电力专用消防装置研制及体系研究技术

邹洪森　赵欣洋　李宁　杨晨　马瑞

[摘    要]消防设施是电力系统设备设施安全稳定运行的重要保障，关乎电网运行安全和人民生命财产安全。随着我国电网系统的快速发展、特高压建设和综合自动化变电站改造工作步伐的不断推进，消防设施和消防工作的重要性日益凸显。对此，本文设计了一种电力专用消防装置，具体介绍了该装置的整体结构，实现方案，分析了该装置的软件架构设计，总结了本设计的主要创新点，提出了实际研制过程中需解决的主要问题与具体应用情况，以期有助于人们进一步了解该装置，进而更好的推广应用该装置。

[关键词]消防装置;整体架构;实现方案;创新点

[中图分类号]TU998.1;D631.6 [文献标志码]A [文章编号]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  整体架构设计

电力专用消防装置研制由主机和子机构成电力消防报警系统由主机和子机构成。通过光纤数据通信网，主机接收各区域保护智能子机采样信息，包括火灾信息、动作信息、开关位置、电压电流信息、火灾传感器测量值等。主机完成火灾逻辑判断处理后通过数据通信网向各子机发送动作命令，子机接收到主机的动作命令，通过自身动作接点完成固定灭火系统消防功能如图1所示。

2  整体实现方案

电力系统专用消防控制系统主机、子机、新型消防传感器、消防动作装置等构成。通过光纤数据通信網，主机接收各区域保护消防子机的采样信息，包括火灾信息、动作信息、开关位置、电压电流信息、火灾传感器测量值等。主机完成火灾逻辑判断处理后通过数据通信网向各子机发送动作命令，子机接收到主机的动作命令，通过自身动作接点完成固定灭火系统消防功能。同时，主机通过modbus、硬接点等通讯协议或方式采集其他消防兼容产品的信息，整体纳入消防控制体系，就地实现火灾显示，并实现将信号传送至运行人员控制后台及现场辅助/专用火灾显示后台的功能。同时，采用IEC61850协议，可实现接入智能变电站的功能，图2为电力系统专用消防控制系统图。

电力系统专用消防控制系统配置若干个消防子机装置，消防子机装置一般按设备或按区域来合理配置。如每台换流变或每台主变配置一台消防子机装置，或者在每个阀厅、每段电缆沟道配置一台消防子机装置。

消防子机装置通过硬接点方式跟红外火焰探测器、紫外火焰探测器、消防感温电缆等消防传感器通信，采集消防传感器的告警和故障信息，并通过光纤环网通信方式将这些信息发送至消防主机。每个消防子机装置所配置的消防传感器的数量和类型根据实际情况确定，同时也送消防子机装置的开出和开入接点数量限制。

3  装置的软件架构设计

根据装置设计原则，结合装置硬件架构设计，电力专用消防装置整体软件架构设计采用面向对象与结构化相结合的思想，在宏观分析与实现细节的时采用面向对象思想技术，在中间功能拆分实现的时候采用结构化思想进行功能模块设计和划分。平台与保护分离，实现软件可扩展性，高实时性，可复用性。

软件按照组件式可视化进行组织，其功能实现软件包括初始化、模拟量采集、定时中断以及实时任务等四个部分。

（1）初始化过程完成对保护硬件的初始化以及配置参数的读取校验等，对于在模拟量采集中运行的组件，其初始化过程也在这里调用。对于任务方式运行的组件，其与全局相关的初始化在这里调用，非全局相关的初始化则在任务内部进行初始化。

（2）模拟量采集用于运行响应时间要求特别敏感的组件，主要是实现保护功能的各保护组件，模拟量采集的优先级为最高的。模拟量采集采用每周波（50 Hz）20点或40点的中断频率固定运行，主要完成采样、计算、开入、出口等。

（3）定时中断用于运行响应时间要求敏感、周期性强的功能组件，如指示灯闪烁、GPS对时、看门狗处理、按键采样等;其优先级次之。

（4）实时任务用于运行响应时间要求不特别敏感的功能组件，可以被中断程序中断。主要完成显示、打印、通信、参数检查、记录存储等。不同功能的任务之间，其优先级略有差异。

整体软件架构如下图3所示，软件可分为主程序和中断程序两大部分。

4  本设计的主要创新点

（1）基于光纤分布式I/O体系的多模拟量、数字量实现变电站消防体系，提高可靠性、智能化和抗干扰能力，具备广泛的系统兼容能力，具备接入智能变电站的能力基于多模拟量、多数字量的消防动作逻辑，大幅度提高消防动作可靠性，可有效防止误动和提高固定消防灭火装置的动作以变压器消防保护逻辑为例，其实现过程如下：

①在变压器范围内部署2个感温电缆传感器和x个红外探头传感器。

②以上所有配置的消防传感器开关量动作信号均作为输入信号输入变压器火灾保护判断逻辑。如果某个消防传感器动作即输出为“1”，否则输出为“0”。

③变压器火灾保护判断逻辑执行X取n表决逻辑，X为输入的消防传感器的总个数，如果这X个消防传感器中动作的个数大于等于n，即至少有n个消防传感器输出信号为“1”，这火灾动作的信号输出信号动作，即输出信号为“1”。

④变压器火灾保护判断逻辑实时采集电压互感器和电流互感器输出的电压、电流的模拟量信号，同时对输入的模拟量信号进行数模转换和有效值计算。

⑤变压器火灾保护判断逻辑对输入的火灾动作信号、开关分位信号、电压及电流信号进行综合判断，最终得出保护动作逻辑值。

（2）基于变电站110 V/220VDC直流电源体系实现消防装置及探测元件供电。针对传统消防系统采用24VDC電源作为告警主机、感温电缆控制电源存在的诸多隐患，提出供电电源采用110 V/220 VDC进行供电，并对分布式I/O结构、分布、实施等开展研究，使告警、动作信号不需扩展，以满足系统可靠性要求。

（3）基于IEC61850的变电站消防探测及控制信息模型，实现智能变电站控制系统接入方案。现有智能变电站广泛采用ICE61850通讯协议，通讯介质普遍采用光纤，针对传统消防系统不满足智能站接入要求，开展基于IEC61850的变电站消防探测及控制信息模型研究，对其接入协议进行设计，具备接入智能站能力。

5  研制过程中解决的主要问题

5.1  子机硬件平台的研制

硬件平台性能的高低以及外围接头的分成成都，很大程度上决定了消防子机的性能和信息实时采集的能力。电力专用消防子机装置的主控单元采用独立的CPU，负责控制其他各个单元的工作状态、从其他各个单元获取相关信息并经处理后交由通信单元发送，接收通信单元发来的信息并做相应的处理。主控CPU采用32位ARM芯片，运行实时操作系统，技术先进可靠，便于维护和升级，具有很强的兼容性。消防子机的硬件平均具有丰富的外围接口，可以支持多种消防传感器同时接入，同时支持多模电压电流模拟量的同时采集。

5.2  基于多模拟量、数字量的消防判断逻辑的实现

目前的消防系统一般仅根据消防传感器的告警信号和变压器开关量信号来作为消防动作的判断逻辑的输入信号。由于消防传感器的告警信号和变压器开关量信号相对容易受干扰，容易导致消防设备误动作，进而导致主辅设备停运，造成不必要的经济损失。因而有必要进一步改进电缆火灾保护判断逻辑，一是要引入多种消防传感器的X取n表决逻辑判断，防止单一传感器误动，二是要引入基于电压、电流模拟量智能化判别，排除仅依靠动作“接点”的数字量判断逻辑和信号，提高防误动能力。

5.3  产品完善及应用情况

“电力专用消防装置及体系研究”成果消防子机装置已通过国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心（开普实验室）的测试，本系统已在银川东换流站实际投运，作为换流变消防的补充措施。

6  结束语

“电力专用消防装置及体系研究”的成果对于提高消防逻辑判断的可靠性，提高电力系统用消防传感器的可靠性，提高消防系统的可观性都有较大的帮助。可以先作为现有消防系统的补充同时投运，进一步提高换流站和变电站的消防能力。后续根据实际运行情况进一步完善和推广。

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