超高压变电站智慧消防系统设计

康建准 杨浩 田蕊 卢晓光

摘 要：【目的】为了提高超高压变电站火灾预警及消防能力，实现变电站由传统消防向智慧消防的转变。【方法】本研究通过现代通信技术和智能算法与传统消防设备的结合，为智慧消防信息共享与协调消防提供平台支持。然后通过构建不同区域的风险概率矩阵，为监测、灭火力量的合理布局及灭火算法的制定提供依据。最后对典型区域的监测数据处理算法及智能运算过程进行研究，实现消防监测、判断、执行的多级协调、信息融合，构建分级智慧防控的自动化消防系统。【结果】通过对系统进行评估，结果表明，智慧消防系统初级火情处置时间在10 s级，判断准确率达100%。【结论】智慧消防系统对火灾隐患预警能力、隐患及时处置能力及预警准确度都有显著的提升。

关键词：智慧消防；巡检机器人；风险概率矩阵；多传感器数据融合

中图分类号：TP393；X932；TM08         文献标志码：A          文章编号：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

由于變电站在电力系统运行中处于枢纽地位［1］，变电站的安全运行将直接影响整个电力系统的正常运行，是事关国计民生的重大事项［2-3］，因而变电站消防系统的建设是保证变电站安全运行的关键环节。虽然变电站消防系统已朝着网络化、无人值守化、系统管理化和智慧物联化的方向发展［4-7］，但目前还有很多无人值守的变（配）电站内没有配备必要的消防设施［8-10］，根本无法及时进行灭火。有些变（配）电站内只配备了简单的手提式干粉灭火器、推车式灭火器，甚至存在直接使用喷淋系统的错误做法。这样的配置是不科学的，甚至会在灭火时伤及人员，给配电设备造成不可挽回的二次破坏。

为了实现变电站消防系统向智慧消防的转型。首先，以万物互联为设计理念，尝试搭建整个消防站设备互联互通的一体化管理系统，充分运用云计算、大数据、物联网、移动互联网等新兴信息技术，与消防业务进行深度融合，构建智能型、立体化、全覆盖的电站智慧消防框架。其次，对此框架下不同区域的消防设备的合理配置方案进行研究，尝试对现有消防力量进行科学布局及合理控制。最后，从细节入手，研究典型区域的具体控制细节、设备动作过程、平台运算中心与就地边缘设备协同工作的过程。最终实现火灾隐患早排除、火灾火情早阻断的目的，从而确保变电站安全运行。

1 智慧消防系统整体构建

本研究通过综合利用无线传感、云计算、大数据等技术，依托现有的有线、无线、移动互联网等现代通信设施，对变电场站内的数据中心、监控设备、灭火设置进行整合，从而形成整体的系统报警联动、设施巡检信息互通、消防设备管理一体化、数据分析智能化的超高压变电站智慧消防系统。该系统为四个层级立体互动的系统，整体框架如图1所示。

1.1 感知层

感知技术是变电站智慧消防系统建设中所用到的技术之一。感知技术依靠现代信息技术对信息采集层级进行建设，凭借现代信息技术实现自动化感知能力，能对各个消防器械设备进行准确识别，并对设备的运行状态进行分析和报警。如智能电力检测装置，可在配电柜中安装用于检测温度、电流、剩余电流、电压等设备信息的智能电力检测装置，将采集到的数据实时上传到云平台，构建火灾隐患大数据分析库，为平台判断火灾隐患提供依据。对于立体的消防监测系统，感知层主要检测烟雾浓度、可燃气体含量、观测物温度、火焰大小等，并对监测量值进行边缘设备计算、AI前置处理，从而完成就地分级信息的判断、就地权限范围内的指令下发、重要信息上报、高层级指令接收及再下发。

1.2 网络层

网络技术主要是对数据信息进行传输的技术，通过构建系统的网络层，可及时传输变电站运行数据和监测数据。特高压变电站智慧消防网络要考虑网络传输的物理可靠性、数据安全性、布线局限性。故采用具有冗余能量的5G网络+LoRa网关，并配合有线电力专网共同进行组网，从而保证未布线区域的无线通信能力、火灾场景的通信冗余能力和数据的安全性。

1.3 平台层

平台技术主要是对各项数据进行整合和使用，数据信息的分析、收集、处理、传输都是在该平台上进行的。依靠整个體系内的消防物联网应用平台和大数据平台的协同作用，才能实现良好的功能效果。在对平台技术进行应用时，其核心技术包括大数据技术、云计算技术、结构化或非结构化数据自动化处理技术等。平台会建立一个历史数据库，用于分析电力设备的消防隐患，同时数据库还支持消防应用层边缘设备调用数据。各种智慧算法（如火灾发展阶段判别算法、火灾隐患判别算法等）都在平台层进行处理。平台层会被建设成整个消防设备的运算中枢，是整个智慧消防的指挥中心。

1.4 应用层

应用层作为消防执行层，主要用于合理配置消防设置，接收平台层的指令，完成监测、检测及灭火动作。应用层涵盖了非智慧消防的所有消防设施及消防力量。在整个智慧消防系统中，应用层设备要重新分配，并根据指示合理联动，在整个电站生命周期内起作用，不仅要实现火灾来临时的灭火功能，更重要的是在火灾初期，甚至未形成火灾时，通过适当的手段来阻止火灾的发生。

2 电站区域消防等级划分及设备配置

智慧消防要精细化管理特高压电站内的每个消防设置，对整个消防体系内的有限消防力量进行最优化布局［11］。因此，智慧消防系统的第二个构建重点任务是对超高压变电站消防的区域火灾风险等级进行系统划分，为智慧消防系统提供风险等级识别标识，同时为不同消防等级的区域配备与其相适应的消防力量。这个过程即为对应用层消防力量进行合理化布置的过程。

2.1 消防区域划分及火灾危险度精确分类

在对超高压变电站消防区域的火灾风险等级进行划分时，为不同等级的区域建立识别标识，建立步骤如下。①识别目标确定。包含特高压电站整站的火灾目标。②识别方法。根据电网特性和历史数据进行专家经验判定，并结合风险点分解分析的方法来确定危险的等级。③识别资料搜集。主要搜集火灾相关资料和火灾造成财产损失及恢复难度影响的评估资料。④风险识别。以现有经验对火灾风险进行识别，筛查出主要火灾风险区域和风险点，提出预防火灾发生的控制措施，总结出风险源及风险的表现形式，从而优化火灾防控力量的布局。

根据专家经验判定，并结合风险点分解分析，可将电站按设备区域分解为三个层次结构。在智慧消防处理器识别的区域标识上，以大写字母来代表第一层，以小写字母来代表第二层级，以数字来代表最小层级。主要区域风险层级表见表1。

在完成分区后，对不同区域进行风险评估，建立区域安全风险函数，消防设备要根据风险函数的特性进行布局。智慧消防系统中端布局的风险函数是根据区域内火灾易发生性和火灾发生后对生命财产的影响程度来构建的。火灾影响程度可用火灾风险评价矩阵来描述，从而更容易被智慧消防控制中心识别。

风险评价矩阵是以火灾发生概率为横轴、以火灾危害程度为纵轴来构建二维表格，如图2所示。其中，N为火灾不易发生且火灾危害最小的区域；L为火灾综合影响次严重区域；M为火灾综合影响中等严重区域；H为火灾综合影响较严重区域；S为火灾综合影响最严重区域，此区域要重点监控，并配置最大量合适的消防力量。

其中，事故油池（Ac4）、户内主变压器室（Ac3）、电容器室（Ae7）、电抗器室（Ae9）、主变压器、事故油池（Bc4）都属于S区域，共同特征为有含油装置或运行发热，火灾发生的概率高，火灾发生后，会导致输变电瘫痪，事故影响极大。中压配电室（Aa1）、室外配电装置（Bb2）、中压配电装置区、（500 kV以上）室外配电装置区（Ba1）等发生火灾的概率高，发生火灾后同样会导致输电设备发生瘫痪，影响较大，划归为H区域。泵房等辅助房间（Ad6）火灾发生率较低，影响不太严重，但其安全运行也是输变电健康运转的保证，故将其归为M区域。值班室、生活房等辅助房间发生火灾的概率较低，火灾呈现出单一性，对输变电无较大的影响，但火灾有可能蔓延，引发其他区域发生火灾，故将其归为L区域。其他不易燃且独立的区间可归为M区域。

2.2 典型区域智慧消防终端布置方案

智慧消防方案是根据特高压电站的火灾风险等级的评定结果来布置消防设备。

2.2.1 S区域的消防布置方案。S区域均为带油设备或发热设备，是特高压电站火灾最易发生的区域，且火灾发生后的危害最大。因此，该区域用于消防监控、火灾扑救、通信冗余及就地边缘设备智能化的设备是全站最高级别的。S区域的风险点监控配置有非接触红外温度监测器、火焰感光器、烟感传感器、气体成分监测器等传感设备。检测信息通过集成智能终端上传到平台中心，由平台中心智能运算分析中心以最高级别的算速返回设备动作指令，从而完成火灾预警、判断、灭火的全过程。S区域就地边缘AI设备配置有火灾一级预警判断算法、火灾初期识别的二级预警算法及就地控制火灾初期灭火设备的动作权限。S区域配置有油乳化绝缘高压带电灭火系统。油乳化绝缘高压带电灭火系统的工作原理如下，水在强效雾化后，其绝缘特性要大于空气的绝缘特性，同时配合油乳化绝缘灭火剂，对设备进行覆盖隔离、乳化阻隔，从而达到灭火效果。此设备可实现带电灭火，对初期火情有很好的扑灭效果。故此设备的动作权限可下放到就地边缘AI设备，达到对初期火情的快速扑灭效果。同时，S区域配置有能广泛覆盖的喷淋灭火系统，可作为发生较大火灾后期的扑灭手段。将此灭火设备作为三级火情的灭火手段，权限在平台运算中心，只有在火灾严重且断电后才能启用。

2.2.2 H区域的消防布置方案。对H区域的火情监控及灭火可采用固定式监控及移动式巡检的方式，重点区域加装固定非接触红外温度监测器、火焰感光器、烟感传感器、气体成分监测器等传感设备。监控手段及通信控制方式与S区域相同，利用移动式消防机器人来完成对大空间区域的监测。移动式消防机器人是大空间监控及初期消防的“主力军”，是智能终端与灭火装置互联互通的集成体，能实现多传感器数据采集、图像信息采集与传输、数据通信、数据分析及自带灭火介质灭火的功能。同时，具有通用机器人所具备的全站监控区域自动定位、监控路线自动规划及障碍物自动绕行的功能，其是基于基站地图的全站定位方案。

根据区域的不同，灭火系统的配置也不同。如蓄电池室配置的七氟丙烷气体灭火装置对初期火情进行灭火，由平台运算中心控制的泡沫灭火装置进行火灾中后控制。开放大区域的初期火情采用消防机器人自带的阻燃弹进行初期灭火處理，消防机器本身即为一个AI边缘设备，具有处理初期火情的权限。中后期用消防机器人的水喷淋系统进行灭火，消防机器人负责定位火源及喷头伺服运动，消防供液装置则负责提供稳定压力的消防水源，整个喷淋权限归平台中央运算器所有。重要开放区域配置的固定消防水喷淋系统由平台中央运算器发送喷淋指令进行控制。

2.2.3 M区域、L区域及N区域的消防布置方案。M区域、L区域及N区域的灭火压力相对较小，使用烟感探测器、环境温度湿度监测设备进行监控。该设备采集到的信息通过平台运算中心进行融合判断，适时发出预警，指导火灾防控。此区域配备有水喷淋灭火系统，该系统在接收到平台的控制指令后，统一进行灭火。同时，局部配置有手提式灭火器，用于对工作室等区域的辅助灭火。此外，在空旷区域，智能灭火机器人可进行常规巡检，增强火灾信息探测及火灾初期的火情处理能力。

2.3 风险等级划分及消防力量配置效果分析

智能消防终端布置方案中重点配置了防感知系统，同时建立电站风险管控规则，使电站消防数据库规则得以完善。根据消防管理手册中的设备评估规则可知，布局前后消防设备有效利用率的评估得分提升20%以上，消防设备的消防效果评估提升最为明显，可达50%以上。此项提升是基于有效消防设备挽回损失概率计算得到的。优化布局能有效提高变电站的消防预警能力和火灾应急处理速度，显著降低变电站火灾危害产生的影响，提高电站的自动化管理水平。

3 智慧消防检测终端综合判定实现

智慧消防对火灾信号的判断具有多信息融合的特征，不但要具备单传感器火灾感知能力，更重要的是在火灾初期，甚至是火灾隐患期就能发出预警，从而及早排除隐患。本研究以电站典型设备变压设备火灾监测的信号采集、处理及判断过程为例，对智慧消防的火灾判断预警过程进行研究。

3.1 探测设备数据处理及预警算法制定

在变压设备发生火灾后，先是温度发生变化，其自身的可燃物及气化后的可燃气体燃烧都会导致温度快速升高，故温度变化趋势及温度数值是火灾判断的重点和采集的关键量。燃烧初、中期会产生浓度不等的烟雾，增加烟雾传感器会使火灾判断的确定性得以加强。在烟雾浓度达到一定程度后，明火也会随之出现，监测火焰变化速度也是判断火情不同阶段的辅助变量。综上所述，变电设备智能消防装置要安装以上三种探测器，安装距离控制在变电设备周围3 m内。变电设备的火灾探测容忍参数见表2。

由于变电设备的附近是强磁场环境，探测信号容易受到电磁场的干扰，产生尖脉冲干扰信号，采集器要对信号进行去极值平均滤波处理。非接触红外温度采集器的采样频率为1 Hz，而烟雾及火焰传感器的采样频率为10 Hz。数据的处理算法是在N个连续采样数据中，剔除最大最小值，只保留（N-2）个有效数据，并对其求平均值。其中，温度采集频率较低，取N为5，烟雾及火焰传感器取N为10。此时，有效温度数据输出频率为0.2 Hz，而烟雾及火焰数据输出频率为1 Hz。

为得到采集信号的变化率，通过滑动加窗均值法对数据进行处理。输出数据Ai进入时长为5×M×T s的滑动时间窗，然后对时间窗口内的前M个数据及后M个数据求取平均值，得到均值H1和H2，见式（1）、式（2）。而参数变化率ΔH的计算见式（3）。

[H1=i=0i=MAi/M] （1）

[H2=i=4Mi=5MAi/M] （2）

?H=（H2-H1）/4 （3）

式中：M为平均数据长度，温度变量取2，烟雾及火焰参数取5；T为输出频率，温度变量为5 s，烟雾及火焰变量为1 s；Ai为次第进入滑动加窗均值处理器函数的时序处理数据；H1和H2为局部数据均值。

根据变电设备工作温度的范围特性，可制定参数异常时的变电设备智慧预警识别规则。根据实际情况，来规划变电设备三级防控预警方案。

预警检测级。当条件a（设备温度高于50 °C）、b（烟雾浓度达到1 V）、c（温度变化率势高于0.83 °C/s）、d（烟雾正向变化率超过0.1 V/s）中有任意一个条件发生时，即认为具有火灾隐患，需要设备协查。

初期火情级。当满足条件e（火焰传感器变化率大于0.5 V/s）时，火灾已经形成征兆，起动灭火初级预案。初级预案的升级和解除方案可参考温度和烟雾传感数据，当条件a、b、c、d全都不满足时，则认为火焰传感器误报，解除初步控制动作，将所有故障上传平台运算中心，平台运算中心具有D-S融合火灾判断算法及神经网络火灾预测算法等高级运算逻辑，能实现智能判断。如果火灾初级预案不能消除，则发出初级灭火控制指令，在权限范围内启动局部无损火情控制设备，用于控制火情。

火灾消防级。此级别的火灾消防是由探测设备上传探测数据到后台运算中心，经大数据智能化运算后，得到确切火灾的结论，然后通过统一协调各种消防设备来进行有序灭火，并上报火情的过程。

3.2 就近边缘设备与平台层的协同工作过程

就近边缘设备作为设备层智能的处理装置，发挥就近控制、快速稳定的作用，主要负责数据采集、数据初期处理、初级预判及自身权限范围内初级火情快速控制指令下发的功能。同时，其自带的智能通信网格能上传采集数据，接收平台控制指令，并严格执行指令。

平台数据处理中心处理数据结果的速度没边缘设备快，但其能利用大数据及先进算法对数据进行融合判断，结论准确度高，并负责整场协同，是火灾消防的最终决策中心。

以变电设备为例，细节处理过程如下，边缘设备通过各种传感设备采集火情数据，并对其进行处理。如果某个监测信号触发一级报警，则发预警信号给平台层，平台层做出最终判断，判断是否需要投入灭火装置。如果触发二级预警，边缘设备将发送预警信号给平台后等待10 s，给平台提供高级指令的反馈时间，并起动自身权限的初期火情灭火准备工作，当10 s等待时间过后，如果没有接收到平台指令，则启动初期灭火设备灭火，并触发声光报警系统。如果接收到平台指令，则执行平台指令。10 s内平台层可判断是否误报，从而决定是否取消灭火系统开启。

3.3 终端综合判断效果评估

利用火灾模拟场对灭火装置的响应过程进行测试试验，从而获取不同火情等级预警时间及扑灭效果的评价数据。因电站火灾事故的案例极少，而超高压电站不能用于试验，所有评估结论都是基于模拟试验数据。经系统评估分析后，该智慧消防算法可使火灾隐患提前发现率由95%提升到99%，初期火情处置时间由分钟级提升到10 s级，协同工作可完全避免不必要的全覆盖灭火开启指令，同时平台的全覆盖灭火开启正确率达100%。

4 結语

本研究通过设计消防感知、通信、运算及执行四层级消防体系的搭建方案，对变电站智慧消防体系进行构建，为消防信息有效沟通及智慧判定提供施展平台。完成不同区域火灾风险概率的评估，并建立风险概率矩阵，形成典型区域智能消防终端布置方案，为变电站消防监测及灭火算法制定提供依据。对典型区域监测数据处理及运算过程进行研究，来完成智慧消防系统的构建。智慧消防系统能有效提升火灾的早期探测预警能力和及时灭火能力。

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