同上移，此时回报光纤回路关断，控制系统判断位轻微漏水，给出报警信号；如果继续漏水，泡沫浮子和挡光板继续上移，此时信号光纤回路关断，控制系统判断大量漏水，给出跳闸信号[6]。

1.2 阀塔漏水监测系统应用现状

目前，国内换流站的阀塔漏水监测都是采用上述监测系统，通过设置于阀塔底部屏蔽罩内的激光监测模块来检测阀塔底部屏蔽罩内的积水情况并发出报警信号，可以反映冷却系统泄漏情况，信号的一段用于报警，二段用于闭锁直流系统[7]。

现阶段，换流阀塔漏水检测装置依然采用传统的有线连接方式，通过采集线对漏水检测设备进行数据采集[8]。该方式虽然传输稳定且不会产生数据畸变，但是也有线路复杂和移动不便的缺陷[9]。随着物联网和无线传输技术的不断发展，可以采用传感器网络和射频识别技术进行无线数据采集和传输，采集精度高且传输距离远，可以解决有线传输方式的各种问题，适合在工程中应用[10]。

2 研究目标

根据传统阀塔漏水监测系统的设计原理，以及国家电网公司提出的“三型两网”战略思路，结合物联网、传感器网络、低功率广域网络、无线射频技术研制阀塔漏水在线监测系统，该系统具有以下优势。

（1）长距离：应用新一代无线通信技术，可实现5 km无中继长距离自组网，便于检测设备数据的集中采集和系统间的信息传递。

（2）防干扰：阀塔设备正常运行时，流过设备的电流较大，存在较强的电磁场，采用低功耗无线阀塔漏水检测传感器，能防止在阀塔强电磁环境下对信号传输的干扰。

（3）定位准：采用阀塔分区域实时报警技术，在阀塔阀底部的屏蔽罩内分区域布置无线漏水传感器，可让运维人员在第一时间掌握阀塔漏水状态并能迅速定位。

3 系统设计方案

换流站无线阀塔漏水在线监测系统的组成主要包括无线漏水传感器、无线数据汇集单元及系统分析平台，如图3所示。监测系统利用装设在阀塔各区域内的无线漏水传感器，实时在线监测其安装位置（场所）是否浸（积）水，以此判断阀塔有无漏水情况，并将漏水报警信息通过无线数据汇集单元上传到控制主机，达到监控告警的目的。

图3 无线阀塔漏水在线监测系统组成示意图

3.1 无线漏水传感器

3.1.1 无线漏水传感器的布置

根据换流阀阀塔水道设计特点及高压直流输电现场水压实际情况，在每个阀塔底部的屏蔽罩内分区域布置5个无线漏水传感器，根据阀塔主水管路及原有漏水检测装置的位置，优化布置上述无线漏水传感器，确保无死角覆盖高频漏水区域，布置图如图4所示。

图4 无线阀塔漏水检测传感器布置示意图

3.1.2 检测模块的设计

无线漏水传感器主要利用水浸检测电缆的原理，当接水容器的水位达到水浸检测电缆的位置时，两根感应线会短接，从而产生电流的变化。无线漏水传感器的检测模块通过检测电流信息可以判断是否存在水浸的情况，其设计如下：

（1）采用集成AD的超低功耗MCU，用于采集水浸检测电缆的相应的逻辑判断；

（2）采用低功耗LoRa无线模块，其具有功耗低、传输距离远等特点；

（3）采用高稳定性的一次性锂亚电池供电，无须外部供电，安装方便；

（4）加强电磁兼容设计，以适应换流站运行环境的要求。

3.2 无线数据汇集单元

无线数据汇集单元用于收集附近位置的无线漏水传感器信息，并将所有信息转发至系统分析平台。换流站阀塔漏水在线监测系统采用LoRa（long range radio）无线传输方式，与传统蓝牙和ZigBee等无线传输方式相比，该方式功耗更低，传输距离更远，在无线低功耗领域独占鳌头。相关实验数据表明，采用LoRa传输方式，在相同功耗下，其传输距离比其他传统方式增加3～5倍。

换流站阀塔漏水在线监测系统主要应用无线漏水传感器和无线水位传感器，传感器根据实际情况安装于每个阀塔底部的屏蔽罩内和膨胀箱内，LoRaWan网关即无线数据汇集单元，起到数据汇集和中继的功能。每个阀厅内和每个膨胀箱附近（可视具体情况调整）安装1个无线数据汇集单元。无线数据汇集单元通过站内部署的光纤与系统分析平台相连，形成完整的网络架构。

网关转换协议可以把LoRa传感器的数据转换为TCP/IP格式发送到Internet上。由于LoRa可以同一信道上同时进行多信号解调，网关能够使用不同于终端节点的RF器件，其具有更高的容量，可作为透明网桥在终端设备和中心网络服务器间中继消息，同时通过标准IP连接到网络服务器；终端设备使用单播的无线通信报文到一个或多个网关。

3.3 系统分析平台

系统分析平台可以对所有信息进行处理、分析、存储和展示，同时发出相应的告警信息。换流站阀塔漏水在线监测系统在站内搭建独立的服务器，用于运行监测系统分析平台，系统分析平台可以将所有收集到的信息进行处理、分析、存储和展示，并支持多种方式的告警。系统支持本地查看、导出历史数据及报警数据（以Word、PDF等格式导出）、打印历史曲线等功能，系统分析平台软件也可通过相关协议标准接入统一监控平台。

4 结束语

文章运用物联网思维，利用传感器网络、低功率广域网络、无线射频技术，在原有阀塔漏水报警系统的基础上设计了阀塔漏水在线监测系统，该系统能实现长距离、抗电磁干扰、分区域、实时的漏水报警监测，可以保证换流站正常稳定运行。该技术成果可推广用于各个换流站，同时产品系列化后也可以用于常规变电站的类似报警监视系统，生产换流阀的厂家也可以将其用于产品的漏水报警系统，应用前景广阔。