核電自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫監(jiān)測(cè)無線傳輸方式研究

吳學(xué)英 湯雯喻

摘要：國內(nèi)自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)氫爆危險(xiǎn)。國家能源局2014年《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中指出核電廠需嚴(yán)密監(jiān)測(cè)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫情況，及時(shí)采取防范措施。該文提議使用無線傳輸方式對(duì)目前核電使用的漏氫檢測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)，可大幅降低現(xiàn)場(chǎng)布線難度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，可減少因人工隨機(jī)巡視導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理的情況發(fā)生，同時(shí)無線傳輸可拓展性高，在機(jī)組停機(jī)、檢修等不同工況下能按需求在外界環(huán)境中增加無線監(jiān)測(cè)設(shè)備，嚴(yán)格把控設(shè)備安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：漏氫監(jiān)測(cè)；無線傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0087-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

國內(nèi)大型自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫情況時(shí)有發(fā)生，在嶺澳核電二期工程建設(shè)中發(fā)電機(jī)整體氣密性試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員對(duì)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿進(jìn)行了氦檢查漏，發(fā)現(xiàn)存在2個(gè)數(shù)量級(jí)的泄漏情況，雖然結(jié)果在規(guī)定的泄漏范圍內(nèi)，但發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣通過轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿向勵(lì)磁機(jī)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，針對(duì)此情況實(shí)驗(yàn)人員研發(fā)氣敏與熱導(dǎo)型相結(jié)合的無刷勵(lì)磁機(jī)綜合漏氫監(jiān)控系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)解決了自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組封閉高溫環(huán)境中氫氣濃度檢測(cè)與記錄功能，但仍受現(xiàn)場(chǎng)布線限制，設(shè)備的可拓展性較差，同時(shí)并未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能，需要現(xiàn)場(chǎng)操作人員按時(shí)巡檢觀察漏氫數(shù)據(jù)來判斷機(jī)組運(yùn)行狀況，可能造成風(fēng)險(xiǎn)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫監(jiān)控裝置的基礎(chǔ)上優(yōu)化改良，引入6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，大大地提高了系統(tǒng)的可拓展性。漏氫檢測(cè)裝置檢測(cè)氫氣濃度，將檢測(cè)信號(hào)輸送給控制器，控制器處理后通過無線射頻收發(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能，保證了人員遠(yuǎn)距離及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，同時(shí)可隨意增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探頭布置，滿足不同位置、不同工況下的氫氣濃度檢測(cè)需求，可有效地防范核電自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)氫爆事故。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前核電自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組采用的漏氫檢測(cè)裝置主要分為兩類：

（1）熱導(dǎo)型：樣氣經(jīng)采樣管，由采樣泵抽取入傳感器內(nèi)，經(jīng)氫氣檢測(cè)傳感器輸出4～20mA的模擬量。

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

本文所提出的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程局域網(wǎng)主機(jī)上位機(jī)軟件組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由無線采集節(jié)點(diǎn)與邊界路由器組成，無線采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)需求分散分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的IPv6地址，這些節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于精簡(jiǎn)、低功耗的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之上，上電之后自動(dòng)讀取自身MAC地址，并根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議自動(dòng)配置好自身的IPv6地址，自發(fā)組成網(wǎng)絡(luò)，通過連接現(xiàn)場(chǎng)各式探頭采集上述模擬量，微控制器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理封裝后進(jìn)行無線轉(zhuǎn)發(fā)[2]。邊界路由器作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)連接主干鏈路與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成6LoWPAN和本地局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示：

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1無線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線采集節(jié)點(diǎn)由電源、傳感器探頭、微控制器、無線射頻收發(fā)器組成，各部分相互協(xié)調(diào)，共同完成對(duì)漏氫濃度檢測(cè)的功能。部分傳感器探頭采用現(xiàn)存的檢測(cè)設(shè)備，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，經(jīng)濟(jì)合理安全性高。

傳感器將漏氫濃度參數(shù)轉(zhuǎn)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(dá)32MHz的時(shí)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(wǎng)絡(luò)的IP標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)。

漏氫濃度探頭檢測(cè)漏氫濃度之后輸出模擬量，微控制器通過A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后封裝成數(shù)據(jù)幀，在微控制器上運(yùn)行著輕量級(jí)的6LoWPAN協(xié)議棧，并使用UDP傳輸層協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。無線節(jié)點(diǎn)的組成模塊如圖2所示：

2.2邊界路由器設(shè)計(jì)

邊界路由器主要完成的功能有：

（1）精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議，使其更加適應(yīng)硬件資源有限的嵌入式設(shè)備。

（2）完整支持RPL路由協(xié)議與鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，可以作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起節(jié)點(diǎn)。

（3）可接入目前現(xiàn)存的主干鏈路IPv4網(wǎng)絡(luò)，對(duì)IPv6數(shù)據(jù)報(bào)和IPv4數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN與IPv4網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

邊界路由器的功能實(shí)現(xiàn)主要基于6LoWPAN協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議和RPL路由協(xié)議[3]。圖3為邊界路由器軟件協(xié)議棧。IPv6/IPv4適配器、IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)以及RPL路由協(xié)議存在于IP層。邊界路由器作為發(fā)起者通過RPL路由協(xié)議構(gòu)建6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，之后通過鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議向IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由器通告消息以告知IPv6網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)構(gòu)建的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。[4]6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點(diǎn)運(yùn)行IPv6，但是當(dāng)前主干鏈路地址仍是IPv4地址，在邊界路由器應(yīng)用層中定義了一個(gè)IPv6/IPv4適配器，主要作用是完成IPv6與IPv4地址與數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)邊界路由器通過無線射頻收發(fā)器接收到來自6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包時(shí)，首先通過6LoWPAN適配層轉(zhuǎn)為完整的IPv6數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包中包含的目的地址判斷，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層判斷出數(shù)據(jù)包是發(fā)送給遠(yuǎn)程局域網(wǎng)主機(jī)地址時(shí)，調(diào)用IPv6/IPv4適配器完成地址與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換，之后通過在本地局域鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)搭設(shè)

根據(jù)國家能源局《防止電力生產(chǎn)的二十五項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)要求》，對(duì)發(fā)電機(jī)組出線箱、氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)及主油箱、平臺(tái)勵(lì)磁機(jī)三類位置要重點(diǎn)檢測(cè)漏氫濃度，預(yù)防漏氫事故發(fā)生，減少氫爆風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)傳感器如下：

（1）發(fā)電機(jī)出線箱頂部適當(dāng)位置設(shè)置排氣孔，并加裝漏氫氣敏型探頭。

（2）氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)、主油箱內(nèi)、內(nèi)冷水箱加裝熱導(dǎo)型檢測(cè)傳感器。

（3）平臺(tái)勵(lì)磁機(jī)擋風(fēng)罩內(nèi)加裝漏氫采用熱導(dǎo)及氣敏兩種檢測(cè)傳感器。

現(xiàn)場(chǎng)邊界路由器負(fù)責(zé)連接6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和主干鏈路，布置于核電常規(guī)島廠房發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)平臺(tái)區(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)搭建上述傳感器連接無線節(jié)點(diǎn)，采集對(duì)應(yīng)位置的漏氫濃度信息經(jīng)邊界路由器轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示與報(bào)警功能。

3 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

3.1 Cooja仿真驗(yàn)證

Cooja網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)是Contiki操作系統(tǒng)自帶的，用來模擬無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，評(píng)估無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能耗、路由、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)丟包等參數(shù)的一種極具優(yōu)勢(shì)的仿真平臺(tái)，能極大縮短ContikiOS相關(guān)開發(fā)測(cè)試周期。在仿真平臺(tái)上，仿真節(jié)點(diǎn)內(nèi)部基于ContikiOS內(nèi)核，運(yùn)行著真實(shí)的Contiki代碼，通過仿真驗(yàn)證之后可以直接移植到真實(shí)硬件節(jié)點(diǎn)上。在Cooja仿真中，仿真平臺(tái)可以模擬無線通信介質(zhì)。仿真開始后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置固定之后，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)仿真介質(zhì)和節(jié)點(diǎn)通信范圍，通過無線信道模型，對(duì)到達(dá)臨近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包成功率和信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行模擬，將結(jié)果通過接收節(jié)點(diǎn)的接口輸出。

仿真界面如圖4（a）所示，10個(gè)普通節(jié)點(diǎn)無規(guī)律分布在現(xiàn)場(chǎng)，綠色圓圈表示邊界路由器節(jié)點(diǎn)1的通信范圍，箭頭代表數(shù)據(jù)包的發(fā)送方向，中間Simulation Control控制仿真運(yùn)行，仿真速度指模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間與實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的比值。

4（b）? ?仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)自發(fā)組網(wǎng)之后形成的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，各節(jié)點(diǎn)選定其最優(yōu)路徑指向邊界路由器節(jié)點(diǎn)1。節(jié)點(diǎn)2、9的Rank值為1；節(jié)點(diǎn)3、5、8選取節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)6選取節(jié)點(diǎn)9作為其父節(jié)點(diǎn)，Rank值為2；而節(jié)點(diǎn)5選取節(jié)點(diǎn)2為父節(jié)點(diǎn)，Rank值為3；節(jié)點(diǎn)4、10、11選取節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)7選取節(jié)點(diǎn)6為父節(jié)點(diǎn)，Rank值為4。

當(dāng)現(xiàn)實(shí)仿真時(shí)間推進(jìn)了一小時(shí)后節(jié)點(diǎn)的平均能耗如圖5所示，從中可分析：

（1）節(jié)點(diǎn)能耗主要由鏈路層能耗、處理器能耗與無線收發(fā)器的收發(fā)能耗組成，對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)而言，監(jiān)聽與發(fā)送能耗占據(jù)了大部分節(jié)點(diǎn)能耗。

（2）節(jié)點(diǎn)5作為節(jié)點(diǎn)4、10、11的父節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著以上節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)5要比節(jié)點(diǎn)4發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包，因此使得節(jié)點(diǎn)5的發(fā)送能耗大于節(jié)點(diǎn)4的發(fā)送能耗。

（3）節(jié)點(diǎn)2作為節(jié)點(diǎn)3、5、8的父節(jié)點(diǎn)，同樣承擔(dān)著節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。但基于ContikiMAC機(jī)制的無線節(jié)點(diǎn)接收器周期性喚醒機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)須一直發(fā)送數(shù)據(jù)直至接收端返回確認(rèn)包，而邊界路由器作為該網(wǎng)絡(luò)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(tài)，在接收到確認(rèn)包之前發(fā)送節(jié)點(diǎn)所需發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)更少，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)2發(fā)送能耗要低于節(jié)點(diǎn)5。

通過Cooja仿真平臺(tái)模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，驗(yàn)證了在理想模型下6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，確定了無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驗(yàn)證了在理想模型下無線節(jié)點(diǎn)工作的低功耗狀態(tài)。

3.2 實(shí)物驗(yàn)證

上位機(jī)軟件主要設(shè)置有在線實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。試驗(yàn)人員在遠(yuǎn)端接入局域網(wǎng)完成本機(jī)IP地址的設(shè)置，即通過無線傳輸方式遠(yuǎn)程接收由邊界路由器轉(zhuǎn)發(fā)的由無線采集節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)漏氫濃度遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能。

根據(jù)國家對(duì)漏氫濃度的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)要求，上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)定遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警原則及其對(duì)應(yīng)處理措施如下：

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)出線箱頂部若氫氣含量達(dá)到或超過1%，停機(jī)查漏消缺。

（2）當(dāng)氫冷發(fā)電機(jī)油系統(tǒng)、主油箱內(nèi)氫氣體積含量在4%～75%，易引發(fā)爆炸，停機(jī)查漏消缺。

（3）當(dāng)內(nèi)冷水箱氫氣含量超過2%，報(bào)警并加強(qiáng)人員對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)視，超過10%則立即停機(jī)消缺；內(nèi)冷水系統(tǒng)中漏氫量達(dá)到0.3m3/d時(shí)啟動(dòng)報(bào)警并在計(jì)劃停機(jī)時(shí)安排消缺，而當(dāng)漏氫量大于5m3/d時(shí)立即停機(jī)處理。

（4）當(dāng)勵(lì)磁機(jī)監(jiān)測(cè)氫氣含量達(dá)0.4%，加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)的監(jiān)視；監(jiān)測(cè)氫氣含量達(dá)1%，啟動(dòng)報(bào)警并持續(xù)觀察；當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)5%，立即停機(jī)檢修[5]。

漏氫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視的上位機(jī)界面如圖6所示。每個(gè)漏氫監(jiān)測(cè)點(diǎn)配備至少3個(gè)檢測(cè)傳感器探頭保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠與設(shè)備的冗余度，圖中顯示的數(shù)據(jù)是發(fā)電機(jī)出線箱內(nèi)探頭1、2、3漏氫濃度，其中探頭3檢測(cè)漏氫濃度超過1%，達(dá)到報(bào)警線，提醒運(yùn)行人員采取措施，檢查漏氫情況，必要時(shí)應(yīng)停機(jī)查漏消缺。上位機(jī)界面支持EXCEL導(dǎo)出漏氫濃度歷史數(shù)據(jù)及報(bào)表對(duì)比參數(shù)，供專業(yè)人員在不同工況時(shí)對(duì)比參考研究使用。

4 結(jié)論

本文提議優(yōu)化目前核電自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的漏氫檢測(cè)裝置的設(shè)備布局及數(shù)據(jù)傳輸方式，使用6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)避免了現(xiàn)場(chǎng)布線的麻煩，減少對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，方便增加檢測(cè)探頭，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，避免影響原有設(shè)備的通訊從而造成周圍系統(tǒng)不可用的情況，完成對(duì)自并勵(lì)無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組漏氫問題的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)基于IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)漏氫數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、報(bào)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(shí)發(fā)現(xiàn)并處理報(bào)警情況。漏氫監(jiān)測(cè)無線傳輸方式不僅解決核電現(xiàn)場(chǎng)漏氫監(jiān)測(cè)的實(shí)際問題，也可供國內(nèi)其他大型火電和核電機(jī)組參考。

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