超高壓變電站智慧消防系統設計

康建準 楊浩 田蕊 盧曉光

摘 要：【目的】為了提高超高壓變電站火災預警及消防能力，實現變電站由傳統消防向智慧消防的轉變。【方法】本研究通過現代通信技術和智能算法與傳統消防設備的結合，為智慧消防信息共享與協調消防提供平臺支持。然后通過構建不同區域的風險概率矩陣，為監測、滅火力量的合理布局及滅火算法的制定提供依據。最后對典型區域的監測數據處理算法及智能運算過程進行研究，實現消防監測、判斷、執行的多級協調、信息融合，構建分級智慧防控的自動化消防系統。【結果】通過對系統進行評估，結果表明，智慧消防系統初級火情處置時間在10 s級，判斷準確率達100%。【結論】智慧消防系統對火災隱患預警能力、隱患及時處置能力及預警準確度都有顯著的提升。

關鍵詞：智慧消防；巡檢機器人；風險概率矩陣；多傳感器數據融合

中圖分類號：TP393；X932；TM08? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0033-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.006

Design of Intelligent Fire Protection System for Ultra-High Voltage

Substation

KANG Jianzhun1? ?YANG Hao1? ?TIAN Rui1? ?LU Xiaoguang2

（1.State Grid Henan Electric Power Company Ultrahigh Voltage Company， Zhengzhou 450000，China;

2.XJ-Wind Power Technology Company，Xuchang 461000，China）

Abstract： [Purposes] In order to improve the fire warning and fire protection ability of ultra-high voltage substation， and realize the transformation of substation from traditional fire protection to intelligent fire protection. [Methods] Through the combination of modern communication technology and intelligent algorithm with traditional firefighting equipment， this study provided platform support for intelligent firefighting information sharing and coordinated firefighting. Then， by constructing the risk probability matrix of different regions， it provides a basis for monitoring， reasonable layout of fire extinguishing forces and formulation of fire extinguishing algorithms. Finally， the monitoring data processing algorithm and intelligent operation process of typical areas are studied to realize multi-level coordination and information fusion of fire monitoring， judgment and execution， and to construct an automatic fire protection system for hierarchical intelligent prevention and control. [Findings] Through the evaluation of the system， the results showed that the primary fire disposal time of the intelligent fire fighting system was 10 s， and the judgment accuracy was 100 %. [Conclusions] The intelligent fire protection system has significantly improved the early warning ability， timely disposal ability and early warning accuracy of fire hazards.

Keywords： intelligent fire protection; inspection robot; risk probability matrix; multi-sensor data fusion

0 引言

由于變電站在電力系統運行中處于樞紐地位［1］，變電站的安全運行將直接影響整個電力系統的正常運行，是事關國計民生的重大事項［2-3］，因而變電站消防系統的建設是保證變電站安全運行的關鍵環節。雖然變電站消防系統已朝著網絡化、無人值守化、系統管理化和智慧物聯化的方向發展［4-7］，但目前還有很多無人值守的變（配）電站內沒有配備必要的消防設施［8-10］，根本無法及時進行滅火。有些變（配）電站內只配備了簡單的手提式干粉滅火器、推車式滅火器，甚至存在直接使用噴淋系統的錯誤做法。這樣的配置是不科學的，甚至會在滅火時傷及人員，給配電設備造成不可挽回的二次破壞。

為了實現變電站消防系統向智慧消防的轉型。首先，以萬物互聯為設計理念，嘗試搭建整個消防站設備互聯互通的一體化管理系統，充分運用云計算、大數據、物聯網、移動互聯網等新興信息技術，與消防業務進行深度融合，構建智能型、立體化、全覆蓋的電站智慧消防框架。其次，對此框架下不同區域的消防設備的合理配置方案進行研究，嘗試對現有消防力量進行科學布局及合理控制。最后，從細節入手，研究典型區域的具體控制細節、設備動作過程、平臺運算中心與就地邊緣設備協同工作的過程。最終實現火災隱患早排除、火災火情早阻斷的目的，從而確保變電站安全運行。

1 智慧消防系統整體構建

本研究通過綜合利用無線傳感、云計算、大數據等技術，依托現有的有線、無線、移動互聯網等現代通信設施，對變電場站內的數據中心、監控設備、滅火設置進行整合，從而形成整體的系統報警聯動、設施巡檢信息互通、消防設備管理一體化、數據分析智能化的超高壓變電站智慧消防系統。該系統為四個層級立體互動的系統，整體框架如圖1所示。

1.1 感知層

感知技術是變電站智慧消防系統建設中所用到的技術之一。感知技術依靠現代信息技術對信息采集層級進行建設，憑借現代信息技術實現自動化感知能力，能對各個消防器械設備進行準確識別，并對設備的運行狀態進行分析和報警。如智能電力檢測裝置，可在配電柜中安裝用于檢測溫度、電流、剩余電流、電壓等設備信息的智能電力檢測裝置，將采集到的數據實時上傳到云平臺，構建火災隱患大數據分析庫，為平臺判斷火災隱患提供依據。對于立體的消防監測系統，感知層主要檢測煙霧濃度、可燃氣體含量、觀測物溫度、火焰大小等，并對監測量值進行邊緣設備計算、AI前置處理，從而完成就地分級信息的判斷、就地權限范圍內的指令下發、重要信息上報、高層級指令接收及再下發。

1.2 網絡層

網絡技術主要是對數據信息進行傳輸的技術，通過構建系統的網絡層，可及時傳輸變電站運行數據和監測數據。特高壓變電站智慧消防網絡要考慮網絡傳輸的物理可靠性、數據安全性、布線局限性。故采用具有冗余能量的5G網絡+LoRa網關，并配合有線電力專網共同進行組網，從而保證未布線區域的無線通信能力、火災場景的通信冗余能力和數據的安全性。

1.3 平臺層

平臺技術主要是對各項數據進行整合和使用，數據信息的分析、收集、處理、傳輸都是在該平臺上進行的。依靠整個體系內的消防物聯網應用平臺和大數據平臺的協同作用，才能實現良好的功能效果。在對平臺技術進行應用時，其核心技術包括大數據技術、云計算技術、結構化或非結構化數據自動化處理技術等。平臺會建立一個歷史數據庫，用于分析電力設備的消防隱患，同時數據庫還支持消防應用層邊緣設備調用數據。各種智慧算法（如火災發展階段判別算法、火災隱患判別算法等）都在平臺層進行處理。平臺層會被建設成整個消防設備的運算中樞，是整個智慧消防的指揮中心。

1.4 應用層

應用層作為消防執行層，主要用于合理配置消防設置，接收平臺層的指令，完成監測、檢測及滅火動作。應用層涵蓋了非智慧消防的所有消防設施及消防力量。在整個智慧消防系統中，應用層設備要重新分配，并根據指示合理聯動，在整個電站生命周期內起作用，不僅要實現火災來臨時的滅火功能，更重要的是在火災初期，甚至未形成火災時，通過適當的手段來阻止火災的發生。

2 電站區域消防等級劃分及設備配置

智慧消防要精細化管理特高壓電站內的每個消防設置，對整個消防體系內的有限消防力量進行最優化布局［11］。因此，智慧消防系統的第二個構建重點任務是對超高壓變電站消防的區域火災風險等級進行系統劃分，為智慧消防系統提供風險等級識別標識，同時為不同消防等級的區域配備與其相適應的消防力量。這個過程即為對應用層消防力量進行合理化布置的過程。

2.1 消防區域劃分及火災危險度精確分類

在對超高壓變電站消防區域的火災風險等級進行劃分時，為不同等級的區域建立識別標識，建立步驟如下。①識別目標確定。包含特高壓電站整站的火災目標。②識別方法。根據電網特性和歷史數據進行專家經驗判定，并結合風險點分解分析的方法來確定危險的等級。③識別資料搜集。主要搜集火災相關資料和火災造成財產損失及恢復難度影響的評估資料。④風險識別。以現有經驗對火災風險進行識別，篩查出主要火災風險區域和風險點，提出預防火災發生的控制措施，總結出風險源及風險的表現形式，從而優化火災防控力量的布局。

根據專家經驗判定，并結合風險點分解分析，可將電站按設備區域分解為三個層次結構。在智慧消防處理器識別的區域標識上，以大寫字母來代表第一層，以小寫字母來代表第二層級，以數字來代表最小層級。主要區域風險層級表見表1。

在完成分區后，對不同區域進行風險評估，建立區域安全風險函數，消防設備要根據風險函數的特性進行布局。智慧消防系統中端布局的風險函數是根據區域內火災易發生性和火災發生后對生命財產的影響程度來構建的。火災影響程度可用火災風險評價矩陣來描述，從而更容易被智慧消防控制中心識別。

風險評價矩陣是以火災發生概率為橫軸、以火災危害程度為縱軸來構建二維表格，如圖2所示。其中，N為火災不易發生且火災危害最小的區域；L為火災綜合影響次嚴重區域；M為火災綜合影響中等嚴重區域；H為火災綜合影響較嚴重區域；S為火災綜合影響最嚴重區域，此區域要重點監控，并配置最大量合適的消防力量。

其中，事故油池（Ac4）、戶內主變壓器室（Ac3）、電容器室（Ae7）、電抗器室（Ae9）、主變壓器、事故油池（Bc4）都屬于S區域，共同特征為有含油裝置或運行發熱，火災發生的概率高，火災發生后，會導致輸變電癱瘓，事故影響極大。中壓配電室（Aa1）、室外配電裝置（Bb2）、中壓配電裝置區、（500 kV以上）室外配電裝置區（Ba1）等發生火災的概率高，發生火災后同樣會導致輸電設備發生癱瘓，影響較大，劃歸為H區域。泵房等輔助房間（Ad6）火災發生率較低，影響不太嚴重，但其安全運行也是輸變電健康運轉的保證，故將其歸為M區域。值班室、生活房等輔助房間發生火災的概率較低，火災呈現出單一性，對輸變電無較大的影響，但火災有可能蔓延，引發其他區域發生火災，故將其歸為L區域。其他不易燃且獨立的區間可歸為M區域。

2.2 典型區域智慧消防終端布置方案

智慧消防方案是根據特高壓電站的火災風險等級的評定結果來布置消防設備。

2.2.1 S區域的消防布置方案。S區域均為帶油設備或發熱設備，是特高壓電站火災最易發生的區域，且火災發生后的危害最大。因此，該區域用于消防監控、火災撲救、通信冗余及就地邊緣設備智能化的設備是全站最高級別的。S區域的風險點監控配置有非接觸紅外溫度監測器、火焰感光器、煙感傳感器、氣體成分監測器等傳感設備。檢測信息通過集成智能終端上傳到平臺中心，由平臺中心智能運算分析中心以最高級別的算速返回設備動作指令，從而完成火災預警、判斷、滅火的全過程。S區域就地邊緣AI設備配置有火災一級預警判斷算法、火災初期識別的二級預警算法及就地控制火災初期滅火設備的動作權限。S區域配置有油乳化絕緣高壓帶電滅火系統。油乳化絕緣高壓帶電滅火系統的工作原理如下，水在強效霧化后，其絕緣特性要大于空氣的絕緣特性，同時配合油乳化絕緣滅火劑，對設備進行覆蓋隔離、乳化阻隔，從而達到滅火效果。此設備可實現帶電滅火，對初期火情有很好的撲滅效果。故此設備的動作權限可下放到就地邊緣AI設備，達到對初期火情的快速撲滅效果。同時，S區域配置有能廣泛覆蓋的噴淋滅火系統，可作為發生較大火災后期的撲滅手段。將此滅火設備作為三級火情的滅火手段，權限在平臺運算中心，只有在火災嚴重且斷電后才能啟用。

2.2.2 H區域的消防布置方案。對H區域的火情監控及滅火可采用固定式監控及移動式巡檢的方式，重點區域加裝固定非接觸紅外溫度監測器、火焰感光器、煙感傳感器、氣體成分監測器等傳感設備。監控手段及通信控制方式與S區域相同，利用移動式消防機器人來完成對大空間區域的監測。移動式消防機器人是大空間監控及初期消防的“主力軍”，是智能終端與滅火裝置互聯互通的集成體，能實現多傳感器數據采集、圖像信息采集與傳輸、數據通信、數據分析及自帶滅火介質滅火的功能。同時，具有通用機器人所具備的全站監控區域自動定位、監控路線自動規劃及障礙物自動繞行的功能，其是基于基站地圖的全站定位方案。

根據區域的不同，滅火系統的配置也不同。如蓄電池室配置的七氟丙烷氣體滅火裝置對初期火情進行滅火，由平臺運算中心控制的泡沫滅火裝置進行火災中后控制。開放大區域的初期火情采用消防機器人自帶的阻燃彈進行初期滅火處理，消防機器本身即為一個AI邊緣設備，具有處理初期火情的權限。中后期用消防機器人的水噴淋系統進行滅火，消防機器人負責定位火源及噴頭伺服運動，消防供液裝置則負責提供穩定壓力的消防水源，整個噴淋權限歸平臺中央運算器所有。重要開放區域配置的固定消防水噴淋系統由平臺中央運算器發送噴淋指令進行控制。

2.2.3 M區域、L區域及N區域的消防布置方案。M區域、L區域及N區域的滅火壓力相對較小，使用煙感探測器、環境溫度濕度監測設備進行監控。該設備采集到的信息通過平臺運算中心進行融合判斷，適時發出預警，指導火災防控。此區域配備有水噴淋滅火系統，該系統在接收到平臺的控制指令后，統一進行滅火。同時，局部配置有手提式滅火器，用于對工作室等區域的輔助滅火。此外，在空曠區域，智能滅火機器人可進行常規巡檢，增強火災信息探測及火災初期的火情處理能力。

2.3 風險等級劃分及消防力量配置效果分析

智能消防終端布置方案中重點配置了防感知系統，同時建立電站風險管控規則，使電站消防數據庫規則得以完善。根據消防管理手冊中的設備評估規則可知，布局前后消防設備有效利用率的評估得分提升20%以上，消防設備的消防效果評估提升最為明顯，可達50%以上。此項提升是基于有效消防設備挽回損失概率計算得到的。優化布局能有效提高變電站的消防預警能力和火災應急處理速度，顯著降低變電站火災危害產生的影響，提高電站的自動化管理水平。

3 智慧消防檢測終端綜合判定實現

智慧消防對火災信號的判斷具有多信息融合的特征，不但要具備單傳感器火災感知能力，更重要的是在火災初期，甚至是火災隱患期就能發出預警，從而及早排除隱患。本研究以電站典型設備變壓設備火災監測的信號采集、處理及判斷過程為例，對智慧消防的火災判斷預警過程進行研究。

3.1 探測設備數據處理及預警算法制定

在變壓設備發生火災后，先是溫度發生變化，其自身的可燃物及氣化后的可燃氣體燃燒都會導致溫度快速升高，故溫度變化趨勢及溫度數值是火災判斷的重點和采集的關鍵量。燃燒初、中期會產生濃度不等的煙霧，增加煙霧傳感器會使火災判斷的確定性得以加強。在煙霧濃度達到一定程度后，明火也會隨之出現，監測火焰變化速度也是判斷火情不同階段的輔助變量。綜上所述，變電設備智能消防裝置要安裝以上三種探測器，安裝距離控制在變電設備周圍3 m內。變電設備的火災探測容忍參數見表2。

由于變電設備的附近是強磁場環境，探測信號容易受到電磁場的干擾，產生尖脈沖干擾信號，采集器要對信號進行去極值平均濾波處理。非接觸紅外溫度采集器的采樣頻率為1 Hz，而煙霧及火焰傳感器的采樣頻率為10 Hz。數據的處理算法是在N個連續采樣數據中，剔除最大最小值，只保留（N-2）個有效數據，并對其求平均值。其中，溫度采集頻率較低，取N為5，煙霧及火焰傳感器取N為10。此時，有效溫度數據輸出頻率為0.2 Hz，而煙霧及火焰數據輸出頻率為1 Hz。

為得到采集信號的變化率，通過滑動加窗均值法對數據進行處理。輸出數據Ai進入時長為5×M×T s的滑動時間窗，然后對時間窗口內的前M個數據及后M個數據求取平均值，得到均值H1和H2，見式（1）、式（2）。而參數變化率ΔH的計算見式（3）。

[H1=i=0i=MAi/M] （1）

[H2=i=4Mi=5MAi/M] （2）

?H=（H2-H1）/4 （3）

式中：M為平均數據長度，溫度變量取2，煙霧及火焰參數取5；T為輸出頻率，溫度變量為5 s，煙霧及火焰變量為1 s；Ai為次第進入滑動加窗均值處理器函數的時序處理數據；H1和H2為局部數據均值。

根據變電設備工作溫度的范圍特性，可制定參數異常時的變電設備智慧預警識別規則。根據實際情況，來規劃變電設備三級防控預警方案。

預警檢測級。當條件a（設備溫度高于50 °C）、b（煙霧濃度達到1 V）、c（溫度變化率勢高于0.83 °C/s）、d（煙霧正向變化率超過0.1 V/s）中有任意一個條件發生時，即認為具有火災隱患，需要設備協查。

初期火情級。當滿足條件e（火焰傳感器變化率大于0.5 V/s）時，火災已經形成征兆，起動滅火初級預案。初級預案的升級和解除方案可參考溫度和煙霧傳感數據，當條件a、b、c、d全都不滿足時，則認為火焰傳感器誤報，解除初步控制動作，將所有故障上傳平臺運算中心，平臺運算中心具有D-S融合火災判斷算法及神經網絡火災預測算法等高級運算邏輯，能實現智能判斷。如果火災初級預案不能消除，則發出初級滅火控制指令，在權限范圍內啟動局部無損火情控制設備，用于控制火情。

火災消防級。此級別的火災消防是由探測設備上傳探測數據到后臺運算中心，經大數據智能化運算后，得到確切火災的結論，然后通過統一協調各種消防設備來進行有序滅火，并上報火情的過程。

3.2 就近邊緣設備與平臺層的協同工作過程

就近邊緣設備作為設備層智能的處理裝置，發揮就近控制、快速穩定的作用，主要負責數據采集、數據初期處理、初級預判及自身權限范圍內初級火情快速控制指令下發的功能。同時，其自帶的智能通信網格能上傳采集數據，接收平臺控制指令，并嚴格執行指令。

平臺數據處理中心處理數據結果的速度沒邊緣設備快，但其能利用大數據及先進算法對數據進行融合判斷，結論準確度高，并負責整場協同，是火災消防的最終決策中心。

以變電設備為例，細節處理過程如下，邊緣設備通過各種傳感設備采集火情數據，并對其進行處理。如果某個監測信號觸發一級報警，則發預警信號給平臺層，平臺層做出最終判斷，判斷是否需要投入滅火裝置。如果觸發二級預警，邊緣設備將發送預警信號給平臺后等待10 s，給平臺提供高級指令的反饋時間，并起動自身權限的初期火情滅火準備工作，當10 s等待時間過后，如果沒有接收到平臺指令，則啟動初期滅火設備滅火，并觸發聲光報警系統。如果接收到平臺指令，則執行平臺指令。10 s內平臺層可判斷是否誤報，從而決定是否取消滅火系統開啟。

3.3 終端綜合判斷效果評估

利用火災模擬場對滅火裝置的響應過程進行測試試驗，從而獲取不同火情等級預警時間及撲滅效果的評價數據。因電站火災事故的案例極少，而超高壓電站不能用于試驗，所有評估結論都是基于模擬試驗數據。經系統評估分析后，該智慧消防算法可使火災隱患提前發現率由95%提升到99%，初期火情處置時間由分鐘級提升到10 s級，協同工作可完全避免不必要的全覆蓋滅火開啟指令，同時平臺的全覆蓋滅火開啟正確率達100%。

4 結語

本研究通過設計消防感知、通信、運算及執行四層級消防體系的搭建方案，對變電站智慧消防體系進行構建，為消防信息有效溝通及智慧判定提供施展平臺。完成不同區域火災風險概率的評估，并建立風險概率矩陣，形成典型區域智能消防終端布置方案，為變電站消防監測及滅火算法制定提供依據。對典型區域監測數據處理及運算過程進行研究，來完成智慧消防系統的構建。智慧消防系統能有效提升火災的早期探測預警能力和及時滅火能力。

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