電力專用消防裝置研制及體系研究技術(shù)

鄒洪森　趙欣洋　李寧　楊晨　馬瑞

[摘 ? ?要]消防設(shè)施是電力系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，關(guān)乎電網(wǎng)運(yùn)行安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著我國電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展、特高壓建設(shè)和綜合自動化變電站改造工作步伐的不斷推進(jìn)，消防設(shè)施和消防工作的重要性日益凸顯。對此，本文設(shè)計(jì)了一種電力專用消防裝置，具體介紹了該裝置的整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方案，分析了該裝置的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，總結(jié)了本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，提出了實(shí)際研制過程中需解決的主要問題與具體應(yīng)用情況，以期有助于人們進(jìn)一步了解該裝置，進(jìn)而更好的推廣應(yīng)用該裝置。

[關(guān)鍵詞]消防裝置;整體架構(gòu);實(shí)現(xiàn)方案;創(chuàng)新點(diǎn)

[中圖分類號]TU998.1;D631.6 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

Development and System Research Technology of Electric Power

Special Fire Fighting Equipment

Zou Hong-sen， Zhao Xin-yang， Li Ning， Yang Chen， Ma Rui

[Abstract]Fire fighting equipment is an important guarantee for the safe and stable operation of power system equipment and facilities， which is related to the operation safety of power grid and the safety of people's life and property.With the rapid development of China's power grid system， the construction of ultra-high voltage and the continuous improvement of integrated automation substation， the importance of fire-fighting facilities and fire-fighting work has become increasingly prominent.In this regard， this paper designs a special power fire-fighting device， specifically introduces the overall structure and implementation scheme of the device， analyzes the software architecture design of the device， summarizes the main innovation points of the design， and puts forward the main problems to be solved in the actual development process and the specific application situation， so as to help people to further understand the device， and then better promote the application The device.

[Keywords]fire fighting equipment; overall structure; implementation scheme; innovation point

1 ?整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

電力專用消防裝置研制由主機(jī)和子機(jī)構(gòu)成電力消防報(bào)警系統(tǒng)由主機(jī)和子機(jī)構(gòu)成。通過光纖數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，主機(jī)接收各區(qū)域保護(hù)智能子機(jī)采樣信息，包括火災(zāi)信息、動作信息、開關(guān)位置、電壓電流信息、火災(zāi)傳感器測量值等。主機(jī)完成火災(zāi)邏輯判斷處理后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)向各子機(jī)發(fā)送動作命令，子機(jī)接收到主機(jī)的動作命令，通過自身動作接點(diǎn)完成固定滅火系統(tǒng)消防功能如圖1所示。

2 ?整體實(shí)現(xiàn)方案

電力系統(tǒng)專用消防控制系統(tǒng)主機(jī)、子機(jī)、新型消防傳感器、消防動作裝置等構(gòu)成。通過光纖數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，主機(jī)接收各區(qū)域保護(hù)消防子機(jī)的采樣信息，包括火災(zāi)信息、動作信息、開關(guān)位置、電壓電流信息、火災(zāi)傳感器測量值等。主機(jī)完成火災(zāi)邏輯判斷處理后通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)向各子機(jī)發(fā)送動作命令，子機(jī)接收到主機(jī)的動作命令，通過自身動作接點(diǎn)完成固定滅火系統(tǒng)消防功能。同時(shí)，主機(jī)通過modbus、硬接點(diǎn)等通訊協(xié)議或方式采集其他消防兼容產(chǎn)品的信息，整體納入消防控制體系，就地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)顯示，并實(shí)現(xiàn)將信號傳送至運(yùn)行人員控制后臺及現(xiàn)場輔助/專用火災(zāi)顯示后臺的功能。同時(shí)，采用IEC61850協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)接入智能變電站的功能，圖2為電力系統(tǒng)專用消防控制系統(tǒng)圖。

電力系統(tǒng)專用消防控制系統(tǒng)配置若干個(gè)消防子機(jī)裝置，消防子機(jī)裝置一般按設(shè)備或按區(qū)域來合理配置。如每臺換流變或每臺主變配置一臺消防子機(jī)裝置，或者在每個(gè)閥廳、每段電纜溝道配置一臺消防子機(jī)裝置。

消防子機(jī)裝置通過硬接點(diǎn)方式跟紅外火焰探測器、紫外火焰探測器、消防感溫電纜等消防傳感器通信，采集消防傳感器的告警和故障信息，并通過光纖環(huán)網(wǎng)通信方式將這些信息發(fā)送至消防主機(jī)。每個(gè)消防子機(jī)裝置所配置的消防傳感器的數(shù)量和類型根據(jù)實(shí)際情況確定，同時(shí)也送消防子機(jī)裝置的開出和開入接點(diǎn)數(shù)量限制。

3 ?裝置的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)原則，結(jié)合裝置硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，電力專用消防裝置整體軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο笈c結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的思想，在宏觀分析與實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的時(shí)采用面向?qū)ο笏枷爰夹g(shù)，在中間功能拆分實(shí)現(xiàn)的時(shí)候采用結(jié)構(gòu)化思想進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)和劃分。平臺與保護(hù)分離，實(shí)現(xiàn)軟件可擴(kuò)展性，高實(shí)時(shí)性，可復(fù)用性。

軟件按照組件式可視化進(jìn)行組織，其功能實(shí)現(xiàn)軟件包括初始化、模擬量采集、定時(shí)中斷以及實(shí)時(shí)任務(wù)等四個(gè)部分。

（1）初始化過程完成對保護(hù)硬件的初始化以及配置參數(shù)的讀取校驗(yàn)等，對于在模擬量采集中運(yùn)行的組件，其初始化過程也在這里調(diào)用。對于任務(wù)方式運(yùn)行的組件，其與全局相關(guān)的初始化在這里調(diào)用，非全局相關(guān)的初始化則在任務(wù)內(nèi)部進(jìn)行初始化。

（2）模擬量采集用于運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間要求特別敏感的組件，主要是實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的各保護(hù)組件，模擬量采集的優(yōu)先級為最高的。模擬量采集采用每周波（50 Hz）20點(diǎn)或40點(diǎn)的中斷頻率固定運(yùn)行，主要完成采樣、計(jì)算、開入、出口等。

（3）定時(shí)中斷用于運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間要求敏感、周期性強(qiáng)的功能組件，如指示燈閃爍、GPS對時(shí)、看門狗處理、按鍵采樣等;其優(yōu)先級次之。

（4）實(shí)時(shí)任務(wù)用于運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間要求不特別敏感的功能組件，可以被中斷程序中斷。主要完成顯示、打印、通信、參數(shù)檢查、記錄存儲等。不同功能的任務(wù)之間，其優(yōu)先級略有差異。

整體軟件架構(gòu)如下圖3所示，軟件可分為主程序和中斷程序兩大部分。

4 ?本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）基于光纖分布式I/O體系的多模擬量、數(shù)字量實(shí)現(xiàn)變電站消防體系，提高可靠性、智能化和抗干擾能力，具備廣泛的系統(tǒng)兼容能力，具備接入智能變電站的能力基于多模擬量、多數(shù)字量的消防動作邏輯，大幅度提高消防動作可靠性，可有效防止誤動和提高固定消防滅火裝置的動作以變壓器消防保護(hù)邏輯為例，其實(shí)現(xiàn)過程如下：

①在變壓器范圍內(nèi)部署2個(gè)感溫電纜傳感器和x個(gè)紅外探頭傳感器。

②以上所有配置的消防傳感器開關(guān)量動作信號均作為輸入信號輸入變壓器火災(zāi)保護(hù)判斷邏輯。如果某個(gè)消防傳感器動作即輸出為“1”，否則輸出為“0”。

③變壓器火災(zāi)保護(hù)判斷邏輯執(zhí)行X取n表決邏輯，X為輸入的消防傳感器的總個(gè)數(shù)，如果這X個(gè)消防傳感器中動作的個(gè)數(shù)大于等于n，即至少有n個(gè)消防傳感器輸出信號為“1”，這火災(zāi)動作的信號輸出信號動作，即輸出信號為“1”。

④變壓器火災(zāi)保護(hù)判斷邏輯實(shí)時(shí)采集電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流的模擬量信號，同時(shí)對輸入的模擬量信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和有效值計(jì)算。

⑤變壓器火災(zāi)保護(hù)判斷邏輯對輸入的火災(zāi)動作信號、開關(guān)分位信號、電壓及電流信號進(jìn)行綜合判斷，最終得出保護(hù)動作邏輯值。

（2）基于變電站110 V/220VDC直流電源體系實(shí)現(xiàn)消防裝置及探測元件供電。針對傳統(tǒng)消防系統(tǒng)采用24VDC電源作為告警主機(jī)、感溫電纜控制電源存在的諸多隱患，提出供電電源采用110 V/220 VDC進(jìn)行供電，并對分布式I/O結(jié)構(gòu)、分布、實(shí)施等開展研究，使告警、動作信號不需擴(kuò)展，以滿足系統(tǒng)可靠性要求。

（3）基于IEC61850的變電站消防探測及控制信息模型，實(shí)現(xiàn)智能變電站控制系統(tǒng)接入方案?，F(xiàn)有智能變電站廣泛采用ICE61850通訊協(xié)議，通訊介質(zhì)普遍采用光纖，針對傳統(tǒng)消防系統(tǒng)不滿足智能站接入要求，開展基于IEC61850的變電站消防探測及控制信息模型研究，對其接入?yún)f(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備接入智能站能力。

5 ?研制過程中解決的主要問題

5.1 ?子機(jī)硬件平臺的研制

硬件平臺性能的高低以及外圍接頭的分成成都，很大程度上決定了消防子機(jī)的性能和信息實(shí)時(shí)采集的能力。電力專用消防子機(jī)裝置的主控單元采用獨(dú)立的CPU，負(fù)責(zé)控制其他各個(gè)單元的工作狀態(tài)、從其他各個(gè)單元獲取相關(guān)信息并經(jīng)處理后交由通信單元發(fā)送，接收通信單元發(fā)來的信息并做相應(yīng)的處理。主控CPU采用32位ARM芯片，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)可靠，便于維護(hù)和升級，具有很強(qiáng)的兼容性。消防子機(jī)的硬件平均具有豐富的外圍接口，可以支持多種消防傳感器同時(shí)接入，同時(shí)支持多模電壓電流模擬量的同時(shí)采集。

5.2 ?基于多模擬量、數(shù)字量的消防判斷邏輯的實(shí)現(xiàn)

目前的消防系統(tǒng)一般僅根據(jù)消防傳感器的告警信號和變壓器開關(guān)量信號來作為消防動作的判斷邏輯的輸入信號。由于消防傳感器的告警信號和變壓器開關(guān)量信號相對容易受干擾，容易導(dǎo)致消防設(shè)備誤動作，進(jìn)而導(dǎo)致主輔設(shè)備停運(yùn)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因而有必要進(jìn)一步改進(jìn)電纜火災(zāi)保護(hù)判斷邏輯，一是要引入多種消防傳感器的X取n表決邏輯判斷，防止單一傳感器誤動，二是要引入基于電壓、電流模擬量智能化判別，排除僅依靠動作“接點(diǎn)”的數(shù)字量判斷邏輯和信號，提高防誤動能力。

5.3 ?產(chǎn)品完善及應(yīng)用情況

“電力專用消防裝置及體系研究”成果消防子機(jī)裝置已通過國家繼電保護(hù)及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（開普實(shí)驗(yàn)室）的測試，本系統(tǒng)已在銀川東換流站實(shí)際投運(yùn)，作為換流變消防的補(bǔ)充措施。

6 ?結(jié)束語

“電力專用消防裝置及體系研究”的成果對于提高消防邏輯判斷的可靠性，提高電力系統(tǒng)用消防傳感器的可靠性，提高消防系統(tǒng)的可觀性都有較大的幫助。可以先作為現(xiàn)有消防系統(tǒng)的補(bǔ)充同時(shí)投運(yùn)，進(jìn)一步提高換流站和變電站的消防能力。后續(xù)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)一步完善和推廣。

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