吳學(xué)英 湯雯喻

摘要：國內(nèi)自并勵無刷勵磁發(fā)電機組漏氫現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重時可能引發(fā)氫爆危險。國家能源局2014年《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》中指出核電廠需嚴密監(jiān)測勵磁發(fā)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(xiàn)場布線難度，實現(xiàn)了系統(tǒng)遠程監(jiān)測，可減少因人工隨機巡視導(dǎo)致風(fēng)險無法及時發(fā)現(xiàn)并處理的情況發(fā)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(huán)境中增加無線監(jiān)測設(shè)備，嚴格把控設(shè)備安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：漏氫監(jiān)測；無線傳輸；遠程監(jiān)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(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

國內(nèi)大型自并勵無刷勵磁發(fā)電機組漏氫情況時有發(fā)生，在嶺澳核電二期工程建設(shè)中發(fā)電機整體氣密性試驗時，試驗人員對勵磁機內(nèi)部轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿進行了氦檢查漏，發(fā)現(xiàn)存在2個數(shù)量級的泄漏情況，雖然結(jié)果在規(guī)定的泄漏范圍內(nèi)，但發(fā)電機內(nèi)氫氣通過轉(zhuǎn)子導(dǎo)電桿向勵磁機泄漏的風(fēng)險仍然存在，針對此情況實驗人員研發(fā)氣敏與熱導(dǎo)型相結(jié)合的無刷勵磁機綜合漏氫監(jiān)控系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)解決了自并勵無刷勵磁發(fā)電機組封閉高溫環(huán)境中氫氣濃度檢測與記錄功能，但仍受現(xiàn)場布線限制，設(shè)備的可拓展性較差，同時并未實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸、遠程監(jiān)測預(yù)警等功能，需要現(xiàn)場操作人員按時巡檢觀察漏氫數(shù)據(jù)來判斷機組運行狀況，可能造成風(fēng)險無法及時發(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無刷勵磁發(fā)電機組漏氫監(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(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)至遠程主機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測、報警等功能，保證了人員遠距離及時獲取現(xiàn)場運行情況，同時可隨意增加監(jiān)測系統(tǒng)的探頭布置，滿足不同位置、不同工況下的氫氣濃度檢測需求，可有效地防范核電自并勵無刷勵磁發(fā)電機氫爆事故。

1 系統(tǒng)設(shè)計

目前核電自并勵無刷勵磁發(fā)電機組采用的漏氫檢測裝置主要分為兩類：

（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(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠程局域網(wǎng)主機上位機軟件組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由無線采集節(jié)點與邊界路由器組成，無線采集節(jié)點根據(jù)需求分散分布于監(jiān)測區(qū)域，每個節(jié)點分配一個唯一的IPv6地址，這些節(jié)點運行于精簡、低功耗的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之上，上電之后自動讀取自身MAC地址，并根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議自動配置好自身的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(zhuǎn)發(fā)[2]。邊界路由器作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起節(jié)點，負責(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

2.1無線采集節(jié)點設(shè)計

無線采集節(jié)點由電源、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)，共同完成對漏氫濃度檢測的功能。部分傳感器探頭采用現(xiàn)存的檢測設(shè)備，保證設(shè)備運行的可靠性，經(jīng)濟合理安全性高。

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(wǎng)絡(luò)的IP標準化開發(fā)。

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(zhuǎn)換器對數(shù)據(jù)進行處理之后封裝成數(shù)據(jù)幀，在微控制器上運行著輕量級的6LoWPAN協(xié)議棧，并使用UDP傳輸層協(xié)議，對數(shù)據(jù)幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。無線節(jié)點的組成模塊如圖2所示：

2.2邊界路由器設(shè)計

邊界路由器主要完成的功能有：

（1）精簡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。

（3）可接入目前現(xiàn)存的主干鏈路IPv4網(wǎng)絡(luò)，對IPv6數(shù)據(jù)報和IPv4數(shù)據(jù)報進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)6LoWPAN與IPv4網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

邊界路由器的功能實現(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)點運行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IPv6/IPv4適配器，主要作用是完成IPv6與IPv4地址與數(shù)據(jù)報文的轉(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，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)送給遠程局域網(wǎng)主機地址時，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。

2.3 現(xiàn)場系統(tǒng)搭設(shè)

根據(jù)國家能源局《防止電力生產(chǎn)的二十五項重點項要求》，對發(fā)電機組出線箱、氫冷發(fā)電機油系統(tǒng)及主油箱、平臺勵磁機三類位置要重點檢測漏氫濃度，預(yù)防漏氫事故發(fā)生，減少氫爆風(fēng)險，現(xiàn)場搭設(shè)傳感器如下：

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

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

（3）平臺勵磁機擋風(fēng)罩內(nèi)加裝漏氫采用熱導(dǎo)及氣敏兩種檢測傳感器。

現(xiàn)場邊界路由器負責(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)電機和勵磁機平臺區(qū)域?，F(xiàn)場搭建上述傳感器連接無線節(jié)點，采集對應(yīng)位置的漏氫濃度信息經(jīng)邊界路由器轉(zhuǎn)發(fā)至遠程上位機，實現(xiàn)實時顯示與報警功能。

3 系統(tǒng)遠程監(jiān)測

3.1 Cooja仿真驗證

Cooja網(wǎng)絡(luò)仿真平臺是Contiki操作系統(tǒng)自帶的，用來模擬無線傳感網(wǎng)絡(luò)運行，評估無線傳感網(wǎng)絡(luò)運行能耗、路由、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)丟包等參數(shù)的一種極具優(yōu)勢的仿真平臺，能極大縮短ContikiOS相關(guān)開發(fā)測試周期。在仿真平臺上，仿真節(jié)點內(nèi)部基于ContikiOS內(nèi)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(jié)點上。在Cooja仿真中，仿真平臺可以模擬無線通信介質(zhì)。仿真開始后，每個節(jié)點位置固定之后，節(jié)點會根據(jù)仿真介質(zhì)和節(jié)點通信范圍，通過無線信道模型，對到達臨近節(jié)點的數(shù)據(jù)包成功率和信號強度進行模擬，將結(jié)果通過接收節(jié)點的接口輸出。

仿真界面如圖4（a）所示，10個普通節(jié)點無規(guī)律分布在現(xiàn)場，綠色圓圈表示邊界路由器節(jié)點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控制仿真運行，仿真速度指模擬無線通信網(wǎng)絡(luò)運行時間與實際運行時間的比值。

4（b）? ?仿真網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

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

當(dāng)現(xiàn)實仿真時間推進了一小時后節(jié)點的平均能耗如圖5所示，從中可分析：

（1）節(jié)點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，對于單個節(jié)點而言，監(jiān)聽與發(fā)送能耗占據(jù)了大部分節(jié)點能耗。

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

（3）節(jié)點2作為節(jié)點3、5、8的父節(jié)點，同樣承擔(dān)著節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。但基于ContikiMAC機制的無線節(jié)點接收器周期性喚醒機制，發(fā)送節(jié)點須一直發(fā)送數(shù)據(jù)直至接收端返回確認包，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)，在接收到確認包之前發(fā)送節(jié)點所需發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)更少，導(dǎo)致節(jié)點2發(fā)送能耗要低于節(jié)點5。

通過Cooja仿真平臺模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行，驗證了在理想模型下6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間運行的穩(wěn)定性，確定了無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，同時根據(jù)其拓撲結(jié)構(gòu)驗證了在理想模型下無線節(jié)點工作的低功耗狀態(tài)。

3.2 實物驗證

上位機軟件主要設(shè)置有在線實時顯示、報警及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。試驗人員在遠端接入局域網(wǎng)完成本機IP地址的設(shè)置，即通過無線傳輸方式遠程接收由邊界路由器轉(zhuǎn)發(fā)的由無線采集節(jié)點監(jiān)測的自并勵無刷勵磁發(fā)電機組漏氫參數(shù)信息，實現(xiàn)漏氫濃度遠程在線監(jiān)測及報警功能。

根據(jù)國家對漏氫濃度的數(shù)據(jù)監(jiān)測要求，上位機系統(tǒng)設(shè)定遠程檢測報警原則及其對應(yīng)處理措施如下：

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

（3）當(dāng)內(nèi)冷水箱氫氣含量超過2%，報警并加強人員對發(fā)電機狀態(tài)的監(jiān)視，超過10%則立即停機消缺；內(nèi)冷水系統(tǒng)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(dāng)漏氫量大于5m3/d時立即停機處理。

（4）當(dāng)勵磁機監(jiān)測氫氣含量達0.4%，加強對發(fā)電機的監(jiān)視；監(jiān)測氫氣含量達1%，啟動報警并持續(xù)觀察；當(dāng)監(jiān)測值達5%，立即停機檢修[5]。

漏氫監(jiān)測系統(tǒng)遠程監(jiān)視的上位機界面如圖6所示。每個漏氫監(jiān)測點配備至少3個檢測傳感器探頭保證監(jiān)測數(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)電機出線箱內(nèi)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(yīng)停機查漏消缺。上位機界面支持EXCEL導(dǎo)出漏氫濃度歷史數(shù)據(jù)及報表對比參數(shù)，供專業(yè)人員在不同工況時對比參考研究使用。

4 結(jié)論

本文提議優(yōu)化目前核電自并勵無刷勵磁發(fā)電機組應(yīng)用的漏氫檢測裝置的設(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)場布線的麻煩，減少對其他系統(tǒng)的干擾，方便增加檢測探頭，擴大監(jiān)測范圍，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，完成對自并勵無刷勵磁發(fā)電機組漏氫問題的監(jiān)測。系統(tǒng)基于IP協(xié)議實現(xiàn)漏氫數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)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(fā)現(xiàn)并處理報警情況。漏氫監(jiān)測無線傳輸方式不僅解決核電現(xiàn)場漏氫監(jiān)測的實際問題，也可供國內(nèi)其他大型火電和核電機組參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】