核電自并勵無刷勵磁發電機組漏氫監測無線傳輸方式研究

吳學英 湯雯喻

摘要：國內自并勵無刷勵磁發電機組漏氫現象時有發生，嚴重時可能引發氫爆危險。國家能源局2014年《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中指出核電廠需嚴密監測勵磁發電機組漏氫情況，及時采取防范措施。該文提議使用無線傳輸方式對目前核電使用的漏氫檢測裝置進行改進，可大幅降低現場布線難度，實現了系統遠程監測，可減少因人工隨機巡視導致風險無法及時發現并處理的情況發生，同時無線傳輸可拓展性高，在機組停機、檢修等不同工況下能按需求在外界環境中增加無線監測設備，嚴格把控設備安全狀態。

關鍵詞：漏氫監測；無線傳輸；遠程監測

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0087-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

國內大型自并勵無刷勵磁發電機組漏氫情況時有發生，在嶺澳核電二期工程建設中發電機整體氣密性試驗時，試驗人員對勵磁機內部轉子導電桿進行了氦檢查漏，發現存在2個數量級的泄漏情況，雖然結果在規定的泄漏范圍內，但發電機內氫氣通過轉子導電桿向勵磁機泄漏的風險仍然存在，針對此情況實驗人員研發氣敏與熱導型相結合的無刷勵磁機綜合漏氫監控系統[1]。該系統解決了自并勵無刷勵磁發電機組封閉高溫環境中氫氣濃度檢測與記錄功能，但仍受現場布線限制，設備的可拓展性較差，同時并未實現數據的遠距離傳輸、遠程監測預警等功能，需要現場操作人員按時巡檢觀察漏氫數據來判斷機組運行狀況，可能造成風險無法及時發現并處理漏氫事故的情況。

本文提議在嶺澳二期核電站自并勵無刷勵磁發電機組漏氫監控裝置的基礎上優化改良，引入6LoWPAN無線網絡在現場搭建無線傳感器網絡，大大地提高了系統的可拓展性。漏氫檢測裝置檢測氫氣濃度，將檢測信號輸送給控制器，控制器處理后通過無線射頻收發模塊轉發至遠程主機，實現數據的遠程監測、報警等功能，保證了人員遠距離及時獲取現場運行情況，同時可隨意增加監測系統的探頭布置，滿足不同位置、不同工況下的氫氣濃度檢測需求，可有效地防范核電自并勵無刷勵磁發電機氫爆事故。

1 系統設計

目前核電自并勵無刷勵磁發電機組采用的漏氫檢測裝置主要分為兩類：

（1）熱導型：樣氣經采樣管，由采樣泵抽取入傳感器內，經氫氣檢測傳感器輸出4～20mA的模擬量。

（2）氣敏型：氫氣檢測儀通過傳感器探頭檢測氫氣濃度，輸出4～20mA的模擬量。

本文所提出的監測系統由現場無線傳感器網絡與遠程局域網主機上位機軟件組成。無線傳感器網絡主要由無線采集節點與邊界路由器組成，無線采集節點根據需求分散分布于監測區域，每個節點分配一個唯一的IPv6地址，這些節點運行于精簡、低功耗的6LoWPAN網絡協議棧之上，上電之后自動讀取自身MAC地址，并根據鄰居發現協議自動配置好自身的IPv6地址，自發組成網絡，通過連接現場各式探頭采集上述模擬量，微控制器對模擬信號進行處理封裝后進行無線轉發[2]。邊界路由器作為6LoWPAN網絡的發起節點，負責連接主干鏈路與無線傳感器網絡，完成6LoWPAN和本地局域網的數據轉發。系統總體架構如圖1所示：

2 無線傳感器網絡設計

2.1無線采集節點設計

無線采集節點由電源、傳感器探頭、微控制器、無線射頻收發器組成，各部分相互協調，共同完成對漏氫濃度檢測的功能。部分傳感器探頭采用現存的檢測設備，保證設備運行的可靠性，經濟合理安全性高。

傳感器將漏氫濃度參數轉化為4～20mA模擬量，嵌入式處理器選用了TI公司基于ARM Cortex-M3的CC2538 SoC，高達32MHz的時鐘速度，具備32KB的片上RAM和512KB的片上閃存，支持IEEE 802.15.4及6LoWPAN網絡的IP標準化開發。

漏氫濃度探頭檢測漏氫濃度之后輸出模擬量，微控制器通過A/D轉換器對數據進行處理之后封裝成數據幀，在微控制器上運行著輕量級的6LoWPAN協議棧，并使用UDP傳輸層協議，對數據幀進行轉發。無線節點的組成模塊如圖2所示：

2.2邊界路由器設計

邊界路由器主要完成的功能有：

（1）精簡IPv6協議，使其更加適應硬件資源有限的嵌入式設備。

（2）完整支持RPL路由協議與鄰居發現協議，可以作為6LoWPAN網絡的發起節點。

（3）可接入目前現存的主干鏈路IPv4網絡，對IPv6數據報和IPv4數據報進行轉換，實現6LoWPAN與IPv4網絡之間的互聯。

邊界路由器的功能實現主要基于6LoWPAN協議棧網絡層IPv6的鄰居發現協議和RPL路由協議[3]。圖3為邊界路由器軟件協議棧。IPv6/IPv4適配器、IPv6鄰居發現以及RPL路由協議存在于IP層。邊界路由器作為發起者通過RPL路由協議構建6LoWPAN網絡，之后通過鄰居發現協議向IPv6網絡發送路由器通告消息以告知IPv6網絡中主機構建的6LoWPAN網絡參數。[4]6LoWPAN無線傳感器網絡中無線節點運行IPv6，但是當前主干鏈路地址仍是IPv4地址，在邊界路由器應用層中定義了一個IPv6/IPv4適配器，主要作用是完成IPv6與IPv4地址與數據報文的轉換。

當邊界路由器通過無線射頻收發器接收到來自6LoWPAN網絡中的數據包時，首先通過6LoWPAN適配層轉為完整的IPv6數據包，根據數據包中包含的目的地址判斷，當網絡層判斷出數據包是發送給遠程局域網主機地址時，調用IPv6/IPv4適配器完成地址與數據包轉換，之后通過在本地局域鏈路將數據發送給主機。

2.3 現場系統搭設

根據國家能源局《防止電力生產的二十五項重點項要求》，對發電機組出線箱、氫冷發電機油系統及主油箱、平臺勵磁機三類位置要重點檢測漏氫濃度，預防漏氫事故發生，減少氫爆風險，現場搭設傳感器如下：

（1）發電機出線箱頂部適當位置設置排氣孔，并加裝漏氫氣敏型探頭。

（2）氫冷發電機油系統、主油箱內、內冷水箱加裝熱導型檢測傳感器。

（3）平臺勵磁機擋風罩內加裝漏氫采用熱導及氣敏兩種檢測傳感器。

現場邊界路由器負責連接6LoWPAN無線傳感器網絡和主干鏈路，布置于核電常規島廠房發電機和勵磁機平臺區域。現場搭建上述傳感器連接無線節點，采集對應位置的漏氫濃度信息經邊界路由器轉發至遠程上位機，實現實時顯示與報警功能。

3 系統遠程監測

3.1 Cooja仿真驗證

Cooja網絡仿真平臺是Contiki操作系統自帶的，用來模擬無線傳感網絡運行，評估無線傳感網絡運行能耗、路由、網絡內丟包等參數的一種極具優勢的仿真平臺，能極大縮短ContikiOS相關開發測試周期。在仿真平臺上，仿真節點內部基于ContikiOS內核，運行著真實的Contiki代碼，通過仿真驗證之后可以直接移植到真實硬件節點上。在Cooja仿真中，仿真平臺可以模擬無線通信介質。仿真開始后，每個節點位置固定之后，節點會根據仿真介質和節點通信范圍，通過無線信道模型，對到達臨近節點的數據包成功率和信號強度進行模擬，將結果通過接收節點的接口輸出。

仿真界面如圖4（a）所示，10個普通節點無規律分布在現場，綠色圓圈表示邊界路由器節點1的通信范圍，箭頭代表數據包的發送方向，中間Simulation Control控制仿真運行，仿真速度指模擬無線通信網絡運行時間與實際運行時間的比值。

4（b）? ?仿真網絡的拓撲結構

采集節點自發組網之后形成的最優拓撲結構如圖4（b）所示，各節點選定其最優路徑指向邊界路由器節點1。節點2、9的Rank值為1；節點3、5、8選取節點2、節點6選取節點9作為其父節點，Rank值為2；而節點5選取節點2為父節點，Rank值為3；節點4、10、11選取節點5、節點7選取節點6為父節點，Rank值為4。

當現實仿真時間推進了一小時后節點的平均能耗如圖5所示，從中可分析：

（1）節點能耗主要由鏈路層能耗、處理器能耗與無線收發器的收發能耗組成，對于單個節點而言，監聽與發送能耗占據了大部分節點能耗。

（2）節點5作為節點4、10、11的父節點，承擔著以上節點的數據轉發，節點5要比節點4發送更多的數據包，因此使得節點5的發送能耗大于節點4的發送能耗。

（3）節點2作為節點3、5、8的父節點，同樣承擔著節點的數據轉發任務。但基于ContikiMAC機制的無線節點接收器周期性喚醒機制，發送節點須一直發送數據直至接收端返回確認包，而邊界路由器作為該網絡與主干鏈路的媒介需保持電源接入無須考慮能耗問題，無線接收器始終保持喚醒狀態，在接收到確認包之前發送節點所需發送數據次數更少，導致節點2發送能耗要低于節點5。

通過Cooja仿真平臺模擬無線傳感器網絡運行，驗證了在理想模型下6LoWPAN無線傳感器網絡長時間運行的穩定性，確定了無線網絡的拓撲結構，同時根據其拓撲結構驗證了在理想模型下無線節點工作的低功耗狀態。

3.2 實物驗證

上位機軟件主要設置有在線實時顯示、報警及歷史數據查詢功能。試驗人員在遠端接入局域網完成本機IP地址的設置，即通過無線傳輸方式遠程接收由邊界路由器轉發的由無線采集節點監測的自并勵無刷勵磁發電機組漏氫參數信息，實現漏氫濃度遠程在線監測及報警功能。

根據國家對漏氫濃度的數據監測要求，上位機系統設定遠程檢測報警原則及其對應處理措施如下：

（1）當發電機出線箱頂部若氫氣含量達到或超過1%，停機查漏消缺。

（2）當氫冷發電機油系統、主油箱內氫氣體積含量在4%～75%，易引發爆炸，停機查漏消缺。

（3）當內冷水箱氫氣含量超過2%，報警并加強人員對發電機狀態的監視，超過10%則立即停機消缺；內冷水系統中漏氫量達到0.3m3/d時啟動報警并在計劃停機時安排消缺，而當漏氫量大于5m3/d時立即停機處理。

（4）當勵磁機監測氫氣含量達0.4%，加強對發電機的監視；監測氫氣含量達1%，啟動報警并持續觀察；當監測值達5%，立即停機檢修[5]。

漏氫監測系統遠程監視的上位機界面如圖6所示。每個漏氫監測點配備至少3個檢測傳感器探頭保證監測數據的可靠與設備的冗余度，圖中顯示的數據是發電機出線箱內探頭1、2、3漏氫濃度，其中探頭3檢測漏氫濃度超過1%，達到報警線，提醒運行人員采取措施，檢查漏氫情況，必要時應停機查漏消缺。上位機界面支持EXCEL導出漏氫濃度歷史數據及報表對比參數，供專業人員在不同工況時對比參考研究使用。

4 結論

本文提議優化目前核電自并勵無刷勵磁發電機組應用的漏氫檢測裝置的設備布局及數據傳輸方式，使用6LoWPAN無線傳感器網絡避免了現場布線的麻煩，減少對其他系統的干擾，方便增加檢測探頭，擴大監測范圍，避免影響原有設備的通訊從而造成周圍系統不可用的情況，完成對自并勵無刷勵磁發電機組漏氫問題的監測。系統基于IP協議實現漏氫數據的遠程監測、報警等功能，避免人員巡檢工作造成的不確定性，減少了人力的成本，能夠及時發現并處理報警情況。漏氫監測無線傳輸方式不僅解決核電現場漏氫監測的實際問題，也可供國內其他大型火電和核電機組參考。

參考文獻：

[1] 陳曉義，袁金，趙巖，等.百萬千瓦核電機組大型無刷勵磁機漏氫監控研究與實踐[J].大電機技術，2014（4）：67-71.

[2] 綦聲波，吳學英.基于6LoWPAN的海洋臺站監測系統[J].海洋技術學報，2017，36（6）：38-43.

[3] 梁少剛，周小龍.6LoWPAN邊界路由器應用研究與實現[J].廣東通信技術，2015，35（1）：22-26.

[4] 裘瑩，李士寧，徐相森，等.傳感器網絡鄰居發現協議綜述[J].計算機學報，2016，39（5）：973-992.

[5] 黃幼茹.《防止電力生產事故的二十五項重點要求》編制說明 第9講[J].電力安全技術，2014，16（9）：68-70.

【通聯編輯：梁書】