基于泛在電力物聯網的無人值守變電站消防策略研究

鄭寶強，張健，曹飛，郭帥，何春華

（1. 國網安徽省電力有限公司蚌埠供電公司，蚌埠233000；2. 合肥工業大學土木與水利工程學院，合肥230009）

2019 年1 月，國家電網有限公司在其兩會上正式提出建設樞紐型、平臺型、共享型企業，在堅強智能電網基礎上建設泛在電力物聯網，共同構成能源流、業務流、數據流“三流合一”的能源互聯網。同時指出，建設泛在電力物聯網是當前落實“三型兩網、世界一流”戰略目標的核心任務，吹響了泛在電力物聯網的建設號角［1］。根據國家電網“泛在電力物聯網建設大綱”的戰略部署，到2021年初步建成泛在電力物聯網，通過三年提升，到2024年建成泛在電力物聯網。

本文針對泛在物聯網背景下的無人值守變電站的消防策略開展研究，重點探討該類變電站實現分級預警與全自動自救的實施方案，對未來變電站消防系統的設計具有重要的參考價值。

1 泛在電力物聯網下的無人值守變電站消防策略研究

1.1 變電站消防現狀與問題

我國110 kV及以下小型變電站數量較多，分布廣泛，在保障工農業生產與提高城鄉居民生活水平等方面起著重要作用。僅以安徽省為例，至2018年4 月底，全省僅110 kV 變電站就達到了500 余座（35 kV 變電站＞1 000 座），且該類變電站大多分布于人口稠密的城鎮及近郊，其消防安全保障格外重要。然而，當前該類變電站的消防設計嚴重不足，我國最新版《火力發電廠與變電站設計防火標準》（GB 50229—2019）和《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）均未對110 kV 及以下變電站的自動消防能力提出要求。

此外，近些年我國各省均開展了智能變電站的建設，現有的110 kV及以下變電站很多為無人值守變電站。在無人值守條件下，一旦出現火情，該類變電站缺乏必要的迅速響應機制和自救能力。因此，在泛在電力物聯網背景下，通過對變電站重點消防對象布設火災探測器，依托泛在電力物聯網實現監控數據的傳輸、通訊信息交互與滅火設施實現聯動控制，則將可實現對無人值守變電站火情的分級預警與全自動自救，突破現有變電站消防系統薄弱這一瓶頸問題。

1.2 基于泛在電力物聯網的變電站消防系統的構建

泛在電力物聯網包括感知層、網絡層、平臺層、應用層［2-3］。基于泛在電力物聯網的消防設計的本質內容是布置于變電站內各部位的火災探測器構成感知層，實時采集監測對象的實時數據（如溫度、濕度、煙度），分布在變電站周圍的基站構成網絡層，為變電站內物聯網終端設備提供網絡信號，并負責數據的傳輸；變電站內各探測器采集的實時數據，通過網絡層上傳國網云平臺（大數據、一級平臺層），而依托平臺層開發的電力物聯網智慧消防監測管理平臺構成應用層，通過對監測數據的分析與計算，判讀變電站內具體區域是否發生火災，從而發出報警及消防設施的啟動指令。基本框架結構如圖1所示：

2 基于泛在電力物聯網的無人值守變電站消防系統實施方案研究

2.1 物聯網式火災探測器及其布設

變電站內火災探測器構成消防系統的感知層。隨著物聯網技術的快速發展，基于物聯網的火災探測器也到了快速發展與普及應用。隨著泛在物聯網建設完善，以及國網芯片的研發成功并進一步普及，傳統離線式的火災探測器必將被物聯網式消防探測器所取代。

根據110 kV戶內變電站的基本建設情況，并依據各分區對消防的需求，參考國家規范《火災自動報警系統設計規范》（GB 50116—2013），在變電站內各區域布置物聯網式火災探測器，如表1所示。

表1 110 kV戶外變電站火災探測器優化布設方案Tab. 1 Fire detectors’arrangement scheme for 110 kV outdoor power substation

2.2 物聯網式滅火設施及其布設

現有的消防滅火設施往往都是一套自動化的獨立系統（如排油注氮滅火系統、水噴霧自動滅火系統、火探管自動滅火系統、超細干粉滅火系統等），即系統自帶火災探測器（如感溫、感煙等）［4］，當探測到溫度（煙度）驟升時，自動開啟滅火［5］。這種滅火設施本質上是離線式的。而基于泛在電力物聯網的變電站，將從根本上改變消防設施的響應機制，實現從現有離線式響應機制到線上式的跨越，即通過對滅火設施安裝芯片以及智能開關，和泛在電力物聯網進行聯網，從而實現管理平臺對滅火設施啟閉的遠程控制，做到火災探測與滅火設施的分級聯動。依據110 kV戶外變電站的建設特征和消防需求，同時兼顧經濟性原則，給出一種可行的消防設施布置方案，如表2所示。

2.3 電力物聯網智能監測管理平臺

智能消防監測管理平臺未來作為泛在物聯網體系內的應用層，是變電站消防管控系統的中樞神經，負責變電站消防設施硬件的入網識別，火災探測器數據的存儲與計算，變電站內各種滅火設施的啟閉控制，需內置多探測器數據融合技術、人工神經網絡等算法程序［6-9］，是實現分級預警與滅火聯動的“總司令”。以戶外站主變壓器模塊的消防監控為例，其消防監控系統流程圖如圖2所示。

2.4 泛在物聯網背景下變電站消防預警及火災聯動控制案例

以110 kV戶外無人值守變電站為例，將變電站分為主變壓器、開關柜及控制柜、電纜溝、戶外配電裝置等區域及控制模塊，構建基于泛在電力物聯網的變電站火災分級預警與滅火聯動控制系統，如圖3所示。

變電站內所布設火災探測器實時采集溫度、濕度及煙度數據（采樣頻率可根據需要設定），采樣數據通過泛在電力物聯網，實時傳輸至電力物聯網智慧消防監測管理平臺智慧消防監測管理平臺內置算法程序對實時數據進行判讀。若監測數據無異常（瞬時采樣值均在設定的正常區間范圍內），則繼續進行數據返回計算；若監測數據異常，則系統分為預警響應機制和火災響應機制兩個級別進行應對。

表2 110 kV戶外變電站滅火設施優化布設方案Tab. 2 Fire-extinguishing installations’arrangement scheme for 110 kV outdoor power substation

當瞬時采樣參數值中的一個超出設定的正常區間范圍，則智慧消防監測管理平臺啟動三級預警功能，采取以下應對措施：監控平臺自身發出報警信號，告知平臺所在地工作人員，以便快速查看，快速定位（如圖中紅色有向線所示）；當瞬時采樣值中的二個超出設定的正常區間范圍，則平臺啟動二級預警功能，進一步采取以下應對措施：平臺通過短信和手機APP向國網內部管理人員發送預警及定位信息；當瞬時采樣值中的三個指標均超出設定的正常區間范圍，則平臺啟動一級預警功能，進一步采取以下應對措施：調用巡檢機器人或無人機到達疑似險情區，進行視頻監控，并實時傳回平臺，供工作人員及時了解詳情［10］。

若數據異常現象繼續，且三個指標均超出設定的正常區間范圍，且持續時間＞設定值，則平臺算法程序自動判定該區域發生了火情，平臺將采取以下滅火措施：（1）平臺自動向數據異常區域所在的消防設施發出啟動信號，啟動設備進行滅火，如若戶外站的主變壓器發生火情，則啟動該主變配置的荷電泡沫噴霧滅火系統；（2）監控平臺同時向火情所在地的消防部門（119）發送火情告知訊息，以便消防人員及時采取必要措施。

若監控平臺發現某探測器的采樣數據長時間保持不變，則判定該探測器損壞或電池耗盡，需要維修或更換，平臺通過手機APP向相關負責人員發送訊息，以便及時采取措施。

3 結論

本研究針對當前110 kV及以下變電站消防設計嚴重不足的問題，提出了基于泛在電力物聯網的無人值守變電站的消防體系的構建思路，并給出了一種適用于110 kV及以下小型無人值守變電站的消防設計方案，并從物聯網式火災探測器及其布設、物聯網式消防設施及其布設以及電力物聯網智能消防監測管理平臺三個方面具體闡述了具體的實施方案，對未來該類變電站的消防設計具有重要的參考價值。