海上风电机组消防物联网系统设计与实现

康健 陈静 袁志钢 刘亚波

摘 要：为提高海上风电机组的消防安全水平，设计开发了一个消防物联网系统，能实时监测海上风电机组消防系统的运行状态，及时发现各类消防安全隐患，并可远程控制消防系统进行灭火。该系统已在国家电投集团江苏海上风力发电有限公司投入运行。

关键词：风力发电机组;消防系统;物联网

0    引言

在碳达峰、碳中和的战略目标下，可再生能源的开发利用日益受到许多国家的重视。海上风电是可再生能源发展的重要领域，是近年来全球风电发展的重要方向之一[1]。

海上风电机组由于远离陆地，相比陆上风电机组更加不易维护管理。海上风机在无人值守状态下运行，当发生火灾时，由于海况和天气情况的影响，很可能无法派人前往灭火，从而给风机带来毁灭性的破坏[2]。因此，海上风电机组需要安装自动消防系统，并接入消防物联网系统，对消防系统运行状态实现远程监控，及时发现各类消防安全隐患，以便及时派人处理，避免火灾事故的发生。如果一旦发生火灾，也可以远程控制风电机组内的消防系统进行灭火，从而保障风电机组的消防安全。本文设计和实现了一套海上风电机组消防物联网系统，用于江苏海上风力发电有限公司滨海北H1/H2#项目风力发电机组的远程消防监控。

1    系统拓扑结构

系统主要由物联网网关、通信网络、监控中心三部分组成，拓扑结构如图1所示。

1.1    物联网网关

物联网网关采用ARM处理器，安装在海上风电机组内，实现数据通信协议的分析和转换功能。物联网网关通过RS485串口与消防系统相连接，采集消防系统的运行数据（火警、故障、反馈等信息），并将各类报警信息通过100M以太网传送至监控中心。物联网网关与监控中心之间的通信协议采用国家标准《城市消防远程监控系统 第3部分：报警传输网络通信协议》（GB/T 26875.3—2011）[3]，并在该通信协议的基础上扩充了远程控制的命令，实现在监控中心远程控制风电机组消防系统启动灭火功能。

1.2    通信网络

在陆地上的监控中心与海上风电机组之间建有光纤环网，光纤环网采用冗余技术提高网络的可靠性，环网上的某一处链路断开，不会影响网络上数据通信。为了提高安全性，本系统的物联网网关、计算机都分配有固定的IP地址，并建立虚拟局域网，与光纤环网上的其他应用系统进行隔离。

1.3    监控中心

软件结构采用浏览器/服务器模式，数据库采用SQL Server，应用软件部署在监控中心的服务器上，在监控计算机上通过浏览器进行操作。两台服务器采用双机热备份的工作模式，一台服务器为主机，另一台为备机，当主机出现异常，不能保障系统正常运行时，备机则主动接管主机的工作。每台服务器的硬盘均采用RAID1方式，當主硬盘出现故障时，镜像硬盘自动代替主硬盘工作，从而提高系统的容错能力。随着系统接入风电机组数量的增加，当目前的服务器不能满足数据处理要求时，可以动态扩充服务器数量，来分担数据处理任务，并按功能将服务器分为接入服务器、数据库服务器、Web服务器等。

2    系统功能

2.1    实时监控

实时监测所有风电机组消防设施的运行状态，收到报警信息后，在监控计算机上显示报警点信息（编号、名称、报警类型、位置、时间等），通过声光告警提示值班人员，并对报警点进行定位，在风电机组建筑物消防设备布局图中显示具体的报警对象，也可以将风电机组建筑物位置在GIS地图上进行定位。当收到报警时，可以根据不同级别的报警事件，显示相应的应急预案，值班人员根据应急预案提示的操作流程进行操作，避免因慌乱而出现差错。当海上风电机组发生火灾时，在监控中心可以发送控制命令给风电机组内的消防系统，远程启动消防系统进行灭火。发送远程控制命令时需要两名值班人员输入口令进行确认，避免误操作，值班人员的操作都记录进数据库。

2.2    视频联动

通过数据接口与视频监控系统对接，在数据库中建立消防监控点与摄像机的关联表格，每个消防监控点可以与多个摄像机进行关联。这样，当收到报警信息时，可以自动调取与该报警点关联的所有视频图像，值班人员可以从多个角度查看现场的视频图像，以便值班人员分析判断，避免因现场设备误告火警而启动灭火装置，造成不必要的损失。

2.3    消防系统运行情况一览图

将消防物联网系统的信息在一张总图上显示，使企业领导、各级消防主管人员对消防设备运行情况能一目了然，包括消防设备（气体灭火控制器、感烟探测器、感温探测器等）数量、当前存在的各类报警数量、当前设备完好率、报警趋势图、报警数量排名等。

2.4    风电机组消防资料的信息化管理

实现风电机组消防资料的信息化管理，包括风电机组建筑物资料、消防设备在建筑物内安装位置布局图、消防设备的信息资料（型号、生产厂家、类型、编号、名称等），并提供各类查询、统计、修改手段。完整的消防资料是消防物联网的基础，也为消防设备的检查、维护、保养工作提供了技术保障。为了管理消防设备布局图，设计了图形制作工具软件，功能包括：（1）图元制作。编制各类图元，分别表示各类消防设备（感烟探测器、感温探测器等），消防设备图元符合标准《火灾报警设备图形符号》（GA/T 229—1999）。（2）消防设备布局图制作。建筑物图纸可以从建筑物CAD图纸中导出，也可以在本系统中编制。在建筑物图纸上添加图元，记录图元在建筑物图上的坐标信息，并将图元与消防设备的编号建立对应关系，这样，消防设备布局图上的图元就与安装在现场的消防设备关联起来，当消防设备发生报警时，可以自动在消防设备布局图上显示该设备的位置。当建筑物规模较大、消防设备很多时，可以制作多个消防设备布局图，可以按建筑物楼层来划分，也可以按照防火区域来划分。

2.5    数据分析

通过数据挖掘技术，对数据库中的各类信息进行大数据分析，如根据消防设备的运行状况、每日/每月报警信息总数等指标，评估风电机组的消防安全水平;根据消防设备的完好率、消防设备故障的修复时间等，对消防维保工作进行评价。通过大数据分析，为企业领导分析风电机组消防安全水平和进行决策提供依据，以便采取措施，及时消除安全隐患，有效保障风电机组的消防安全。

2.6    权限管理

将操作人员分成不同的组，并分配不同的权限，权限包括菜单权限、功能按钮权限和数据权限。菜单权限是指是否允许看到某一菜单，功能按钮权限是指增加、删除、修改、查看等按钮操作权限，数据权限是指能看到的数据范围。通过这种权限管理方法，可以灵活配置操作人员监控哪些风电机组，当系统接入的风电机组数量较多时，可以实现分级监控的管理模式，如根据风电机组的地理区域设立分中心，每个分中心负责监控本区域的风电机组，总监控中心可以监控所有的风电机组。

2.7    系统自身运行状况监控

系统由运行于不同地理位置的物联网网关、通信网络、监控中心计算机组成，系统对自身设备的工作状态也进行自动监测，当设备出现故障时，监控中心值班人员能够及时得知，并通知相关人员进行维修。

2.8    物联网网关软件远程调试和软件升级

在GB/T 26875.3协议基础上扩展了实现远程调试和软件升级的命令，在监控中心的计算机上，可以读取物联网网关ARM处理器内部寄存器和存储器的内容，从而掌握网关内部嵌入式软件的运行情况，帮助开发人员分析和定位网关软件中存在的缺陷。物联网网关的嵌入式软件保存在ARM处理器的闪存（flash memory）中，如果需要更新嵌入式软件，一般是开发人员到现场通过编程工具软件将嵌入式软件重新烧录闪存。由于ARM处理器支持在应用程序中编程功能，因此可以在嵌入式软件中增加功能来控制闪存编程。物联网网关通过网络接收监控中心发来的嵌入式软件更新文件数据报文，检验无误后，从这些数据报文中提取数据生成嵌入式软件更新文件，并烧录闪存，从而实现软件升级。远程调试和软件升级能够大大提高物联网网关的开发和维护工作效率。

3    结语

本文介绍的消防物联网系统实现了对海上风电机组消防系统的远程监控，能及时发现各类消防安全隐患;如果风电机组发生火灾，可以远程控制风电机组内的消防系统进行灭火，提高了海上风电机组的消防救援水平。本系统已在江苏海上风力发电有限公司投入运行，随着海上风力发电事业的不断发展，本系统也将得到进一步的推广和应用。

[参考文献]

[1] 戴瑜.德国海上风电发展经驗及启示[J].开放导报，2021（2）：102-109.

[2] 吴喜.海上风电场火灾风险防控技术措施研究[J].科技创新与应用，2020（3）：112-114.

[3] 城市消防远程监控系统：GB/T 26875—2011[S].

收稿日期：2021-08-16

作者简介：康健（1976—），男，上海人，工程师，研究方向：物联网、消防远程监控系统。