基于高原風電場的智慧消防探討

1、基于高原風電場的智慧消防探討【摘要】高原風電場擁有機塔數(shù)量多、分布廣、相對距離遠、交通不便利等特點，傳統(tǒng)消防已不能滿足項目的需求。為了更好的對高原風電場進行實時的遠程火災監(jiān)控、滅火救援等，因此通過對項目需求的深入研究，設計了一套智慧消防產品解決方案，該方案采用分布式集群組網(wǎng)通訊技術，通過對風電機塔內火災自動報警系統(tǒng)控制器主機進行組網(wǎng)，設立智慧消防監(jiān)控中心，實現(xiàn)集中管理，分級控制的方式，對各機塔內的火災自動報警系統(tǒng)火災探測器的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對滅火裝置、消防聯(lián)動設備做出快速響應，實現(xiàn)預報警、早處理的防消結合指導方針。機塔內火災自動報警系統(tǒng)根據(jù)采集的火災探測器狀態(tài)數(shù)據(jù)進行智能分析和計算，實現(xiàn)對滅

2、火裝置和消防聯(lián)動設備智能控制，并向智慧消防監(jiān)控中心實時上報系統(tǒng)狀態(tài)信息；智慧消防監(jiān)控中心采用雙主熱備份冗余技術，實現(xiàn)遠程對機塔內火災自動報警系統(tǒng)相關設備進行實時監(jiān)控、智能管理，并可實現(xiàn)對各機塔火災自動報警系統(tǒng)設備進行維護、故障檢測與排除、設備軟件升級等工作，實現(xiàn)真正意義的無人值守、智慧消防，為風電機組提供安全可靠的生產環(huán)境和安全保障。【關鍵字】智慧消防、消防監(jiān)控中心、分布式集群組網(wǎng)通訊技術、TCP/IP、雙主熱備份冗余技術、點表、可編程邏輯控制器、C及C+語言?！疽浴匡L能作為一種清潔的可再生能源,越來越受到世界各國的重視，中國風能資源非常豐富,初步估算,可開發(fā)裝機達10億kW,風電有條件成為

3、火電、水電之后的第三大電力能源。到2019年底，全國風電累計裝機2.1億千瓦，其中陸上風電累計裝機2.04億千瓦、海上風電累計裝機593萬千瓦。隨著風電業(yè)的快速發(fā)展，其消防安全事故也成為風電業(yè)內的一大痛點，據(jù)報道，全球每年約有2的風力發(fā)電機組發(fā)生火災，其中很大一部分是毀滅性火災。2008年以來，我國風電發(fā)電機組發(fā)生毀滅性的火災事故共40余起，造成了重大經濟損失和人員傷亡，因此解決風電消防安全問題具有重要意義。1.需求分析風電機塔具有無人值守、空間狹小、內部磁場強、分散、監(jiān)測控制基點數(shù)量多、遠離救援中心、發(fā)電設備成本高等特點；風電機塔通常布設在廣袤的戈壁灘上、偏遠的山頂、海岸沿線等環(huán)境惡劣的地方

4、，容易受雷擊、以及機組自身運行工況等因素導致其發(fā)生火災風險高，機塔內空間狹小，火災荷載密集，通風換氣迅速，一旦發(fā)生火災，火勢蔓延快速，容易損壞發(fā)電設備，甚至影響電網(wǎng)的正常運轉，因此解決風電機塔消防安全問題的關鍵要素為：多種火災探測方式提高探測可靠性，早期發(fā)現(xiàn)，快速反應，有效控制，結合風電機塔消防安全的特點，通過集群組網(wǎng)通訊技術將成百上千的風電機塔內火災報警系統(tǒng)控制器主機進行組網(wǎng)，形成一體化網(wǎng)絡，實現(xiàn)智慧消防監(jiān)控管理解決方案。1.物聯(lián)感知層分析及方案1、防火區(qū)域分析風電機塔由風葉、機艙、塔身、塔底等組成，而發(fā)電機組設置在機艙部分，變頻柜、控制柜等設置在塔底，機艙與塔底設備通過豎向電纜架連接，因此

5、重點火災監(jiān)控區(qū)域為機艙、豎向電纜架、塔底等組成，需氣采取體滅火的區(qū)域由機艙和塔底的重要設備區(qū)域組成。2、火災自動報警系統(tǒng)組成風電機塔火災自動報警系統(tǒng)包括點型感煙火災探測器、點型感溫火災探測器、火災聲光警報器、手動火災報警按鈕、感溫電纜、火焰探測器、超細干粉滅火劑、火災報警控制器/聯(lián)動控制器/氣體滅火控制器等。該系統(tǒng)具有煙霧探測、環(huán)境溫度探測、線纜溫度探測、火焰探測、氣體滅火、火災信息上傳智慧消防監(jiān)控中心等功能。1.消防設備布局及感知信息由于風力發(fā)電機造成成本高，更換難度大，同時結合不同的防火區(qū)域，采用2種或3種火災探測方式同時監(jiān)測，實時監(jiān)測煙霧濃度、溫度、火焰等信息，提高火災探測的可靠性，同時

6、采取超細干粉進行局部滅火。防患于未然，同時盡量減少火災造成的損失。3.1塔底部消防設計圖及感知信息圖1 塔底部消防設計圖1）變頻柜、控制柜均同時采用煙感、溫感探測火災，同時感知環(huán)境中的煙霧濃度、溫度，兩種方式結合更加可靠；2）變頻柜、控制柜均為重要電氣設備，設備成本高且更換難度大，另外機塔內部不適合采用全淹沒式的方式滅火，故采用超細干粉滅火方式實現(xiàn)局部滅火。3.2機艙消防設計圖及感知信息圖2 機艙消防設計圖圖3 煙感、溫感、超細干粉實際安裝布局圖1.風力發(fā)電機組是機塔的核心，故需重點火災監(jiān)控。以及因為在80米的高度，更換難度很大，故采用超細干粉滅火方式實現(xiàn)局部滅火。2.環(huán)境空間中采用煙感、溫感

7、、火焰探測器等三種探測方式感知煙霧信息、溫度信息、火焰信息，多種方式結合實現(xiàn)高可靠的火災探測。3.定子柜、轉子柜輸出線纜均采用感溫電纜探測；以及超細干粉滅火。4.控制柜采用煙感、溫感等兩種探測方式感知煙霧和溫度信息，以及超細干粉滅火方式。1.感知信息穩(wěn)定性、可靠性因為發(fā)電機在發(fā)電過程中產生比較大的電流，因此同時也產生比較大的磁場，磁場對消防設備的正常運行造成比較大的影響。磁場造成通信異常的案例：由于采用了不帶屏蔽網(wǎng)的普通感溫電纜，普通感溫電纜處于開路狀態(tài)時，線與大地之間的交流感應電壓最大可達200V。普通感溫電纜接入端子后，線與大地之間的交流感應電壓最大可達20V70V。普通感溫電纜上的感應電

8、壓通過24V電源串入控制器，影響控制器收發(fā)碼電路工作。斷開感溫電纜接入線或斷開24V電源引出線，收發(fā)碼均能恢復正常?？梢妶D4和圖5的整改前后的對比。因此在此類環(huán)境中，應該采用帶屏蔽的感溫電纜，同時屏蔽網(wǎng)接入大地。圖4 整改前通訊總線波形 圖5 整改后通訊總線波形1.通信網(wǎng)絡傳輸層分析及方案1.系統(tǒng)架構與實現(xiàn)原理系統(tǒng)設計原理以一體化網(wǎng)絡、兩級管理、三級控制、智能監(jiān)測為指導方針，實現(xiàn)以早期預警、快速響應，將火災消滅在萌芽狀態(tài)的智慧消防解決方案。一體化網(wǎng)絡：采用分布式集群通訊組網(wǎng)技術所有風電機塔消防火災自動報警系統(tǒng)（包括控制器主機、火災探測器、滅火裝置、消防聯(lián)動設備）進行跨區(qū)域組網(wǎng)，與智慧消防監(jiān)控中

9、心（或主機）聯(lián)網(wǎng)形成一張網(wǎng)，風電機塔內的狀態(tài)信息實時上傳至智慧消防監(jiān)控中心，智慧消防監(jiān)控中心采用大數(shù)據(jù)分析手段，對全網(wǎng)內的現(xiàn)場檢測點的狀態(tài)信息進行智能分析，根據(jù)關聯(lián)火災探測器檢測到的狀態(tài)變化，預判火警，實現(xiàn)早期預警。兩級管理：風電機塔與智慧消防監(jiān)控中心實現(xiàn)分級管理模型，風電機塔采用智能化管理，實現(xiàn)無人值守的管理模式，智慧消防監(jiān)控中心采用智能監(jiān)測、大數(shù)據(jù)分析的人工智能系統(tǒng)與專業(yè)人員值守相結合的管理模式，保障系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。三級控制：智慧消防監(jiān)控中心、風電機塔火災自動報警系統(tǒng)控制與現(xiàn)場聯(lián)動設備形成三級聯(lián)動控制，當火災探測器監(jiān)測到有火災發(fā)生時，立即將火災狀態(tài)信息上傳至風電機塔內的火災自動報

10、警系統(tǒng)的控制器主機，控制器主機將采用智能運算和分析，快速發(fā)出控制指令，現(xiàn)場聯(lián)動設備接收到控制指令，即刻啟動聯(lián)動設備和滅火裝置，實現(xiàn)智能滅火；風電機塔內的火災自動報警系統(tǒng)控制器主機同時將火災狀態(tài)信息上傳至智慧消防監(jiān)控中心，智慧消防監(jiān)控中心進入火災報警狀態(tài)，啟動火災報警預案，進一步對火災現(xiàn)場進行滅火處理，實現(xiàn)快速響應，把火災損失控制在最小范圍內。智能監(jiān)測：智慧消防監(jiān)控中心通過對現(xiàn)場火災探測器上傳的狀態(tài)信息進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，如果發(fā)現(xiàn)異常，將主動獲取周圍關聯(lián)火災探測器的狀態(tài)信息，并做進一步的計算和分析，如果現(xiàn)場環(huán)境符合火災警情條件，便提前報警，值守人員進行確認，智慧消防監(jiān)控中心進入火災報警狀態(tài)。同時

11、下發(fā)滅火控制指令到現(xiàn)場風電機塔內火災自動報警控制器主機，再由控制器主機啟動現(xiàn)場滅火裝置和消防聯(lián)動設備實現(xiàn)滅火，將火災消滅在萌芽狀態(tài)，有效保障了風電機組消防安全和國家財產安全。1.系統(tǒng)組網(wǎng)方案風電機塔分散，機塔周圍和塔內電磁干擾強等因素給系統(tǒng)組網(wǎng)帶來了困難，為了解決這個問題，塔內火災自動報警系統(tǒng)控制器主機與火災探測器、滅火裝置、消防聯(lián)動設備等采用屏蔽電纜通過二總線技術實現(xiàn)塔內設備組網(wǎng)，每個機塔內的火災自動報警系統(tǒng)控制器主機作為一個網(wǎng)絡節(jié)點，利用風電機塔間布設的光纖通訊網(wǎng)絡或無線通訊網(wǎng)絡，采用分布式集群組網(wǎng)通訊技術實現(xiàn)所有控制器主機節(jié)點組網(wǎng)，并聯(lián)接智慧消防監(jiān)控中心系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，信息共享。系統(tǒng)分

12、布式集群組網(wǎng)通訊拓撲圖如圖1。圖6 系統(tǒng)分布式集群組網(wǎng)通訊拓撲結構圖1.系統(tǒng)通訊設計方案采用TCP/IP通訊協(xié)議實現(xiàn)智慧消防監(jiān)控中心與風電機塔內火災自動報警系統(tǒng)控制器主機通訊，TCP/IP通訊協(xié)議是一個四層的網(wǎng)絡傳輸體系結構，即應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層，從多個層次保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息的即時性和完整性。從而保障了火災自動報警系統(tǒng)向智慧消防監(jiān)控中心上報火警信息，和智慧消防監(jiān)控中心向火災自動報警系統(tǒng)下發(fā)控制指令等信息的可靠性和安全性。智慧消防監(jiān)控中心作為服務器端，火災自動報警系統(tǒng)控制器主機為客服端，系統(tǒng)軟件設計采用Socket通訊技術，以C及C+語言編程技術實現(xiàn)，服務器端與客戶端連接建立流程圖

13、如圖7。圖7 服務器與客戶端連接建立流程圖1.智慧消防監(jiān)控中心智慧消防監(jiān)控中心實現(xiàn)了消防的智能化管理。實現(xiàn)了動態(tài)化監(jiān)督管理，直觀分析消防信息，可視化調度指揮。圖8 智慧消防監(jiān)控中心1、智慧消防監(jiān)控中心設計方案智慧消防監(jiān)控中心分為主控模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、信息顯示模塊、狀態(tài)監(jiān)視與冗余切換模塊五個部分。主控模塊與通訊模塊采用冗余設計，以保障與現(xiàn)場火災自動報警系統(tǒng)通訊的可靠性和安全性。主控模塊：對現(xiàn)場火災探測器等設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計與計算，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結果，確定是否進入火災報警狀態(tài)，與啟動相應預案，向風電機塔內火災自動報警系統(tǒng)發(fā)送控制指令，實現(xiàn)實時監(jiān)測和智能控制火災現(xiàn)場。通

14、訊模塊：建立與風電機塔內火災自動報警系統(tǒng)控制器主機的通訊連接，保證信息通訊的可靠性、即時性、安全性、穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)存儲模塊：接收并存儲主控模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)信息，同時也為主控模塊進行數(shù)據(jù)分析比對時提供數(shù)據(jù)模型和有效數(shù)據(jù)。信息顯示模塊：對接收到機塔內火災自動報警系統(tǒng)的現(xiàn)場狀態(tài)信息與主控模塊計算分析的相關數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)圖文顯示，讓值守人員可以一目了然地獲得機塔現(xiàn)場狀態(tài)信息。狀態(tài)監(jiān)視與冗余切換模塊： 該模塊包括可編程邏輯控制器（PLC）與切換裝置兩個部分，可編程邏輯控制器實時監(jiān)視主控模塊與通訊模塊的運行狀態(tài)，如果一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，切換裝置便實現(xiàn)無縫切換至冗余設備，并報警提示值守人員進行故障排除，以保障系統(tǒng)的

15、可靠性和安全性。2、系統(tǒng)冗余設計方案智慧消防監(jiān)控中心的主控模塊和通訊模塊采用雙主熱備份冗余技術。主控模塊A與通訊模塊A作為系統(tǒng)正常運行部分。主控模塊B與通訊模塊B作為系統(tǒng)冗余待用部分?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）實時監(jiān)測主控模塊A、主控模塊B、通訊模塊A、通訊模塊B的運行狀態(tài)。當機塔內火災自動報警系統(tǒng)控制器主機向通訊模塊發(fā)起連接或數(shù)據(jù)交互請求時，首先與通訊模塊A建立連接，如果通訊模塊A發(fā)生異常，將通過切換裝置自動切換到通訊模塊B實施連接通訊。智慧消防監(jiān)控中心其他功能模塊與主控模塊進行信息交互時，首先與主控模塊A進行連接交互，如果主控模塊A出現(xiàn)異常時，將通過切換裝置自動切換至主控模塊B。正常運行模

16、塊與備用模塊實現(xiàn)切換之后，將通過可編程邏輯控制器（PLC）保持信息狀態(tài)的一致性，實現(xiàn)無縫切換。圖9 系統(tǒng)冗余結構圖3、智慧消防監(jiān)控中心管理運營設計方案通過智慧消防監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程對火災自動報警系統(tǒng)控制器維護、故障修復、軟件升級。通過智慧消防監(jiān)控中心實現(xiàn)遠程對火災自動報警系統(tǒng)回路設備維護、軟件升級?；馂淖詣訄缶到y(tǒng)實現(xiàn)智能清洗回路設備傳感器被污染的灰塵、油污等污漬，智能調節(jié)火災探測器參數(shù)設置。1.結束語本文詳細闡述了風電機行業(yè)的前景與其消防安全的重要意義，并通過對整體系統(tǒng)架構與實現(xiàn)原理的論述，對系統(tǒng)組網(wǎng)方案、信息通訊設計、系統(tǒng)冗余設計、智慧消防監(jiān)控中心設計、機塔內火災自動報警系統(tǒng)設計、以及整個系統(tǒng)的運營管理設計均提出了詳細的解決方案，與系統(tǒng)測試驗證目的與方法，對其中關鍵技術進行了深入討論，為風電消防設計出了一套完整的智能火災自動