賈建華 趙小明 榮 華

（聞喜縣宏偉風力發(fā)電有限公司）

0 引言

近年來，無論是風電場升壓站還是變電站火災事件常有發(fā)生，而風電場升壓站站內電氣設備基本全部是帶電運行，尤其是類似電纜線路夾層、隧道、配電室區(qū)域，基本全部屬于火災隱患頻發(fā)區(qū)域，如不對風電場升壓站內較為封閉的區(qū)域采取相應的監(jiān)測，一旦區(qū)域內出現(xiàn)明火時，伴隨著封閉環(huán)境內的電力系統(tǒng)裝置及其相關配件的運行，基本上對該區(qū)域內電力系統(tǒng)相關監(jiān)測裝置都會出現(xiàn)致命打擊。因此，對升壓站站內一定區(qū)域內或者其它電力系統(tǒng)相關配件較為密集的區(qū)域進行火災隱患預警監(jiān)測顯得至關重要。

風電成為實現(xiàn)“雙碳”目標的重要新型清潔能源，隨著平價上網(wǎng)越發(fā)普及，對于風電場集電線路供電安全的需求越來越高，國家就環(huán)境監(jiān)測、建筑設計、火災自動報警系統(tǒng)發(fā)布了相關國家規(guī)范以及技術規(guī)范，旨在通過對環(huán)境指標監(jiān)測、建筑監(jiān)測通過監(jiān)測此類指標，對異常參數(shù)進行主動預警，從而對改善環(huán)境建設，規(guī)范化建筑指標，從而減少不必要的火災的發(fā)生。尤其針對于我國輸配電線路變電站及風電場升壓站站內狹小空間的監(jiān)測，就火力發(fā)電方向《火力發(fā)電廠與變電站設計防火標準中》明確提出變電站及風電場升壓站內各個建筑空間內監(jiān)測傳感裝置采集信號的方式；就電化學儲能電站設計規(guī)范中明確提出電池室內應配置感煙裝置且需要對空氣中可燃氣體的含量進行主動預警；國家電網(wǎng)公司文件中國家電網(wǎng)運檢［2016］1152號文件第19條中明確規(guī)定隧道內應設置消防報警裝置以及氣體監(jiān)測裝置。

針對上述國家標準以及規(guī)范中提及的監(jiān)測方案，主要為提高風電場升壓站站內設備安全穩(wěn)定運行，提升供電安全可靠性，文本針對于現(xiàn)階段風電場升壓站站內監(jiān)測難題以及相應的監(jiān)測技術規(guī)范以及技術標準研發(fā)出一種智能風電場升壓站站內火災預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過在線式監(jiān)測風電場升壓站站內空氣中固態(tài)微觀粒子數(shù)量進而實現(xiàn)火災預警，從而在火災發(fā)生前提前預警故障，保證風電場升壓站站內設備以及電纜線路的安全穩(wěn)定運行。

1 風電場升壓站火災預警系統(tǒng)簡介

風電場升壓站站內火災預警系統(tǒng)包括安裝于站內的火災預警終端、通訊系統(tǒng)、主站系統(tǒng)；火災預警終端該監(jiān)測終端負責采集風電場升壓站站內相關參數(shù)；通訊系統(tǒng)將終端現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸給主站系統(tǒng)；主站系統(tǒng)對現(xiàn)場終端采集的數(shù)據(jù)進行分析，處理對存在火災隱患的區(qū)域進行主動預警，從而實現(xiàn)風電場升壓站站內高含量粒子的報警。

1.1 預警裝置

智能風電場升壓站站內火災監(jiān)測裝置一般情況下安裝于電氣設備較為集中的場所，監(jiān)測裝置分為主機和傳感系統(tǒng)，主機直接懸掛于室內開闊墻壁面上，監(jiān)測裝置采用膨脹螺絲直接懸掛于墻壁面，裝置采用220V 市電直接供電，在對該設備電源設計時因保留單一電路防止該電路中由于負荷過大造成跳閘而導致監(jiān)測終端無法使用，而傳感系統(tǒng)依據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)變化而變化，類似于GIS氣體監(jiān)測，由于被監(jiān)測氣體密度大于空氣，因此當GIS出現(xiàn)氣體泄漏時，氣體首先貼近于地面，因此傳感系統(tǒng)安裝位置略低于GIS 柜體，從而快速實現(xiàn)泄漏氣體的監(jiān)測。當監(jiān)測空間內狹小時，類似于綜合管廊、隧道、電纜夾層該類位置時，傳感裝置靠近電纜接頭等重要待監(jiān)測區(qū)域，從而實現(xiàn)狹小空間的監(jiān)測，總之對于監(jiān)測裝置以及傳感裝置的安裝位置必須依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境以及待監(jiān)測參數(shù)進行綜合評定安裝位置，圖1 所示為智能風電場升壓站站內火災監(jiān)測裝置實物圖。

圖1 智能風電場升壓站站內火災監(jiān)測裝置實物圖

1.2 通訊系統(tǒng)

智能風電場升壓站火災監(jiān)測裝置通過主機內置的通訊卡，采用4G 或者APN 專網(wǎng)進行無線通訊，在傳感裝置采集了相應的數(shù)據(jù)后，裝置將數(shù)據(jù)打包采用上述通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至主站系統(tǒng)，同時在上位機上可遠程對安裝在現(xiàn)場的監(jiān)測裝置進行指令傳輸，用以遠程監(jiān)測以及升級現(xiàn)場監(jiān)測終端，從而保證監(jiān)測終端的穩(wěn)定運行。

1.3 主站系統(tǒng)

現(xiàn)場終端采集風電場升壓站站內數(shù)據(jù)，進行站內數(shù)據(jù)分析，從而對異常數(shù)據(jù)進行主動分析以及預警，主站系統(tǒng)包含了監(jiān)測中心系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)、遠程監(jiān)控云端系統(tǒng)，系統(tǒng)間相互配合，用于分析，預警從而實現(xiàn)了配電房火災預警監(jiān)測，圖2 所示為主站系統(tǒng)主要功能分布圖。

圖2 主站系統(tǒng)主要功能分布圖

2 風電場升壓站站內火災預警系統(tǒng)功能設計

風電場升壓站站內火災預警系統(tǒng)主要包含了前端監(jiān)測裝置的設計以及后臺服務端的設計，以及后臺的服務端設計，前端裝置的設計主要采用模塊化設計，共包含了5 個方面的細化模塊，每個模塊功能各不相同，共同協(xié)作保證了監(jiān)測裝置的正常運行。

2.1 監(jiān)測裝置設計

前端的監(jiān)測裝置包括采集傳感模塊、系統(tǒng)自檢、主板監(jiān)測、監(jiān)測指標預警、遠程啟程，上述模塊間相互配合使用，當待測區(qū)域出現(xiàn)異常情況時，快速預警，將風電場升壓站內火災扼殺在搖籃之中，圖3 所示為前端監(jiān)測裝置的模塊化系統(tǒng)以及模塊的細化功能。

圖3 前端模塊以及其功能

智能風電場升壓站火災預警監(jiān)測裝置中采集傳感模塊可依據(jù)現(xiàn)場待監(jiān)測參數(shù)進行整定，一般情況下環(huán)境因素比如溫度、濕度是必須采集的，可根據(jù)應用環(huán)境選擇性的對氣體密度、微粒子數(shù)量進行采集從而實現(xiàn)采集傳感模塊的功能需求。

監(jiān)測裝置系統(tǒng)自檢模塊，該模塊主要細分功能為一鍵檢測功能和一鍵修復功能，當監(jiān)測裝置出現(xiàn)數(shù)據(jù)卡包或者其它原因導致裝置死機時可采用此模塊進行檢測監(jiān)測裝置本身是否存在異常情況以及異常情況主動修復。

主板監(jiān)測模塊包括對監(jiān)測主板的狀態(tài)監(jiān)測功能以及超限告警功能，系統(tǒng)中出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常以及告警出現(xiàn)誤報的情況時，系統(tǒng)自動告警。

監(jiān)測指標預警，此處為后臺系統(tǒng)的主要功能需求，首先對采集的遠程數(shù)據(jù)進行報文解析、報文管理，對采集數(shù)據(jù)情況進行分析防止出現(xiàn)報文數(shù)據(jù)丟包的情況，同時對正常上報的報文數(shù)據(jù)進行自動計算，同時若出現(xiàn)誤報的情況時主動屏蔽系統(tǒng)中的采集數(shù)據(jù)的誤報情況，同時對于系統(tǒng)中采集的風電場升壓站數(shù)據(jù)可能存在的隱患情況進行主動上報。

遠程啟停功能，該監(jiān)測裝置通訊主板不是實時在線，當監(jiān)測裝置出現(xiàn)死機或者其它情況時，可以遠程進行監(jiān)測裝置的一鍵啟停。

2.2 后臺服務端設計

后臺的服務端設計只要包括數(shù)據(jù)查看、隱患告警兩個模塊。數(shù)據(jù)查看是指當服務器把監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)進行自動解析分析，系統(tǒng)通過多方面因素進行綜合判定，類似環(huán)境因素急劇變化，或者監(jiān)測微粒子數(shù)量超過某一閥值，從而進行判定風電場升壓站站內系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況，在系統(tǒng)進行判定了出現(xiàn)異常情況時，此時隱患告警系統(tǒng)開始啟動，人工對監(jiān)測系統(tǒng)主動預警的數(shù)據(jù)進行查看分析，進行實現(xiàn)隱患告警，講告警信息主動發(fā)送到指定的聯(lián)系方式處，同時對于異常數(shù)據(jù)情況進行特征數(shù)據(jù)提取，建立異常狀況隱患數(shù)據(jù)庫，在多次積累數(shù)據(jù)后可主動進行異常情況預警，從而實現(xiàn)系統(tǒng)自動預警，可快速實現(xiàn)風電場升壓站站內隱患預警，進而解決風電場升壓站站內待監(jiān)測區(qū)域的隱患或者故障情況。

3 火災預警裝置主要技術

該火災預警系統(tǒng)的主要監(jiān)測量為配電房有限面積內的氣體含量成分，之后結合環(huán)境中采集的環(huán)境參數(shù)進行綜合隱患判定，系統(tǒng)中氣體智能識別算法位于上位機中，監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)上傳后，上位機對采集數(shù)據(jù)進行分析計算預警，圖4 所示為該算法處理流程。

圖4 算法處理流程

圖4 所示為該算法識別流程，首先對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)濾波，該處主要為一系列的數(shù)字濾波器，該處濾波主要方便識別火災預警監(jiān)測裝置中采集的氣體含量的譜峰數(shù)據(jù)；之后對該濾波出來的譜峰數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的預處理，預處理的過程中為本地算法，該算法進行譜峰的特征值識別，當特征值達到閾值和閥值后進行主動的預警，如下所示為該算法整體流程。

① 初始化采集數(shù)據(jù)，首先對監(jiān)測裝置采集的原始數(shù)據(jù)進行首次濾波處理，該處濾波器濾波函數(shù)為高斯濾波器，此處旨在抑制正態(tài)分布噪聲：

式中，n為采樣點數(shù)，i為序列號，yk+i為原始采集信號函數(shù)，Zk為經過該模型后輸出的函數(shù)參量。

② 對經過高斯函數(shù)的處理后的數(shù)據(jù)在進行一次濾波處理，該處采用的濾波器為滑動平均濾波器，旨在保留數(shù)據(jù)的陡峭邊沿，從而輔助后續(xù)計算。

③ 在經過上述濾波函數(shù)處理之后，得到為的1*n的矩陣，對該矩陣進行移動和掃描標識，采用矩陣滑動窗口的形式進行數(shù)據(jù)的選取，選取的信號分別為Pi，Pi+1，對以選中的數(shù)據(jù)進行移動標識處理，從而得到新的矩陣，該矩陣為1*（n- 1）的矩陣，其中矩陣中的數(shù)據(jù)標識為Qi，則Qi為：

式中，M、N 分別為系統(tǒng)設定的閾值和閥值，當滿足Pi+1-Pi＞M時，此時系統(tǒng)矩陣Qi輸出為1，當滿足Pi+1-Pi＜N時，此時系統(tǒng)的輸出為-1，當上述兩個式子都不滿足時，此時輸出的為0，此時得到為1 個1*（n- 2）矩陣。

④ 以該矩陣的采樣點為橫軸，以輸出的Qi的值為縱軸，進行畫線，當連續(xù)劃線超過100 個值為1 時判定該系統(tǒng)中出現(xiàn)火災隱患，否則判定待監(jiān)測區(qū)域正常。

⑤ 綜合系統(tǒng)監(jiān)測裝置采集的溫度以及濕度計算，減少系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的誤報、漏報的可能性。

4 結束語

對于電力系統(tǒng)配電室狹小空間內電氣設備較為集中區(qū)域，火災監(jiān)測勢在必行，有效科學的監(jiān)測可實現(xiàn)隱患的早發(fā)現(xiàn)、早清除，減少不必要的火災造成的惡劣的社會影響。智能風電場升壓站站內火災預警系統(tǒng)采用現(xiàn)場終端配合服務器云計算的形式，對采集的數(shù)據(jù)進行多次濾波，計算，結合譜峰識別算法，可在一定范圍內實現(xiàn)火災隱患的快速預警，不足之處該算法目前處于理論階段，待成熟應用之后可實現(xiàn)火災的穩(wěn)定預警。