基于LoRa 无线通信的变电站火灾报警系统设计*

赵志浩，卢超波，陶洪平，沈 伟

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

变电站内包含电力系统中重要的生产运行设备，大多为易燃易爆物品，一旦发生火灾，不仅对人身和设备造成极大危害，而且威胁电网安全[1]。当前变电站火灾中常见的是变压器火灾，文献[2]介绍了一种变压器火灾报警系统，有利于及早发现火灾，但是对于另一处火灾易发区域电缆沟缺乏监测作用，电缆沟作为变电站与外界进行能量交换的重要通道，一旦发生火灾将大面积延燃，造成严重的供电事故。文献[3]介绍了一种利用烟雾传感器监测火灾的方法，可以对绝大多数室内火灾进行及时有效的监测，但是在室外条件下，监测的准确度会受到火势大小、自然因素的影响，无法准确、及时监测变电站内的设备火灾。文献[4]介绍了一种可以在电缆沟铺设的探火导管用于自动灭火，试验验证了这种新型灭火装置的有效性，弥补了变电站内设备区域自动灭火措施的不足。

以往变电站内消防信号传输系统多采用有线传输，因有线线路的铺设需要跨多个区域的防火隔离带，导致消防系统的施工周期长、难度大，在后期维护过程中一旦有线路问题就需要经历开挖、检修、回填、复原的过程，维护成本和难度成为困扰施工方的一大难题。本文提出一种基于新型探火导管灭火装置的火灾监测方法，用无线系统代替有线系统，大大缩短了施工周期，降低了施工难度，后期维护更加快捷，有效节约了成本。

2 系统总体设计方案

变电站灭火报警系统由火灾监测传感器节点端、接收主机端、消防主机组成，系统架构如图1 所示，灭火器与气体压力传感器相连，并通过三通阀门延伸出气管，分布在易发生火灾的电缆沟，当有火灾发生时，传感器端检测到气压降低，产生火灾报警信号，通过LoRa 无线传输方式发送给接收主机，主机收到报警信号后产生报警响应，相关工作人员根据警情进行处理[5]。

图1 系统控制方案

3 无线数据传输方案

根据国家电网有限公司企业标准《输变电设备物联网节点设备组网协议》（ICS 01.040.2 9）要求，变电站内数据通讯方案需要满足在2.4 GHz 频率下通讯传输距离远、抗干扰性强的要求，文献[6-7]阐述了LoRa 无线通信技术的特点，因为LoRa 扩频调制的方式具有更强的抗干扰性能，与其他2.4 GHz 传输方式相比具有传输距离更长、抗干扰性更好的优势，其射频参数与其他无线通讯方式对比如表1 所示。

表1 各类2.4 GHz 无线通讯技术的主要射频参数对比

LoRa 通讯距离可以适合绝大多数的变电站设备部署区域，因此采用星型结构的无线网络拓扑结构，该网络结构包含汇聚节点和传感终端，与环形拓扑结构相比，不需要部署中继器，所以具有更低的硬件复杂度，终端节点设备因为故障停机时也不会影响其他端用户间的通信，这使得整个系统更加安全且易于维护。

4 变电站设备火灾监测传感方案

新型灭火装置探火管在发生火灾时会熔断，释放大量灭火气体，灭火器接口处的压强会逐渐下降，基于此提出运用气压传感器监测有无气体释放进而达到火灾监测的目的。目前这种方案首次应用在火灾监测领域，需要在气体释放后数秒内产生报警信号，这与气体传感器的气压报警阈值直接相关，即当气压小于此阈值时触发报警。选用阈值为0.2 MPa 的通用型气压传感器，并对气体释放后气压变化情况进行分析。

灭火器罐体积V=5 L，公称工作压强P0=2.5 MPa，初始温度T0=288.15 K，排气孔直径D=0.008 m，环境压强Pb=101325 Pa，灭火气体系数Rg=287.6，忽略排气过程中的换热。排气过程分为两个阶段：第一阶段为排气孔处马赫数Ma=1 的过程，此阶段结束时罐内压强P=1.893Pb=191808.225 Pa；第二阶段为罐内压强下降到环境压强的过程，由于选定传感器阈值在200000 Pa以上，且基于系统快速响应的要求需要在第一阶段触发报警信号，此过程中罐内气压发生变化，流量微分方程[8]为：

其中m为气体的质量，t为灭火罐内气体释放的时间，K为气体常数，大小为0.04042，P为罐内气体的压强，A为排气孔截面积，T0为初始温度，q（Ma）与马赫数相关，在第一阶段始终为1。

根据克拉伯龙方程：

其中ρ 为气体密度，T为气体温度，得到：

将式(3)代入式(1)，得到：

整理后得：

两边同时积分得到：

通过Matlab 仿真，罐内气体压强变化如图2 所示。当罐内气压P达到191808.225 Pa 时，经过的时间为1.294 s，此结果证明气压传感器的阈值参数满足气体开始释放数秒内触发报警信号的设计要求。

图2 依据流量微分方程预测的气压变化

5 无线火灾监测终端设计

无线传感终端设计如图3 所示，系统采用电池供电，控制单元选用中科芯集成电路有限公司设计的CKS32F030 微控制器实现对整个传感系统的控制，通讯部分选择Semtech 公司的SX1280，工作在2.4 GHz频段，通讯距离可达800 m[9-10]。

图3 无线火灾监测终端系统结构

6 无线火灾监测终端测试

6.1 通讯测试

测试地点选择市区环境、空旷环境和变电站环境，节点参数按照表1 设置，节点通讯数据与系统实际运行数据大小相同，设置为36 B，接收主机通过串口与PC 机相连，用串口工具记录数据，同时记录监测点的距离，通过统计数据计算丢包率，测试结果如表2 所示。实验结果表明，在市区环境下，当通讯距离小于500 m 时通讯质量良好，距离大于等于500 m 时出现丢包；变电站环境与空旷环境的情况接近，当通讯距离小于750 m 时通讯质量好，距离大于等于750 m 时出现丢包。

表2 无线火灾监测终端通讯测试结果

6.2 火灾报警测试

模拟变电站电缆沟环境下的火灾报警测试，搭建测试环境，在消防柜内放置两个灭火罐，传感器一端连接气阀，另一端连接传感节点，传感节点安装图如图4（a）所示，将灭火气管引出并部署在灭火箱内，探火管安装图如图4（b）所示，准备一个人造火源，将其送入灭火箱，观察后续的实验结果。探火管在3～5 s 内被烧断，释放出灭火物质灭火，电缆燃烧场景如图4（c）所示，1～2 s 后，传感器检测到气体压强变化，传递报警信号到消防主机，报警信号如图4（d）所示，通过50 次模拟现场环境测试，报警操作均在灭火气体释放后1～2 s触发，报警准确及时。

图4 火灾报警试验

7 结论

设计了基于LoRa 无线通讯的变电站灭火报警系统，解决了传统的有线系统无法满足当今变电站消防设备快速高效部署要求的问题，在市区和空旷环境下的测试结果验证了无线系统在多个领域具有广泛的应用前景；根据实际应用环境搭建测试场景，验证了利用气压监测火灾发出报警信号的可行性，气压传感监测方案在变电站重要设备区域的火灾监测应用弥补了国内变电站火灾监测的不足，对于其他领域的火灾监测应用也有一定的借鉴意义。