核电自并励无刷励磁发电机组漏氢监测无线传输方式研究

吴学英 汤雯喻

摘要：国内自并励无刷励磁发电机组漏氢现象时有发生，严重时可能引发氢爆危险。国家能源局2014年《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中指出核电厂需严密监测励磁发电机组漏氢情况，及时采取防范措施。该文提议使用无线传输方式对目前核电使用的漏氢检测装置进行改进，可大幅降低现场布线难度，实现了系统远程监测，可减少因人工随机巡视导致风险无法及时发现并处理的情况发生，同时无线传输可拓展性高，在机组停机、检修等不同工况下能按需求在外界环境中增加无线监测设备，严格把控设备安全状态。

关键词：漏氢监测；无线传输；远程监测

中图分类号：TP391     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）06-0087-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

国内大型自并励无刷励磁发电机组漏氢情况时有发生，在岭澳核电二期工程建设中发电机整体气密性试验时，试验人员对励磁机内部转子导电杆进行了氦检查漏，发现存在2个数量级的泄漏情况，虽然结果在规定的泄漏范围内，但发电机内氢气通过转子导电杆向励磁机泄漏的风险仍然存在，针对此情况实验人员研发气敏与热导型相结合的无刷励磁机综合漏氢监控系统[1]。该系统解决了自并励无刷励磁发电机组封闭高温环境中氢气浓度检测与记录功能，但仍受现场布线限制，设备的可拓展性较差，同时并未实现数据的远距离传输、远程监测预警等功能，需要现场操作人员按时巡检观察漏氢数据来判断机组运行状况，可能造成风险无法及时发现并处理漏氢事故的情况。

本文提议在岭澳二期核电站自并励无刷励磁发电机组漏氢监控装置的基础上优化改良，引入6LoWPAN无线网络在现场搭建无线传感器网络，大大地提高了系统的可拓展性。漏氢检测装置检测氢气浓度，将检测信号输送给控制器，控制器处理后通过无线射频收发模块转发至远程主机，实现数据的远程监测、报警等功能，保证了人员远距离及时获取现场运行情况，同时可随意增加监测系统的探头布置，满足不同位置、不同工况下的氢气浓度检测需求，可有效地防范核电自并励无刷励磁发电机氢爆事故。

1 系统设计

目前核电自并励无刷励磁发电机组采用的漏氢检测装置主要分为两类：

（1）热导型：样气经采样管，由采样泵抽取入传感器内，经氢气检测传感器输出4～20mA的模拟量。

（2）气敏型：氢气检测仪通过传感器探头检测氢气浓度，输出4～20mA的模拟量。

本文所提出的监测系统由现场无线传感器网络与远程局域网主机上位机软件组成。无线传感器网络主要由无线采集节点与边界路由器组成，无线采集节点根据需求分散分布于监测区域，每个节点分配一个唯一的IPv6地址，这些节点运行于精简、低功耗的6LoWPAN网络协议栈之上，上电之后自动读取自身MAC地址，并根据邻居发现协议自动配置好自身的IPv6地址，自发组成网络，通过连接现场各式探头采集上述模拟量，微控制器对模拟信号进行处理封装后進行无线转发[2]。边界路由器作为6LoWPAN网络的发起节点，负责连接主干链路与无线传感器网络，完成6LoWPAN和本地局域网的数据转发。系统总体架构如图1所示：

2 无线传感器网络设计

2.1无线采集节点设计

无线采集节点由电源、传感器探头、微控制器、无线射频收发器组成，各部分相互协调，共同完成对漏氢浓度检测的功能。部分传感器探头采用现存的检测设备，保证设备运行的可靠性，经济合理安全性高。

传感器将漏氢浓度参数转化为4～20mA模拟量，嵌入式处理器选用了TI公司基于ARM Cortex-M3的CC2538 SoC，高达32MHz的时钟速度，具备32KB的片上RAM和512KB的片上闪存，支持IEEE 802.15.4及6LoWPAN网络的IP标准化开发。

漏氢浓度探头检测漏氢浓度之后输出模拟量，微控制器通过A/D转换器对数据进行处理之后封装成数据帧，在微控制器上运行着轻量级的6LoWPAN协议栈，并使用UDP传输层协议，对数据帧进行转发。无线节点的组成模块如图2所示：

2.2边界路由器设计

边界路由器主要完成的功能有：

（1）精简IPv6协议，使其更加适应硬件资源有限的嵌入式设备。

（2）完整支持RPL路由协议与邻居发现协议，可以作为6LoWPAN网络的发起节点。

（3）可接入目前现存的主干链路IPv4网络，对IPv6数据报和IPv4数据报进行转换，实现6LoWPAN与IPv4网络之间的互联。

边界路由器的功能实现主要基于6LoWPAN协议栈网络层IPv6的邻居发现协议和RPL路由协议[3]。图3为边界路由器软件协议栈。IPv6/IPv4适配器、IPv6邻居发现以及RPL路由协议存在于IP层。边界路由器作为发起者通过RPL路由协议构建6LoWPAN网络，之后通过邻居发现协议向IPv6网络发送路由器通告消息以告知IPv6网络中主机构建的6LoWPAN网络参数。[4]6LoWPAN无线传感器网络中无线节点运行IPv6，但是当前主干链路地址仍是IPv4地址，在边界路由器应用层中定义了一个IPv6/IPv4适配器，主要作用是完成IPv6与IPv4地址与数据报文的转换。

当边界路由器通过无线射频收发器接收到来自6LoWPAN网络中的数据包时，首先通过6LoWPAN适配层转为完整的IPv6数据包，根据数据包中包含的目的地址判断，当网络层判断出数据包是发送给远程局域网主机地址时，调用IPv6/IPv4适配器完成地址与数据包转换，之后通过在本地局域链路将数据发送给主机。

2.3 现场系统搭设

根据国家能源局《防止电力生产的二十五项重点项要求》，对发电机组出线箱、氢冷发电机油系统及主油箱、平台励磁机三类位置要重点检测漏氢浓度，预防漏氢事故发生，减少氢爆风险，现场搭设传感器如下：

（1）发电机出线箱顶部适当位置设置排气孔，并加装漏氢气敏型探头。

（2）氢冷发电机油系统、主油箱内、内冷水箱加装热导型检测传感器。

（3）平台励磁机挡风罩内加装漏氢采用热导及气敏两种检测传感器。

现场边界路由器负责连接6LoWPAN无线传感器网络和主干链路，布置于核电常规岛厂房发电机和励磁机平台区域。现场搭建上述传感器连接无线节点，采集对应位置的漏氢浓度信息经边界路由器转发至远程上位机，实现实时显示与报警功能。

3 系统远程监测

3.1 Cooja仿真验证

Cooja网络仿真平台是Contiki操作系统自带的，用来模拟无线传感网络运行，评估无线传感网络运行能耗、路由、网络内丢包等参数的一种极具优势的仿真平台，能极大缩短ContikiOS相关开发测试周期。在仿真平台上，仿真节点内部基于ContikiOS内核，运行着真实的Contiki代码，通过仿真验证之后可以直接移植到真实硬件节点上。在Cooja仿真中，仿真平台可以模拟无线通信介质。仿真开始后，每个节点位置固定之后，节点会根据仿真介质和节点通信范围，通过无线信道模型，对到达临近节点的数据包成功率和信号强度进行模拟，将结果通过接收节点的接口输出。

仿真界面如图4（a）所示，10个普通节点无规律分布在现场，绿色圆圈表示边界路由器节点1的通信范围，箭头代表数据包的发送方向，中间Simulation Control控制仿真運行，仿真速度指模拟无线通信网络运行时间与实际运行时间的比值。

4（b）   仿真网络的拓扑结构

采集节点自发组网之后形成的最优拓扑结构如图4（b）所示，各节点选定其最优路径指向边界路由器节点1。节点2、9的Rank值为1；节点3、5、8选取节点2、节点6选取节点9作为其父节点，Rank值为2；而节点5选取节点2为父节点，Rank值为3；节点4、10、11选取节点5、节点7选取节点6为父节点，Rank值为4。

当现实仿真时间推进了一小时后节点的平均能耗如图5所示，从中可分析：

（1）节点能耗主要由链路层能耗、处理器能耗与无线收发器的收发能耗组成，对于单个节点而言，监听与发送能耗占据了大部分节点能耗。

（2）节点5作为节点4、10、11的父节点，承担着以上节点的数据转发，节点5要比节点4发送更多的数据包，因此使得节点5的发送能耗大于节点4的发送能耗。

（3）节点2作为节点3、5、8的父节点，同样承担着节点的数据转发任务。但基于ContikiMAC机制的无线节点接收器周期性唤醒机制，发送节点须一直发送数据直至接收端返回确认包，而边界路由器作为该网络与主干链路的媒介需保持电源接入无须考虑能耗问题，无线接收器始终保持唤醒状态，在接收到确认包之前发送节点所需发送数据次数更少，导致节点2发送能耗要低于节点5。

通过Cooja仿真平台模拟无线传感器网络运行，验证了在理想模型下6LoWPAN无线传感器网络长时间运行的稳定性，确定了无线网络的拓扑结构，同时根据其拓扑结构验证了在理想模型下无线节点工作的低功耗状态。

3.2 实物验证

上位机软件主要设置有在线实时显示、报警及历史数据查询功能。试验人员在远端接入局域网完成本机IP地址的设置，即通过无线传输方式远程接收由边界路由器转发的由无线采集节点监测的自并励无刷励磁发电机组漏氢参数信息，实现漏氢浓度远程在线监测及报警功能。

根据国家对漏氢浓度的数据监测要求，上位机系统设定远程检测报警原则及其对应处理措施如下：

（1）当发电机出线箱顶部若氢气含量达到或超过1%，停机查漏消缺。

（2）当氢冷发电机油系统、主油箱内氢气体积含量在4%～75%，易引发爆炸，停机查漏消缺。

（3）当内冷水箱氢气含量超过2%，报警并加强人员对发电机状态的监视，超过10%则立即停机消缺；内冷水系统中漏氢量达到0.3m3/d时启动报警并在计划停机时安排消缺，而当漏氢量大于5m3/d时立即停机处理。

（4）当励磁机监测氢气含量达0.4%，加强对发电机的监视；监测氢气含量达1%，启动报警并持续观察；当监测值达5%，立即停机检修[5]。

漏氢监测系统远程监视的上位机界面如图6所示。每个漏氢监测点配备至少3个检测传感器探头保证监测数据的可靠与设备的冗余度，图中显示的数据是发电机出线箱内探头1、2、3漏氢浓度，其中探头3检测漏氢浓度超过1%，达到报警线，提醒运行人员采取措施，检查漏氢情况，必要时应停机查漏消缺。上位机界面支持EXCEL导出漏氢浓度历史数据及报表对比参数，供专业人员在不同工况时对比参考研究使用。

4 结论

本文提议优化目前核电自并励无刷励磁发电机组应用的漏氢检测装置的设备布局及数据传输方式，使用6LoWPAN无线传感器网络避免了现场布线的麻烦，减少对其他系统的干扰，方便增加检测探头，扩大监测范围，避免影响原有设备的通讯从而造成周围系统不可用的情况，完成对自并励无刷励磁发电机组漏氢问题的监测。系统基于IP协议实现漏氢数据的远程监测、报警等功能，避免人员巡检工作造成的不确定性，减少了人力的成本，能够及时发现并处理报警情况。漏氢监测无线传输方式不仅解决核电现场漏氢监测的实际问题，也可供国内其他大型火电和核电机组参考。

参考文献：

[1] 陈晓义，袁金，赵岩，等.百万千瓦核电机组大型无刷励磁机漏氢监控研究与实践[J].大电机技术，2014（4）：67-71.

[2] 綦声波，吴学英.基于6LoWPAN的海洋台站监测系统[J].海洋技术学报，2017，36（6）：38-43.

[3] 梁少刚，周小龙.6LoWPAN边界路由器应用研究与实现[J].广东通信技术，2015，35（1）：22-26.

[4] 裘莹，李士宁，徐相森，等.传感器网络邻居发现协议综述[J].计算机学报，2016，39（5）：973-992.

[5] 黄幼茹.《防止电力生产事故的二十五项重点要求》编制说明 第9讲[J].电力安全技术，2014，16（9）：68-70.

【通联编辑：梁书】