超高壓變電站智慧消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康建準(zhǔn) 楊浩 田蕊 盧曉光

摘 要：【目的】為了提高超高壓變電站火災(zāi)預(yù)警及消防能力，實(shí)現(xiàn)變電站由傳統(tǒng)消防向智慧消防的轉(zhuǎn)變?！痉椒ā勘狙芯客ㄟ^現(xiàn)代通信技術(shù)和智能算法與傳統(tǒng)消防設(shè)備的結(jié)合，為智慧消防信息共享與協(xié)調(diào)消防提供平臺支持。然后通過構(gòu)建不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)概率矩陣，為監(jiān)測、滅火力量的合理布局及滅火算法的制定提供依據(jù)。最后對典型區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)處理算法及智能運(yùn)算過程進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)消防監(jiān)測、判斷、執(zhí)行的多級協(xié)調(diào)、信息融合，構(gòu)建分級智慧防控的自動(dòng)化消防系統(tǒng)。【結(jié)果】通過對系統(tǒng)進(jìn)行評估，結(jié)果表明，智慧消防系統(tǒng)初級火情處置時(shí)間在10 s級，判斷準(zhǔn)確率達(dá)100%。【結(jié)論】智慧消防系統(tǒng)對火災(zāi)隱患預(yù)警能力、隱患及時(shí)處置能力及預(yù)警準(zhǔn)確度都有顯著的提升。

關(guān)鍵詞：智慧消防；巡檢機(jī)器人；風(fēng)險(xiǎn)概率矩陣；多傳感器數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：TP393；X932；TM08? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)運(yùn)行中處于樞紐地位［1］，變電站的安全運(yùn)行將直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是事關(guān)國計(jì)民生的重大事項(xiàng)［2-3］，因而變電站消防系統(tǒng)的建設(shè)是保證變電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然變電站消防系統(tǒng)已朝著網(wǎng)絡(luò)化、無人值守化、系統(tǒng)管理化和智慧物聯(lián)化的方向發(fā)展［4-7］，但目前還有很多無人值守的變（配）電站內(nèi)沒有配備必要的消防設(shè)施［8-10］，根本無法及時(shí)進(jìn)行滅火。有些變（配）電站內(nèi)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(tǒng)的錯(cuò)誤做法。這樣的配置是不科學(xué)的，甚至?xí)跍缁饡r(shí)傷及人員，給配電設(shè)備造成不可挽回的二次破壞。

為了實(shí)現(xiàn)變電站消防系統(tǒng)向智慧消防的轉(zhuǎn)型。首先，以萬物互聯(lián)為設(shè)計(jì)理念，嘗試搭建整個(gè)消防站設(shè)備互聯(lián)互通的一體化管理系統(tǒng)，充分運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)，與消防業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，構(gòu)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(qū)域的消防設(shè)備的合理配置方案進(jìn)行研究，嘗試對現(xiàn)有消防力量進(jìn)行科學(xué)布局及合理控制。最后，從細(xì)節(jié)入手，研究典型區(qū)域的具體控制細(xì)節(jié)、設(shè)備動(dòng)作過程、平臺運(yùn)算中心與就地邊緣設(shè)備協(xié)同工作的過程。最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)隱患早排除、火災(zāi)火情早阻斷的目的，從而確保變電站安全運(yùn)行。

1 智慧消防系統(tǒng)整體構(gòu)建

本研究通過綜合利用無線傳感、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，依托現(xiàn)有的有線、無線、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信設(shè)施，對變電場站內(nèi)的數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控設(shè)備、滅火設(shè)置進(jìn)行整合，從而形成整體的系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)、設(shè)施巡檢信息互通、消防設(shè)備管理一體化、數(shù)據(jù)分析智能化的超高壓變電站智慧消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)為四個(gè)層級立體互動(dòng)的系統(tǒng)，整體框架如圖1所示。

1.1 感知層

感知技術(shù)是變電站智慧消防系統(tǒng)建設(shè)中所用到的技術(shù)之一。感知技術(shù)依靠現(xiàn)代信息技術(shù)對信息采集層級進(jìn)行建設(shè)，憑借現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化感知能力，能對各個(gè)消防器械設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確識別，并對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和報(bào)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(shè)備信息的智能電力檢測裝置，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，構(gòu)建火災(zāi)隱患大數(shù)據(jù)分析庫，為平臺判斷火災(zāi)隱患提供依據(jù)。對于立體的消防監(jiān)測系統(tǒng)，感知層主要檢測煙霧濃度、可燃?xì)怏w含量、觀測物溫度、火焰大小等，并對監(jiān)測量值進(jìn)行邊緣設(shè)備計(jì)算、AI前置處理，從而完成就地分級信息的判斷、就地權(quán)限范圍內(nèi)的指令下發(fā)、重要信息上報(bào)、高層級指令接收及再下發(fā)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)，通過構(gòu)建系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，可及時(shí)傳輸變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)。特高壓變電站智慧消防網(wǎng)絡(luò)要考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈锢砜煽啃?、?shù)據(jù)安全性、布線局限性。故采用具有冗余能量的5G網(wǎng)絡(luò)+LoRa網(wǎng)關(guān)，并配合有線電力專網(wǎng)共同進(jìn)行組網(wǎng)，從而保證未布線區(qū)域的無線通信能力、火災(zāi)場景的通信冗余能力和數(shù)據(jù)的安全性。

1.3 平臺層

平臺技術(shù)主要是對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和使用，數(shù)據(jù)信息的分析、收集、處理、傳輸都是在該平臺上進(jìn)行的。依靠整個(gè)體系內(nèi)的消防物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺和大數(shù)據(jù)平臺的協(xié)同作用，才能實(shí)現(xiàn)良好的功能效果。在對平臺技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，其核心技術(shù)包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理技術(shù)等。平臺會(huì)建立一個(gè)歷史數(shù)據(jù)庫，用于分析電力設(shè)備的消防隱患，同時(shí)數(shù)據(jù)庫還支持消防應(yīng)用層邊緣設(shè)備調(diào)用數(shù)據(jù)。各種智慧算法（如火災(zāi)發(fā)展階段判別算法、火災(zāi)隱患判別算法等）都在平臺層進(jìn)行處理。平臺層會(huì)被建設(shè)成整個(gè)消防設(shè)備的運(yùn)算中樞，是整個(gè)智慧消防的指揮中心。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層作為消防執(zhí)行層，主要用于合理配置消防設(shè)置，接收平臺層的指令，完成監(jiān)測、檢測及滅火動(dòng)作。應(yīng)用層涵蓋了非智慧消防的所有消防設(shè)施及消防力量。在整個(gè)智慧消防系統(tǒng)中，應(yīng)用層設(shè)備要重新分配，并根據(jù)指示合理聯(lián)動(dòng)，在整個(gè)電站生命周期內(nèi)起作用，不僅要實(shí)現(xiàn)火災(zāi)來臨時(shí)的滅火功能，更重要的是在火災(zāi)初期，甚至未形成火災(zāi)時(shí)，通過適當(dāng)?shù)氖侄蝸碜柚够馂?zāi)的發(fā)生。

2 電站區(qū)域消防等級劃分及設(shè)備配置

智慧消防要精細(xì)化管理特高壓電站內(nèi)的每個(gè)消防設(shè)置，對整個(gè)消防體系內(nèi)的有限消防力量進(jìn)行最優(yōu)化布局［11］。因此，智慧消防系統(tǒng)的第二個(gè)構(gòu)建重點(diǎn)任務(wù)是對超高壓變電站消防的區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行系統(tǒng)劃分，為智慧消防系統(tǒng)提供風(fēng)險(xiǎn)等級識別標(biāo)識，同時(shí)為不同消防等級的區(qū)域配備與其相適應(yīng)的消防力量。這個(gè)過程即為對應(yīng)用層消防力量進(jìn)行合理化布置的過程。

2.1 消防區(qū)域劃分及火災(zāi)危險(xiǎn)度精確分類

在對超高壓變電站消防區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行劃分時(shí)，為不同等級的區(qū)域建立識別標(biāo)識，建立步驟如下。①識別目標(biāo)確定。包含特高壓電站整站的火災(zāi)目標(biāo)。②識別方法。根據(jù)電網(wǎng)特性和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行專家經(jīng)驗(yàn)判定，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分解分析的方法來確定危險(xiǎn)的等級。③識別資料搜集。主要搜集火災(zāi)相關(guān)資料和火災(zāi)造成財(cái)產(chǎn)損失及恢復(fù)難度影響的評估資料。④風(fēng)險(xiǎn)識別。以現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別，篩查出主要火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，提出預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的控制措施，總結(jié)出風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)的表現(xiàn)形式，從而優(yōu)化火災(zāi)防控力量的布局。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判定，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分解分析，可將電站按設(shè)備區(qū)域分解為三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。在智慧消防處理器識別的區(qū)域標(biāo)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(shù)字來代表最小層級。主要區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)層級表見表1。

在完成分區(qū)后，對不同區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，建立區(qū)域安全風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)，消防設(shè)備要根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)的特性進(jìn)行布局。智慧消防系統(tǒng)中端布局的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)是根據(jù)區(qū)域內(nèi)火災(zāi)易發(fā)生性和火災(zāi)發(fā)生后對生命財(cái)產(chǎn)的影響程度來構(gòu)建的?；馂?zāi)影響程度可用火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣來描述，從而更容易被智慧消防控制中心識別。

風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)矩陣是以火災(zāi)發(fā)生概率為橫軸、以火災(zāi)危害程度為縱軸來構(gòu)建二維表格，如圖2所示。其中，N為火災(zāi)不易發(fā)生且火災(zāi)危害最小的區(qū)域；L為火災(zāi)綜合影響次嚴(yán)重區(qū)域；M為火災(zāi)綜合影響中等嚴(yán)重區(qū)域；H為火災(zāi)綜合影響較嚴(yán)重區(qū)域；S為火災(zāi)綜合影響最嚴(yán)重區(qū)域，此區(qū)域要重點(diǎn)監(jiān)控，并配置最大量合適的消防力量。

其中，事故油池（Ac4）、戶內(nèi)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(qū)域，共同特征為有含油裝置或運(yùn)行發(fā)熱，火災(zāi)發(fā)生的概率高，火災(zāi)發(fā)生后，會(huì)導(dǎo)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(qū)、（500 kV以上）室外配電裝置區(qū)（Ba1）等發(fā)生火災(zāi)的概率高，發(fā)生火災(zāi)后同樣會(huì)導(dǎo)致輸電設(shè)備發(fā)生癱瘓，影響較大，劃歸為H區(qū)域。泵房等輔助房間（Ad6）火災(zāi)發(fā)生率較低，影響不太嚴(yán)重，但其安全運(yùn)行也是輸變電健康運(yùn)轉(zhuǎn)的保證，故將其歸為M區(qū)域。值班室、生活房等輔助房間發(fā)生火災(zāi)的概率較低，火災(zāi)呈現(xiàn)出單一性，對輸變電無較大的影響，但火災(zāi)有可能蔓延，引發(fā)其他區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，故將其歸為L區(qū)域。其他不易燃且獨(dú)立的區(qū)間可歸為M區(qū)域。

2.2 典型區(qū)域智慧消防終端布置方案

智慧消防方案是根據(jù)特高壓電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級的評定結(jié)果來布置消防設(shè)備。

2.2.1 S區(qū)域的消防布置方案。S區(qū)域均為帶油設(shè)備或發(fā)熱設(shè)備，是特高壓電站火災(zāi)最易發(fā)生的區(qū)域，且火災(zāi)發(fā)生后的危害最大。因此，該區(qū)域用于消防監(jiān)控、火災(zāi)撲救、通信冗余及就地邊緣設(shè)備智能化的設(shè)備是全站最高級別的。S區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)控配置有非接觸紅外溫度監(jiān)測器、火焰感光器、煙感傳感器、氣體成分監(jiān)測器等傳感設(shè)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(yùn)算分析中心以最高級別的算速返回設(shè)備動(dòng)作指令，從而完成火災(zāi)預(yù)警、判斷、滅火的全過程。S區(qū)域就地邊緣AI設(shè)備配置有火災(zāi)一級預(yù)警判斷算法、火災(zāi)初期識別的二級預(yù)警算法及就地控制火災(zāi)初期滅火設(shè)備的動(dòng)作權(quán)限。S區(qū)域配置有油乳化絕緣高壓帶電滅火系統(tǒng)。油乳化絕緣高壓帶電滅火系統(tǒng)的工作原理如下，水在強(qiáng)效霧化后，其絕緣特性要大于空氣的絕緣特性，同時(shí)配合油乳化絕緣滅火劑，對設(shè)備進(jìn)行覆蓋隔離、乳化阻隔，從而達(dá)到滅火效果。此設(shè)備可實(shí)現(xiàn)帶電滅火，對初期火情有很好的撲滅效果。故此設(shè)備的動(dòng)作權(quán)限可下放到就地邊緣AI設(shè)備，達(dá)到對初期火情的快速撲滅效果。同時(shí)，S區(qū)域配置有能廣泛覆蓋的噴淋滅火系統(tǒng)，可作為發(fā)生較大火災(zāi)后期的撲滅手段。將此滅火設(shè)備作為三級火情的滅火手段，權(quán)限在平臺運(yùn)算中心，只有在火災(zāi)嚴(yán)重且斷電后才能啟用。

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

根據(jù)區(qū)域的不同，滅火系統(tǒng)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(jìn)行滅火，由平臺運(yùn)算中心控制的泡沫滅火裝置進(jìn)行火災(zāi)中后控制。開放大區(qū)域的初期火情采用消防機(jī)器人自帶的阻燃彈進(jìn)行初期滅火處理，消防機(jī)器本身即為一個(gè)AI邊緣設(shè)備，具有處理初期火情的權(quán)限。中后期用消防機(jī)器人的水噴淋系統(tǒng)進(jìn)行滅火，消防機(jī)器人負(fù)責(zé)定位火源及噴頭伺服運(yùn)動(dòng)，消防供液裝置則負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定壓力的消防水源，整個(gè)噴淋權(quán)限歸平臺中央運(yùn)算器所有。重要開放區(qū)域配置的固定消防水噴淋系統(tǒng)由平臺中央運(yùn)算器發(fā)送噴淋指令進(jìn)行控制。

2.2.3 M區(qū)域、L區(qū)域及N區(qū)域的消防布置方案。M區(qū)域、L區(qū)域及N區(qū)域的滅火壓力相對較小，使用煙感探測器、環(huán)境溫度濕度監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。該設(shè)備采集到的信息通過平臺運(yùn)算中心進(jìn)行融合判斷，適時(shí)發(fā)出預(yù)警，指導(dǎo)火災(zāi)防控。此區(qū)域配備有水噴淋滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)在接收到平臺的控制指令后，統(tǒng)一進(jìn)行滅火。同時(shí)，局部配置有手提式滅火器，用于對工作室等區(qū)域的輔助滅火。此外，在空曠區(qū)域，智能滅火機(jī)器人可進(jìn)行常規(guī)巡檢，增強(qiáng)火災(zāi)信息探測及火災(zāi)初期的火情處理能力。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)配置了防感知系統(tǒng)，同時(shí)建立電站風(fēng)險(xiǎn)管控規(guī)則，使電站消防數(shù)據(jù)庫規(guī)則得以完善。根據(jù)消防管理手冊中的設(shè)備評估規(guī)則可知，布局前后消防設(shè)備有效利用率的評估得分提升20%以上，消防設(shè)備的消防效果評估提升最為明顯，可達(dá)50%以上。此項(xiàng)提升是基于有效消防設(shè)備挽回?fù)p失概率計(jì)算得到的。優(yōu)化布局能有效提高變電站的消防預(yù)警能力和火災(zāi)應(yīng)急處理速度，顯著降低變電站火災(zāi)危害產(chǎn)生的影響，提高電站的自動(dòng)化管理水平。

3 智慧消防檢測終端綜合判定實(shí)現(xiàn)

智慧消防對火災(zāi)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(zāi)感知能力，更重要的是在火災(zāi)初期，甚至是火災(zāi)隱患期就能發(fā)出預(yù)警，從而及早排除隱患。本研究以電站典型設(shè)備變壓設(shè)備火災(zāi)監(jiān)測的信號采集、處理及判斷過程為例，對智慧消防的火災(zāi)判斷預(yù)警過程進(jìn)行研究。

3.1 探測設(shè)備數(shù)據(jù)處理及預(yù)警算法制定

在變壓設(shè)備發(fā)生火災(zāi)后，先是溫度發(fā)生變化，其自身的可燃物及氣化后的可燃?xì)怏w燃燒都會(huì)導(dǎo)致溫度快速升高，故溫度變化趨勢及溫度數(shù)值是火災(zāi)判斷的重點(diǎn)和采集的關(guān)鍵量。燃燒初、中期會(huì)產(chǎn)生濃度不等的煙霧，增加煙霧傳感器會(huì)使火災(zāi)判斷的確定性得以加強(qiáng)。在煙霧濃度達(dá)到一定程度后，明火也會(huì)隨之出現(xiàn)，監(jiān)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(shè)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(shè)備周圍3 m內(nèi)。變電設(shè)備的火災(zāi)探測容忍參數(shù)見表2。

由于變電設(shè)備的附近是強(qiáng)磁場環(huán)境，探測信號容易受到電磁場的干擾，產(chǎn)生尖脈沖干擾信號，采集器要對信號進(jìn)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?zhèn)鞲衅鞯牟蓸宇l率為10 Hz。數(shù)據(jù)的處理算法是在N個(gè)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)中，剔除最大最小值，只保留（N-2）個(gè)有效數(shù)據(jù)，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?zhèn)鞲衅魅為10。此時(shí)，有效溫度數(shù)據(jù)輸出頻率為0.2 Hz，而煙霧及火焰數(shù)據(jù)輸出頻率為1 Hz。

為得到采集信號的變化率，通過滑動(dòng)加窗均值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。輸出數(shù)據(jù)Ai進(jìn)入時(shí)長為5×M×T s的滑動(dòng)時(shí)間窗，然后對時(shí)間窗口內(nèi)的前M個(gè)數(shù)據(jù)及后M個(gè)數(shù)據(jù)求取平均值，得到均值H1和H2，見式（1）、式（2）。而參數(shù)變化率ΔH的計(jì)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(shù)據(jù)長度，溫度變量取2，煙霧及火焰參數(shù)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(jìn)入滑動(dòng)加窗均值處理器函數(shù)的時(shí)序處理數(shù)據(jù)；H1和H2為局部數(shù)據(jù)均值。

根據(jù)變電設(shè)備工作溫度的范圍特性，可制定參數(shù)異常時(shí)的變電設(shè)備智慧預(yù)警識別規(guī)則。根據(jù)實(shí)際情況，來規(guī)劃變電設(shè)備三級防控預(yù)警方案。

預(yù)警檢測級。當(dāng)條件a（設(shè)備溫度高于50 °C）、b（煙霧濃度達(dá)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(gè)條件發(fā)生時(shí)，即認(rèn)為具有火災(zāi)隱患，需要設(shè)備協(xié)查。

初期火情級。當(dāng)滿足條件e（火焰?zhèn)鞲衅髯兓蚀笥?.5 V/s）時(shí)，火災(zāi)已經(jīng)形成征兆，起動(dòng)滅火初級預(yù)案。初級預(yù)案的升級和解除方案可參考溫度和煙霧傳感數(shù)據(jù)，當(dāng)條件a、b、c、d全都不滿足時(shí)，則認(rèn)為火焰?zhèn)鞲衅髡`報(bào)，解除初步控制動(dòng)作，將所有故障上傳平臺運(yùn)算中心，平臺運(yùn)算中心具有D-S融合火災(zāi)判斷算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)預(yù)測算法等高級運(yùn)算邏輯，能實(shí)現(xiàn)智能判斷。如果火災(zāi)初級預(yù)案不能消除，則發(fā)出初級滅火控制指令，在權(quán)限范圍內(nèi)啟動(dòng)局部無損火情控制設(shè)備，用于控制火情。

火災(zāi)消防級。此級別的火災(zāi)消防是由探測設(shè)備上傳探測數(shù)據(jù)到后臺運(yùn)算中心，經(jīng)大數(shù)據(jù)智能化運(yùn)算后，得到確切火災(zāi)的結(jié)論，然后通過統(tǒng)一協(xié)調(diào)各種消防設(shè)備來進(jìn)行有序滅火，并上報(bào)火情的過程。

3.2 就近邊緣設(shè)備與平臺層的協(xié)同工作過程

就近邊緣設(shè)備作為設(shè)備層智能的處理裝置，發(fā)揮就近控制、快速穩(wěn)定的作用，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)初期處理、初級預(yù)判及自身權(quán)限范圍內(nèi)初級火情快速控制指令下發(fā)的功能。同時(shí)，其自帶的智能通信網(wǎng)格能上傳采集數(shù)據(jù)，接收平臺控制指令，并嚴(yán)格執(zhí)行指令。

平臺數(shù)據(jù)處理中心處理數(shù)據(jù)結(jié)果的速度沒邊緣設(shè)備快，但其能利用大數(shù)據(jù)及先進(jìn)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合判斷，結(jié)論準(zhǔn)確度高，并負(fù)責(zé)整場協(xié)同，是火災(zāi)消防的最終決策中心。

以變電設(shè)備為例，細(xì)節(jié)處理過程如下，邊緣設(shè)備通過各種傳感設(shè)備采集火情數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行處理。如果某個(gè)監(jiān)測信號觸發(fā)一級報(bào)警，則發(fā)預(yù)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(fā)二級預(yù)警，邊緣設(shè)備將發(fā)送預(yù)警信號給平臺后等待10 s，給平臺提供高級指令的反饋時(shí)間，并起動(dòng)自身權(quán)限的初期火情滅火準(zhǔn)備工作，當(dāng)10 s等待時(shí)間過后，如果沒有接收到平臺指令，則啟動(dòng)初期滅火設(shè)備滅火，并觸發(fā)聲光報(bào)警系統(tǒng)。如果接收到平臺指令，則執(zhí)行平臺指令。10 s內(nèi)平臺層可判斷是否誤報(bào)，從而決定是否取消滅火系統(tǒng)開啟。

3.3 終端綜合判斷效果評估

利用火災(zāi)模擬場對滅火裝置的響應(yīng)過程進(jìn)行測試試驗(yàn)，從而獲取不同火情等級預(yù)警時(shí)間及撲滅效果的評價(jià)數(shù)據(jù)。因電站火災(zāi)事故的案例極少，而超高壓電站不能用于試驗(yàn)，所有評估結(jié)論都是基于模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)系統(tǒng)評估分析后，該智慧消防算法可使火災(zāi)隱患提前發(fā)現(xiàn)率由95%提升到99%，初期火情處置時(shí)間由分鐘級提升到10 s級，協(xié)同工作可完全避免不必要的全覆蓋滅火開啟指令，同時(shí)平臺的全覆蓋滅火開啟正確率達(dá)100%。

4 結(jié)語

本研究通過設(shè)計(jì)消防感知、通信、運(yùn)算及執(zhí)行四層級消防體系的搭建方案，對變電站智慧消防體系進(jìn)行構(gòu)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(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率的評估，并建立風(fēng)險(xiǎn)概率矩陣，形成典型區(qū)域智能消防終端布置方案，為變電站消防監(jiān)測及滅火算法制定提供依據(jù)。對典型區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算過程進(jìn)行研究，來完成智慧消防系統(tǒng)的構(gòu)建。智慧消防系統(tǒng)能有效提升火災(zāi)的早期探測預(yù)警能力和及時(shí)滅火能力。

參考文獻(xiàn)：

［1］程楠，劉鐘，張紅梅，等.基于大數(shù)據(jù)的變電站消防系統(tǒng)研究及應(yīng)用［J］.電力安全技術(shù)，2020（8）：42-45.

［2］王靜.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防員定位系統(tǒng)研究［D］.西安：陜西科技大學(xué)，2018.

［3］陳炳華，劉辛裔，岳雷剛，等.基于多信息融合算法的變電站消防監(jiān)測［J］.自動(dòng)化與儀表，2021（11）：57-61，83.

［4］劉東波.高層建筑火災(zāi)撲救的制約因素及改進(jìn)措施［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2017（8）：1129-1131.

［5］王德文，閻春雨.變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的一體化建模與模型維護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013（23）：78-82，113.

［6］李明，李娟，金子惠.基于SF6氣體分解產(chǎn)物測試的電氣設(shè)備故障診斷分析［J］.高壓電器，2014（3）：133-137.

［7］俞璋莉.智能變壓器一體化在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)（北京），2016.

［8］戴晨蓉，陳光，朱博，等.室外變壓器火災(zāi)燃燒特性全尺度實(shí)驗(yàn)研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2020（3）：318-321.

［9］陳慶偉，謝丹，洪偉藝，等.變電站內(nèi)油浸變壓器智能滅火裝置開發(fā)［J］.消防設(shè)備研究，2022，41（4）：533-537.

［10］FANG J，YUAN H Y.Experimental measurements，integral modeling and smoke detection of early fire in thermally stratified environments［J］.Fire Safety Journal，2007，42（1）：11-24.