余立，韩鑫，帅能，伏晓燕，马莉

(1.国网西藏电力有限公司超高压分公司，拉萨换流站，西藏，拉萨 850000；2.国网西藏电力有限公司超高压分公司，安全监察部，西藏，拉萨 850000；3.西安科技大学，通信与信息工程学院，陕西，西安 710054)

0 引言

在高压直流输电中，换流阀是换流站的核心设备，正常运行时，大电流通过换流阀产生大量热量，导致晶闸管、电抗器等元器件温度急剧上升[1-2]，而换流阀冷却系统通过水冷却使晶闸管的结温保持在安全的范围之内，一旦出现阀塔内管道漏水，将对整个直流系统的稳定运行造成极大的威胁，极有可能烧坏阀塔设备[3]。传统漏水检测系统采用有线信号采集与传输的方式，存在设备结构复杂；价格昂贵；安装、维护成本高；系统灵活性不足等问题[4]。针对以上不足，本文提出了无线微功耗阀塔漏水传感器技术研究，采用高精度传感技术、超低功耗微控制器[5]、LoRaWAN低功耗广域互联技术设计一种无线微功耗阀塔漏水无线传感器。

1 系统的整体设计

阀塔是整个换流站的核心部分，一般除了检修期间以外都不能进入。由于阀塔检修周期间隔大，平均半年检修一次，所以只有在检修期间工人才可以进入阀塔检查设备，这便要求传感器至少稳定运行半年以上。因此，无线阀塔漏水传感器的核心技术就是在保障性能的基础上最大化地降低功耗。无线阀塔漏水传感器低功耗设计的核心是超低功耗微控制器、远距离无线LoRa通信模块及超低功耗工作模式设计。传感器组成结构如图1所示，主要由超低功耗MCU模块、LoRa低功耗广域物联网通信模块、水浸检测电缆、电源模块(电池供电单元)及key/led控制指示模块构成。

图1 无线阀塔漏水传感器结构框图

无线阀塔漏水传感器采用基于水浸检测电缆的接触式漏水检测方式，无漏水时微控制器工作于停机模式，微控制器关闭主时钟，CPU及片内外设也同时关闭，该模式下微控制器消耗电流最小；当发生漏水时通过外部中断激活微控制器重新启动并上报漏水警报。这种方式存在的一个隐患是：有无漏水和传感器是否损坏没有办法直接区别，漏水和传感器损坏都属于偶然事件，在传感器不上报信息的时候不能判断它是没有检测到漏水还是传感器本身已经损坏。因此在传感器内部基于低功耗时钟设计了一个外部时钟模块，让传感器定时发送自检信号就能避免自身损坏和无漏水难以区别的情况。

2 硬件电路设计

2.1 主控模块

为达到最低的功耗和最佳性能，传感器选用STM8L152K4T6单片机为主控模块。该单片机是意法公司推出的一款超低功耗8位单片机，最低功耗只有3 μA，符合工业级工作温度要求、有足够的IO数量、中断数量和通信接口等外围资源，以及内置了12位的高性能ADC接口，满足控制需求。

2.2 漏水检测模块设计

漏水检测模块电路由电压比较器及电容电阻电桥组成，其核心是ST393双电压比较器。漏水检测原理如下：水浸电缆接入其同相端，基准电压接入其反相端；当无漏水时，由于水浸电缆阻值高，所以同相端大于反向端，则输出高电平；当发生阀塔漏水时，水浸电缆阻值下降，同相端小于反向端，则输出低电平。通过这种方式实现漏水检测，如图2所示。

2.3 定时器模块设计

基于低功耗及可靠性要求的考虑，本文设计了传感器定时上传心跳信号的传感器可靠性判定机制。其原理为定时器定时唤醒传感器并向平台发送心跳信号，平台收到心跳包并解析后可判断传感器工作状态；若平台在指定时间未收到心跳包，工作人员可通过串口提取存储在传感器内部的心跳包，如未读到或读取不到电压值则说明是检测电路故障，如可以读取到则说明通信模块可能发生故障，便于排查故障。

图2 漏水检测电路设计图

基于低功耗考虑，传感器定时模块选用爱普生公司生产的RX8010SJ低功耗时钟芯片。该芯片支持1.1～5.5 V的宽电压工作运行时只有160 nA的功耗，该芯片内置频率校准的32.768 kHz晶体单元和128 bit RAM，具有实时时钟功能、计时功能、定时中断功能等。模块采用I2C 与主控模块通信；IRQ1是定时模块的中断接口，为传感器提供了心跳信号中断。

2.4 通信模块设计

通信模块选用semtech公司生产的SX1268远距离低功耗LoRa模块，工作频率433 MHz，发射功率30 dBm，接收灵敏度-147 dBm，LoRa/FSK调制，休眠电流180 nA，发射电流100 mA，接收电流6.5 mA(典型值)，理想条件下通信距离可达7 km，而最大发射功率只有160 MW，且可以内部指令调节功率，支持密集网络推出的全新SF5扩频因子，LoRaTM模式下支持0.018～62.5 kbps 的数据传输速率；大容量FIFO支持 256 Byte 数据缓存。

2.5 供电模块设计

网关采用直流稳压器供电，其核心是MP1584降压芯片，该MP1584是一个高频率的降压开关稳压器，具有一个集成的内部高端高压功率MOSFET主要实现防止自激振荡和抗电磁干扰的功能，采用贴片8脚封装，输入工作电压4.5～28 V，可输出0.8～25 V的稳定电压，工作频率可达1.5 MHz，最大可输出电流3 A。

3 软件设计

3.1 软件框架设计

本系统软件由传感器初始化、定时器及定时到达中断触发监控、LoRa激活和休眠控制、I2C通信、漏水中断触发判断、主控休眠等构成。在软件上，为了降低功耗采用了休眠机制，让可以短暂不工作的硬件进入休眠状态以达到降低功耗的作用。例如，我们可以使漏水检测模块一直处于工作状态，在无漏水发生的时候微控制器等器件就处于空闲的状态，那么通过软件的设置让这个状态下的单片机进入休眠状态就可以降低一定量的功耗，同理在定时模块上也适用。休眠机制如图3所示。

图3 软件休眠机制

3.2 软件设计

系统先进入初始化部分主要是对主控制器进行一个性能和功能上的约定，例如主控制器的时钟选择、工作模式、需要打开和关闭的IO口、其他硬件的通信协议的定义等。初始化完成以后系统就正式进入正常工作状态，如若没有外部的中断触发系统那么系统便会自动进入休眠状态达到降低功耗的需求，如果有中断触发信号系统会立即被激活，然后判断触发中断信号的触发源。首先会判断一次是否是定时模块触发的中断信号，根据判断的结果选择发送心跳包或者再进入漏水中断进行判断，如果判断出是由于漏水中断触发的中断信号，那么系统立即激活LoRa模块将漏水数据上传到网关。详细流程如图4所示。

图4 主程序流程图

3.3 传感器通信数据格式设计

无线阀塔漏水传感器与阀塔检测平台间数据包格式如表1所示。协议由起始帧、终端号、命令字、数据帧、状态及结束标志组成，共6个字节。如：0x75；0x01；0x01；0x02；0x00；0x68(每个字节分别对应序号1至6)。

4 传感器检测结果

传感器检测结果如表2所示。

测试表明无线阀塔漏水传感器可以使用于阀塔中，表2中各项参数性能均满足无线阀塔漏水传感器设计计划要求。

表1 数据格式

表2 传感器检测结论表

5 总结

本系统采用了基于超低功耗微控制器(STM8L154)的漏水检测电路设计，功耗低至几微安，显著提升了系统的在线时长。基于超低功耗定时器(RX8010JS)的微控制器定时唤醒机制，在不采用握手机制的条件下，确保前端传感器漏水检测及报警通信的可用性，既降低了功耗，又确保了装置正常工作在线状态。引入低功耗LoRa无线通信技术，该技术的引入降低了传感器布设成本及通信复杂度，其低功耗、远距离通信的特点大大降低了安装的难易程度。

总之，本文所设计的传感器能长时有效检测阀塔漏水情况，传感器的投用能有效确保阀塔水冷系统高效可靠运行。