特高压换流站水源管道漏水在线监测平台研究及应用

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 刘子鹏 邓健俊 徐攀腾 周登波 严海健 柳林海 梁子鹏

特高压换流站一般采用换流阀拓扑结构，为保证换流阀内通流元件运行结温在正常范围内，需要从站外引入大量的冷却水给换流阀降温。通常情况下，特高压换流站水源由当地水厂供给，该水源运行的可靠性将直接影响特高压直流输电系统的稳定性和安全性。据统计，某特高压换流站近3年来，因站外水源进水管道破裂导致供水能力不足的事件已发生4起。

某特高压换流站近3年以来发生的4起水源管道破裂事件见表1。

表1 特高压换流站水源管道破裂事件

表1四个事件中，事件二和事件四具有一定的代表性，本文对事件二和事件四进行详细说明。

事件二是由于管道本身材料强度不足导致的，运维人员检查发现阀门井内呼吸阀下方三通处所连主管道接头位置存在裂缝，导致站外补水管道压力不足，站内水池无法进行补水。事件四是由于管道埋深没有按照图纸要求进行填埋，地面发生沉降后，工业水池进水管道下沉与下方消防管道发生挤压，由于进水管道为PE塑料材质，而消防管道为镀锌钢管，故造成工业水池进水管道由于重力作用被消防管道挤压破裂导致漏水。

当前，在构建新型电力系统的大背景下，透明化是新型电力系统的主要特征，系统需要可见、可知、可控[1]。但目前特高压换流站站外水源使用的监测手段，仍是传统的机械齿轮水表与人工定期巡视，难以满足新型电力系统智能化、透明化、市场化、物联化的发展需求。另外，在站外水源管道上安装小微智能传感器，可让站外供水系统的水压、水量、流量等各个要素充分展示出来，实现站外水源运行状态、环境状态、安全状态等信息全面深度透明。因此，提出一种安全可靠的站外水源监测平台方案尤为重要。

1 国内同类监测方案对比

鉴于上述情况，特高压换流站通常采用机械齿轮水表定期抄录和人工定期巡视的方法来监测站外水源的运行状态，该方案获取信息的方法不仅成本较高，且容易出现读数错误的情况，而且对于供水距离超过10km以上的站外水源所付出的时间成本和人力成本较为高昂。因此，本文开发了一种具备数据无线远传功能的超声波流量计，分别安装在某换流站站外泵房的出水管处、站内进水水管处以及工业水池进水管处，并通过5G信号将站外水管的用水量、流量、温度等数据上传到漏水监测云平台，将站外水源运行状态、环境状态、安全状态等信息全面深度透明地呈现出来。

2 解决方案

为了解决站外水源管道漏水的难题，降低管道损坏无法及时发现的风险，提高漏水发现的及时性，提升站内设备运维的智能化水平，本文开发了一种具备数据远传功能的超声波流量计，通过5G信号将站外水管的用水量、流量、温度等数据上传到云平台，深度挖掘用水数据，结合深度学习、回归分析等多种数据分析方法和工具，对站外水管运行数据进行深度分析，实现可及时发现站外水源存在的隐患。

2.1 超声波流量计技术原理

为了监测站外水源管道漏水情况，特高压换流站共安装了3台超声波流量计，其采用时差法来测量站外水管内流体的流速，具体原理如下。

图1 超声波流量计工作原理示意图

假设超声波从上游传感器发射到下游传感器的时间为t1，下游传感器发射到上游传感器的时间为t2，那么有[2]：

上述公式中，L为上游传感器到下游传感器的直线距离，θ是管道流体流向与上下游传感器连线的夹角，c是超声波在水中的速度，v是管道中流体的流速。

通过公式（1）～（3）即可计算出站外水源管道中流体的流速v的大小。

公式（4）中，Q为流体瞬时流量，S为管道的横截面积，v是管道中流体的流速。

通过上述公式可以得到站外水源管道的瞬时流量，再对该瞬时流量进行时间积分就可以得到用水量W。

公式（5）中T1T2时间间隔可以设为24h，从而可以得到特高压换流站一天的耗水量。

2.2 站外水源管道漏水监测技术原理

某特高压换流站站外增压泵房到站门口的补给水管道长度为10.2km，长度比一般的供水管道长。通过将两个具备数据远传功能的超声波流量计分别安装在站外补给水管道首尾两端，通过比较两个流量计算出的日用水量，从而分析出管道是否存在漏水。

公式（6）中，ΔW为站外管道漏水量，W1为补给水管站外泵房端日用水量，W2为补给水管站内端日用水量；通过将漏水量ΔW与漏水告警定值K进行比较来判断站外补给水管道是否存在漏水。

3 漏水监测平台设计及应用

为了解决站外水源管道漏水难以发现的问题，验证漏水监测平台功能的完备性，笔者分别在某特高压换流站站外水源补给水管道首尾两端各安装一个超声波流量计，同时为了下文论述易于理解，将补给水管站外端安装的超声波流量计命名为流量计A，补给水管站内端安装的超声波流量计命名为流量计B。从漏水监测云平台上导出2023年9月10日至2023年9月30日共21天的超声波流量计日累积水量数据见表2、表3。

表2 流量计A每日正累积流量表

表3 流量计B每日正累积流量表

从漏水监测云平台上可以看到流量计A的每日用水趋势，补给水管站外端每日输送水量均在6000m³以上，平均日输送水量为6625m³,如图2所示。

同理，可以从云平台导出流量计B每天的输送水量见表3。

从漏水监测云平台上可以看到流量计B的每日用水趋势，补给水管站内端每日输送水量在6000m³上下波动，平均日输送水量为6352m³，如图3所示。

图3 流量计B每日用水量趋势

为了更好地比较流量计A和流量计B每日用水量即站外补给水管道首尾两端用水量的差异，可以利用公式（6）来计算流量计的用水量差值。同时，为了更好地显示两个流量计之间的差异，将站外水源管道每日漏损量和流量计的每日正累积量放在同一个折线图里进行对比分析。

通过折线图4可以看到，剔除9月13日、14日、15日3天的数据，其他时间站外管道的漏损量均在230m³附近波动，而站外水源平均日输送水量为6625m³，站外管道的漏损量约占日输送水量的3.5%，考虑到超声波流量计的精度为1%，可以将站外水源管道漏水告警值设定为平均日输送水量的4.5%，即设为300m³。当流量计A和流量计B的24h正累积流量差值超过该告警值时，漏水监测云平台自动发出漏水告警来提醒换流站运维人员及时对站外水源管道开展巡视。

图4 站外管道每日输水量与漏损量折线图

本文开发了一种具备数据远传功能的超声波流量计，通过5G信号将站外水源的输水量、流量、温度等数据上传到漏水监测云平台，结合大数据分析方法对站外水源运行数据进行深度分析，实现利用漏水监测云平台告警及时发现站外水源存在隐患的功能[3]。本项目的研究成果还能应用于所有换流站内的生活、消防、阀冷等管道的在线监测场景，具有较高的推广价值。