智能风电场升压站在线预警及监测系统研究与设计

贾建华 赵小明 荣 华

（闻喜县宏伟风力发电有限公司）

0 引言

近年来，无论是风电场升压站还是变电站火灾事件常有发生，而风电场升压站站内电气设备基本全部是带电运行，尤其是类似电缆线路夹层、隧道、配电室区域，基本全部属于火灾隐患频发区域，如不对风电场升压站内较为封闭的区域采取相应的监测，一旦区域内出现明火时，伴随着封闭环境内的电力系统装置及其相关配件的运行，基本上对该区域内电力系统相关监测装置都会出现致命打击。因此，对升压站站内一定区域内或者其它电力系统相关配件较为密集的区域进行火灾隐患预警监测显得至关重要。

风电成为实现“双碳”目标的重要新型清洁能源，随着平价上网越发普及，对于风电场集电线路供电安全的需求越来越高，国家就环境监测、建筑设计、火灾自动报警系统发布了相关国家规范以及技术规范，旨在通过对环境指标监测、建筑监测通过监测此类指标，对异常参数进行主动预警，从而对改善环境建设，规范化建筑指标，从而减少不必要的火灾的发生。尤其针对于我国输配电线路变电站及风电场升压站站内狭小空间的监测，就火力发电方向《火力发电厂与变电站设计防火标准中》明确提出变电站及风电场升压站内各个建筑空间内监测传感装置采集信号的方式；就电化学储能电站设计规范中明确提出电池室内应配置感烟装置且需要对空气中可燃气体的含量进行主动预警；国家电网公司文件中国家电网运检［2016］1152号文件第19条中明确规定隧道内应设置消防报警装置以及气体监测装置。

针对上述国家标准以及规范中提及的监测方案，主要为提高风电场升压站站内设备安全稳定运行，提升供电安全可靠性，文本针对于现阶段风电场升压站站内监测难题以及相应的监测技术规范以及技术标准研发出一种智能风电场升压站站内火灾预警系统，该系统可通过在线式监测风电场升压站站内空气中固态微观粒子数量进而实现火灾预警，从而在火灾发生前提前预警故障，保证风电场升压站站内设备以及电缆线路的安全稳定运行。

1 风电场升压站火灾预警系统简介

风电场升压站站内火灾预警系统包括安装于站内的火灾预警终端、通讯系统、主站系统；火灾预警终端该监测终端负责采集风电场升压站站内相关参数；通讯系统将终端现场采集的数据传输给主站系统；主站系统对现场终端采集的数据进行分析，处理对存在火灾隐患的区域进行主动预警，从而实现风电场升压站站内高含量粒子的报警。

1.1 预警装置

智能风电场升压站站内火灾监测装置一般情况下安装于电气设备较为集中的场所，监测装置分为主机和传感系统，主机直接悬挂于室内开阔墙壁面上，监测装置采用膨胀螺丝直接悬挂于墙壁面，装置采用220V 市电直接供电，在对该设备电源设计时因保留单一电路防止该电路中由于负荷过大造成跳闸而导致监测终端无法使用，而传感系统依据监测环境参数变化而变化，类似于GIS气体监测，由于被监测气体密度大于空气，因此当GIS出现气体泄漏时，气体首先贴近于地面，因此传感系统安装位置略低于GIS 柜体，从而快速实现泄漏气体的监测。当监测空间内狭小时，类似于综合管廊、隧道、电缆夹层该类位置时，传感装置靠近电缆接头等重要待监测区域，从而实现狭小空间的监测，总之对于监测装置以及传感装置的安装位置必须依据现场环境以及待监测参数进行综合评定安装位置，图1 所示为智能风电场升压站站内火灾监测装置实物图。

图1 智能风电场升压站站内火灾监测装置实物图

1.2 通讯系统

智能风电场升压站火灾监测装置通过主机内置的通讯卡，采用4G 或者APN 专网进行无线通讯，在传感装置采集了相应的数据后，装置将数据打包采用上述通讯方式将数据传输至主站系统，同时在上位机上可远程对安装在现场的监测装置进行指令传输，用以远程监测以及升级现场监测终端，从而保证监测终端的稳定运行。

1.3 主站系统

现场终端采集风电场升压站站内数据，进行站内数据分析，从而对异常数据进行主动分析以及预警，主站系统包含了监测中心系统、服务器系统、远程监控云端系统，系统间相互配合，用于分析，预警从而实现了配电房火灾预警监测，图2 所示为主站系统主要功能分布图。

图2 主站系统主要功能分布图

2 风电场升压站站内火灾预警系统功能设计

风电场升压站站内火灾预警系统主要包含了前端监测装置的设计以及后台服务端的设计，以及后台的服务端设计，前端装置的设计主要采用模块化设计，共包含了5 个方面的细化模块，每个模块功能各不相同，共同协作保证了监测装置的正常运行。

2.1 监测装置设计

前端的监测装置包括采集传感模块、系统自检、主板监测、监测指标预警、远程启程，上述模块间相互配合使用，当待测区域出现异常情况时，快速预警，将风电场升压站内火灾扼杀在摇篮之中，图3 所示为前端监测装置的模块化系统以及模块的细化功能。

图3 前端模块以及其功能

智能风电场升压站火灾预警监测装置中采集传感模块可依据现场待监测参数进行整定，一般情况下环境因素比如温度、湿度是必须采集的，可根据应用环境选择性的对气体密度、微粒子数量进行采集从而实现采集传感模块的功能需求。

监测装置系统自检模块，该模块主要细分功能为一键检测功能和一键修复功能，当监测装置出现数据卡包或者其它原因导致装置死机时可采用此模块进行检测监测装置本身是否存在异常情况以及异常情况主动修复。

主板监测模块包括对监测主板的状态监测功能以及超限告警功能，系统中出现监测数据异常以及告警出现误报的情况时，系统自动告警。

监测指标预警，此处为后台系统的主要功能需求，首先对采集的远程数据进行报文解析、报文管理，对采集数据情况进行分析防止出现报文数据丢包的情况，同时对正常上报的报文数据进行自动计算，同时若出现误报的情况时主动屏蔽系统中的采集数据的误报情况，同时对于系统中采集的风电场升压站数据可能存在的隐患情况进行主动上报。

远程启停功能，该监测装置通讯主板不是实时在线，当监测装置出现死机或者其它情况时，可以远程进行监测装置的一键启停。

2.2 后台服务端设计

后台的服务端设计只要包括数据查看、隐患告警两个模块。数据查看是指当服务器把监测终端上传的数据进行自动解析分析，系统通过多方面因素进行综合判定，类似环境因素急剧变化，或者监测微粒子数量超过某一阀值，从而进行判定风电场升压站站内系统出现了异常情况，在系统进行判定了出现异常情况时，此时隐患告警系统开始启动，人工对监测系统主动预警的数据进行查看分析，进行实现隐患告警，讲告警信息主动发送到指定的联系方式处，同时对于异常数据情况进行特征数据提取，建立异常状况隐患数据库，在多次积累数据后可主动进行异常情况预警，从而实现系统自动预警，可快速实现风电场升压站站内隐患预警，进而解决风电场升压站站内待监测区域的隐患或者故障情况。

3 火灾预警装置主要技术

该火灾预警系统的主要监测量为配电房有限面积内的气体含量成分，之后结合环境中采集的环境参数进行综合隐患判定，系统中气体智能识别算法位于上位机中，监测终端采集数据上传后，上位机对采集数据进行分析计算预警，图4 所示为该算法处理流程。

图4 算法处理流程

图4 所示为该算法识别流程，首先对采集的数据进行数据滤波，该处主要为一系列的数字滤波器，该处滤波主要方便识别火灾预警监测装置中采集的气体含量的谱峰数据；之后对该滤波出来的谱峰数据进行数据的预处理，预处理的过程中为本地算法，该算法进行谱峰的特征值识别，当特征值达到阈值和阀值后进行主动的预警，如下所示为该算法整体流程。

① 初始化采集数据，首先对监测装置采集的原始数据进行首次滤波处理，该处滤波器滤波函数为高斯滤波器，此处旨在抑制正态分布噪声：

式中，n为采样点数，i为序列号，yk+i为原始采集信号函数，Zk为经过该模型后输出的函数参量。

② 对经过高斯函数的处理后的数据在进行一次滤波处理，该处采用的滤波器为滑动平均滤波器，旨在保留数据的陡峭边沿，从而辅助后续计算。

③ 在经过上述滤波函数处理之后，得到为的1*n的矩阵，对该矩阵进行移动和扫描标识，采用矩阵滑动窗口的形式进行数据的选取，选取的信号分别为Pi，Pi+1，对以选中的数据进行移动标识处理，从而得到新的矩阵，该矩阵为1*（n- 1）的矩阵，其中矩阵中的数据标识为Qi，则Qi为：

式中，M、N 分别为系统设定的阈值和阀值，当满足Pi+1-Pi＞M时，此时系统矩阵Qi输出为1，当满足Pi+1-Pi＜N时，此时系统的输出为-1，当上述两个式子都不满足时，此时输出的为0，此时得到为1 个1*（n- 2）矩阵。

④ 以该矩阵的采样点为横轴，以输出的Qi的值为纵轴，进行画线，当连续划线超过100 个值为1 时判定该系统中出现火灾隐患，否则判定待监测区域正常。

⑤ 综合系统监测装置采集的温度以及湿度计算，减少系统中可能出现的误报、漏报的可能性。

4 结束语

对于电力系统配电室狭小空间内电气设备较为集中区域，火灾监测势在必行，有效科学的监测可实现隐患的早发现、早清除，减少不必要的火灾造成的恶劣的社会影响。智能风电场升压站站内火灾预警系统采用现场终端配合服务器云计算的形式，对采集的数据进行多次滤波，计算，结合谱峰识别算法，可在一定范围内实现火灾隐患的快速预警，不足之处该算法目前处于理论阶段，待成熟应用之后可实现火灾的稳定预警。