余立，韓鑫，帥能，伏曉燕，馬莉

(1.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司超高壓分公司，拉薩換流站，西藏，拉薩 850000；2.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司超高壓分公司，安全監(jiān)察部，西藏，拉薩 850000；3.西安科技大學(xué)，通信與信息工程學(xué)院，陜西，西安 710054)

0 引言

在高壓直流輸電中，換流閥是換流站的核心設(shè)備，正常運(yùn)行時(shí)，大電流通過(guò)換流閥產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致晶閘管、電抗器等元器件溫度急劇上升[1-2]，而換流閥冷卻系統(tǒng)通過(guò)水冷卻使晶閘管的結(jié)溫保持在安全的范圍之內(nèi)，一旦出現(xiàn)閥塔內(nèi)管道漏水，將對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的威脅，極有可能燒壞閥塔設(shè)備[3]。傳統(tǒng)漏水檢測(cè)系統(tǒng)采用有線信號(hào)采集與傳輸?shù)姆绞剑嬖谠O(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜；價(jià)格昂貴；安裝、維護(hù)成本高；系統(tǒng)靈活性不足等問(wèn)題[4]。針對(duì)以上不足，本文提出了無(wú)線微功耗閥塔漏水傳感器技術(shù)研究，采用高精度傳感技術(shù)、超低功耗微控制器[5]、LoRaWAN低功耗廣域互聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)一種無(wú)線微功耗閥塔漏水無(wú)線傳感器。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

閥塔是整個(gè)換流站的核心部分，一般除了檢修期間以外都不能進(jìn)入。由于閥塔檢修周期間隔大，平均半年檢修一次，所以只有在檢修期間工人才可以進(jìn)入閥塔檢查設(shè)備，這便要求傳感器至少穩(wěn)定運(yùn)行半年以上。因此，無(wú)線閥塔漏水傳感器的核心技術(shù)就是在保障性能的基礎(chǔ)上最大化地降低功耗。無(wú)線閥塔漏水傳感器低功耗設(shè)計(jì)的核心是超低功耗微控制器、遠(yuǎn)距離無(wú)線LoRa通信模塊及超低功耗工作模式設(shè)計(jì)。傳感器組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由超低功耗MCU模塊、LoRa低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、水浸檢測(cè)電纜、電源模塊(電池供電單元)及key/led控制指示模塊構(gòu)成。

圖1 無(wú)線閥塔漏水傳感器結(jié)構(gòu)框圖

無(wú)線閥塔漏水傳感器采用基于水浸檢測(cè)電纜的接觸式漏水檢測(cè)方式，無(wú)漏水時(shí)微控制器工作于停機(jī)模式，微控制器關(guān)閉主時(shí)鐘，CPU及片內(nèi)外設(shè)也同時(shí)關(guān)閉，該模式下微控制器消耗電流最小；當(dāng)發(fā)生漏水時(shí)通過(guò)外部中斷激活微控制器重新啟動(dòng)并上報(bào)漏水警報(bào)。這種方式存在的一個(gè)隱患是：有無(wú)漏水和傳感器是否損壞沒(méi)有辦法直接區(qū)別，漏水和傳感器損壞都屬于偶然事件，在傳感器不上報(bào)信息的時(shí)候不能判斷它是沒(méi)有檢測(cè)到漏水還是傳感器本身已經(jīng)損壞。因此在傳感器內(nèi)部基于低功耗時(shí)鐘設(shè)計(jì)了一個(gè)外部時(shí)鐘模塊，讓傳感器定時(shí)發(fā)送自檢信號(hào)就能避免自身?yè)p壞和無(wú)漏水難以區(qū)別的情況。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

為達(dá)到最低的功耗和最佳性能，傳感器選用STM8L152K4T6單片機(jī)為主控模塊。該單片機(jī)是意法公司推出的一款超低功耗8位單片機(jī)，最低功耗只有3 μA，符合工業(yè)級(jí)工作溫度要求、有足夠的IO數(shù)量、中斷數(shù)量和通信接口等外圍資源，以及內(nèi)置了12位的高性能ADC接口，滿足控制需求。

2.2 漏水檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

漏水檢測(cè)模塊電路由電壓比較器及電容電阻電橋組成，其核心是ST393雙電壓比較器。漏水檢測(cè)原理如下：水浸電纜接入其同相端，基準(zhǔn)電壓接入其反相端；當(dāng)無(wú)漏水時(shí)，由于水浸電纜阻值高，所以同相端大于反向端，則輸出高電平；當(dāng)發(fā)生閥塔漏水時(shí)，水浸電纜阻值下降，同相端小于反向端，則輸出低電平。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)漏水檢測(cè)，如圖2所示。

2.3 定時(shí)器模塊設(shè)計(jì)

基于低功耗及可靠性要求的考慮，本文設(shè)計(jì)了傳感器定時(shí)上傳心跳信號(hào)的傳感器可靠性判定機(jī)制。其原理為定時(shí)器定時(shí)喚醒傳感器并向平臺(tái)發(fā)送心跳信號(hào)，平臺(tái)收到心跳包并解析后可判斷傳感器工作狀態(tài)；若平臺(tái)在指定時(shí)間未收到心跳包，工作人員可通過(guò)串口提取存儲(chǔ)在傳感器內(nèi)部的心跳包，如未讀到或讀取不到電壓值則說(shuō)明是檢測(cè)電路故障，如可以讀取到則說(shuō)明通信模塊可能發(fā)生故障，便于排查故障。

圖2 漏水檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖

基于低功耗考慮，傳感器定時(shí)模塊選用愛(ài)普生公司生產(chǎn)的RX8010SJ低功耗時(shí)鐘芯片。該芯片支持1.1～5.5 V的寬電壓工作運(yùn)行時(shí)只有160 nA的功耗，該芯片內(nèi)置頻率校準(zhǔn)的32.768 kHz晶體單元和128 bit RAM，具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能、計(jì)時(shí)功能、定時(shí)中斷功能等。模塊采用I2C 與主控模塊通信；IRQ1是定時(shí)模塊的中斷接口，為傳感器提供了心跳信號(hào)中斷。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊選用semtech公司生產(chǎn)的SX1268遠(yuǎn)距離低功耗LoRa模塊，工作頻率433 MHz，發(fā)射功率30 dBm，接收靈敏度-147 dBm，LoRa/FSK調(diào)制，休眠電流180 nA，發(fā)射電流100 mA，接收電流6.5 mA(典型值)，理想條件下通信距離可達(dá)7 km，而最大發(fā)射功率只有160 MW，且可以內(nèi)部指令調(diào)節(jié)功率，支持密集網(wǎng)絡(luò)推出的全新SF5擴(kuò)頻因子，LoRaTM模式下支持0.018～62.5 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率；大容量FIFO支持 256 Byte 數(shù)據(jù)緩存。

2.5 供電模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)采用直流穩(wěn)壓器供電，其核心是MP1584降壓芯片，該MP1584是一個(gè)高頻率的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，具有一個(gè)集成的內(nèi)部高端高壓功率MOSFET主要實(shí)現(xiàn)防止自激振蕩和抗電磁干擾的功能，采用貼片8腳封裝，輸入工作電壓4.5～28 V，可輸出0.8～25 V的穩(wěn)定電壓，工作頻率可達(dá)1.5 MHz，最大可輸出電流3 A。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由傳感器初始化、定時(shí)器及定時(shí)到達(dá)中斷觸發(fā)監(jiān)控、LoRa激活和休眠控制、I2C通信、漏水中斷觸發(fā)判斷、主控休眠等構(gòu)成。在軟件上，為了降低功耗采用了休眠機(jī)制，讓可以短暫不工作的硬件進(jìn)入休眠狀態(tài)以達(dá)到降低功耗的作用。例如，我們可以使漏水檢測(cè)模塊一直處于工作狀態(tài)，在無(wú)漏水發(fā)生的時(shí)候微控制器等器件就處于空閑的狀態(tài)，那么通過(guò)軟件的設(shè)置讓這個(gè)狀態(tài)下的單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)就可以降低一定量的功耗，同理在定時(shí)模塊上也適用。休眠機(jī)制如圖3所示。

圖3 軟件休眠機(jī)制

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)先進(jìn)入初始化部分主要是對(duì)主控制器進(jìn)行一個(gè)性能和功能上的約定，例如主控制器的時(shí)鐘選擇、工作模式、需要打開(kāi)和關(guān)閉的IO口、其他硬件的通信協(xié)議的定義等。初始化完成以后系統(tǒng)就正式進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如若沒(méi)有外部的中斷觸發(fā)系統(tǒng)那么系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)達(dá)到降低功耗的需求，如果有中斷觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)會(huì)立即被激活，然后判斷觸發(fā)中斷信號(hào)的觸發(fā)源。首先會(huì)判斷一次是否是定時(shí)模塊觸發(fā)的中斷信號(hào)，根據(jù)判斷的結(jié)果選擇發(fā)送心跳包或者再進(jìn)入漏水中斷進(jìn)行判斷，如果判斷出是由于漏水中斷觸發(fā)的中斷信號(hào)，那么系統(tǒng)立即激活LoRa模塊將漏水?dāng)?shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)。詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.3 傳感器通信數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

無(wú)線閥塔漏水傳感器與閥塔檢測(cè)平臺(tái)間數(shù)據(jù)包格式如表1所示。協(xié)議由起始幀、終端號(hào)、命令字、數(shù)據(jù)幀、狀態(tài)及結(jié)束標(biāo)志組成，共6個(gè)字節(jié)。如：0x75；0x01；0x01；0x02；0x00；0x68(每個(gè)字節(jié)分別對(duì)應(yīng)序號(hào)1至6)。

4 傳感器檢測(cè)結(jié)果

傳感器檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

測(cè)試表明無(wú)線閥塔漏水傳感器可以使用于閥塔中，表2中各項(xiàng)參數(shù)性能均滿足無(wú)線閥塔漏水傳感器設(shè)計(jì)計(jì)劃要求。

表1 數(shù)據(jù)格式

表2 傳感器檢測(cè)結(jié)論表

5 總結(jié)

本系統(tǒng)采用了基于超低功耗微控制器(STM8L154)的漏水檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，功耗低至幾微安，顯著提升了系統(tǒng)的在線時(shí)長(zhǎng)。基于超低功耗定時(shí)器(RX8010JS)的微控制器定時(shí)喚醒機(jī)制，在不采用握手機(jī)制的條件下，確保前端傳感器漏水檢測(cè)及報(bào)警通信的可用性，既降低了功耗，又確保了裝置正常工作在線狀態(tài)。引入低功耗LoRa無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)的引入降低了傳感器布設(shè)成本及通信復(fù)雜度，其低功耗、遠(yuǎn)距離通信的特點(diǎn)大大降低了安裝的難易程度。

總之，本文所設(shè)計(jì)的傳感器能長(zhǎng)時(shí)有效檢測(cè)閥塔漏水情況，傳感器的投用能有效確保閥塔水冷系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行。