柴雪峰
深圳市泛海三江电子股份有限公司 广东省深圳市 518000
【摘要】
高原风电场拥有机塔数量多、分布广、相对距离远、交通不便利等特点，传统消防已不能满足项目的需求。为了更好的对高原风电场进行实时的远程火灾监控、灭火救援等，因此通过对项目需求的深入研究，设计了一套智慧消防产品解决方案，该方案采用分布式集群组网通讯技术，通过对风电机塔内火灾自动报警系统控制器主机进行组网，设立智慧消防监控中心，实现集中管理，分级控制的方式，对各机塔内的火灾自动报警系统火灾探测器的状态进行实时监测，对灭火装置、消防联动设备做出快速响应，实现预报警、早处理的防消结合指导方针。机塔内火灾自动报警系统根据采集的火灾探测器状态数据进行智能分析和计算，实现对灭火装置和消防联动设备智能控制，并向智慧消防监控中心实时上报系统状态信息；智慧消防监控中心采用双主热备份冗余技术，实现远程对机塔内火灾自动报警系统相关设备进行实时监控、智能管理，并可实现对各机塔火灾自动报警系统设备进行维护、故障检测与排除、设备软件升级等工作，实现真正意义的无人值守、智慧消防，为风电机组提供安全可靠的生产环境和安全保障。
【关键字】
智慧消防、消防监控中心、分布式集群组网通讯技术、TCP/IP、双主热备份冗余技术、点表、可编程逻辑控制器、C及C++语言。
【引言】
风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视，中国风能资源非常丰富,初步估算,可开发装机达10亿kW,风电有条件成为火电、水电之后的第三大电力能源。到2019年底，全国风电累计装机2.1亿千瓦，其中陆上风电累计装机2.04亿千瓦、海上风电累计装机593万千瓦。
随着风电业的快速发展，其消防安全事故也成为风电业内的一大痛点，据报道，全球每年约有2％的风力发电机组发生火灾，其中很大一部分是毁灭性火灾。2008年以来，我国风电发电机组发生毁灭性的火灾事故共40余起，造成了重大经济损失和人员伤亡，因此解决风电消防安全问题具有重要意义。
一、需求分析
风电机塔具有无人值守、空间狭小、内部磁场强、分散、监测控制基点数量多、远离救援中心、发电设备成本高等特点；风电机塔通常布设在广袤的戈壁滩上、偏远的山顶、海岸沿线等环境恶劣的地方，容易受雷击、以及机组自身运行工况等因素导致其发生火灾风险高，机塔内空间狭小，火灾荷载密集，通风换气迅速，一旦发生火灾，火势蔓延快速，容易损坏发电设备，甚至影响电网的正常运转，因此解决风电机塔消防安全问题的关键要素为：多种火灾探测方式提高探测可靠性，早期发现，快速反应，有效控制，结合风电机塔消防安全的特点，通过集群组网通讯技术将成百上千的风电机塔内火灾报警系统控制器主机进行组网，形成一体化网络，实现智慧消防监控管理解决方案。
二、物联感知层分析及方案
1、防火区域分析
风电机塔由风叶、机舱、塔身、塔底等组成，而发电机组设置在机舱部分，变频柜、控制柜等设置在塔底，机舱与塔底设备通过竖向电缆架连接，因此重点火灾监控区域为机舱、竖向电缆架、塔底等组成，需气采取体灭火的区域由机舱和塔底的重要设备区域组成。
2、火灾自动报警系统组成
风电机塔火灾自动报警系统包括点型感烟火灾探测器、点型感温火灾探测器、火灾声光警报器、手动火灾报警按钮、感温电缆、火焰探测器、超细干粉灭火剂、火灾报警控制器/联动控制器/气体灭火控制器等。该系统具有烟雾探测、环境温度探测、线缆温度探测、火焰探测、气体灭火、火灾信息上传智慧消防监控中心等功能。
3、消防设备布局及感知信息
由于风力发电机造成成本高，更换难度大，同时结合不同的防火区域，采用2种或3种火灾探测方式同时监测，实时监测烟雾浓度、温度、火焰等信息，提高火灾探测的可靠性，同时采取超细干粉进行局部灭火。防患于未然，同时尽量减少火灾造成的损失。
3.1塔底部消防设计图及感知信息
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图1 塔底部消防设计图
1）变频柜、控制柜均同时采用烟感、温感探测火灾，同时感知环境中的烟雾浓度、温度，两种方式结合更加可靠；
2）变频柜、控制柜均为重要电气设备，设备成本高且更换难度大，另外机塔内部不适合采用全淹没式的方式灭火，故采用超细干粉灭火方式实现局部灭火。
3.2机舱消防设计图及感知信息
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图3 烟感、温感、超细干粉实际安装布局图
1）风力发电机组是机塔的核心，故需重点火灾监控。以及因为在80米的高度，更换难度很大，故采用超细干粉灭火方式实现局部灭火。
2）环境空间中采用烟感、温感、火焰探测器等三种探测方式感知烟雾信息、温度信息、火焰信息，多种方式结合实现高可靠的火灾探测。
3）定子柜、转子柜输出线缆均采用感温电缆探测；以及超细干粉灭火。
4）控制柜采用烟感、温感等两种探测方式感知烟雾和温度信息，以及超细干粉灭火方式。
4、感知信息稳定性、可靠性
因为发电机在发电过程中产生比较大的电流，因此同时也产生比较大的磁场，磁场对消防设备的正常运行造成比较大的影响。
磁场造成通信异常的案例：
由于采用了不带屏蔽网的普通感温电缆，普通感温电缆处于开路状态时，线与大地之间的交流感应电压最大可达200V。普通感温电缆接入端子后，线与大地之间的交流感应电压最大可达20V~70V。普通感温电缆上的感应电压通过24V电源串入控制器，影响控制器收发码电路工作。断开感温电缆接入线或断开24V电源引出线，收发码均能恢复正常。可见图4和图5的整改前后的对比。因此在此类环境中，应该采用带屏蔽的感温电缆，同时屏蔽网接入大地。
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图4 整改前通讯总线波形 图5 整改后通讯总线波形
三、通信网络传输层分析及方案
1、系统架构与实现原理
系统设计原理以一体化网络、两级管理、三级控制、智能监测为指导方针，实现以早期预警、快速响应，将火灾消灭在萌芽状态的智慧消防解决方案。
一体化网络： 采用分布式集群通讯组网技术所有风电机塔消防火灾自动报警系统（包括控制器主机、火灾探测器、灭火装置、消防联动设备）进行跨区域组网，与智慧消防监控中心（或主机）联网形成一张网，风电机塔内的状态信息实时上传至智慧消防监控中心，智慧消防监控中心采用大数据分析手段，对全网内的现场检测点的状态信息进行智能分析，根据关联火灾探测器检测到的状态变化，预判火警，实现早期预警。
两级管理： 风电机塔与智慧消防监控中心实现分级管理模型，风电机塔采用智能化管理，实现无人值守的管理模式，智慧消防监控中心采用智能监测、大数据分析的人工智能系统与专业人员值守相结合的管理模式，保障系统运行的可靠性和安全性。
三级控制： 智慧消防监控中心、风电机塔火灾自动报警系统控制与现场联动设备形成三级联动控制，当火灾探测器监测到有火灾发生时，立即将火灾状态信息上传至风电机塔内的火灾自动报警系统的控制器主机，控制器主机将采用智能运算和分析，快速发出控制指令，现场联动设备接收到控制指令，即刻启动联动设备和灭火装置，实现智能灭火；风电机塔内的火灾自动报警系统控制器主机同时将火灾状态信息上传至智慧消防监控中心，智慧消防监控中心进入火灾报警状态，启动火灾报警预案，进一步对火灾现场进行灭火处理，实现快速响应，把火灾损失控制在最小范围内。
智能监测： 智慧消防监控中心通过对现场火灾探测器上传的状态信息进行大数据统计分析，如果发现异常，将主动获取周围关联火灾探测器的状态信息，并做进一步的计算和分析，如果现场环境符合火灾警情条件，便提前报警，值守人员进行确认，智慧消防监控中心进入火灾报警状态。同时下发灭火控制指令到现场风电机塔内火灾自动报警控制器主机，再由控制器主机启动现场灭火装置和消防联动设备实现灭火，将火灾消灭在萌芽状态，有效保障了风电机组消防安全和国家财产安全。
2、系统组网方案
风电机塔分散，机塔周围和塔内电磁干扰强等因素给系统组网带来了困难，为了解决这个问题，塔内火灾自动报警系统控制器主机与火灾探测器、灭火装置、消防联动设备等采用屏蔽电缆通过二总线技术实现塔内设备组网，每个机塔内的火灾自动报警系统控制器主机作为一个网络节点，利用风电机塔间布设的光纤通讯网络或无线通讯网络，采用分布式集群组网通讯技术实现所有控制器主机节点组网，并联接智慧消防监控中心系统实现互联互通，信息共享。系统分布式集群组网通讯拓扑图如图1。
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图6 系统分布式集群组网通讯拓扑结构图
3、系统通讯设计方案
采用TCP/IP通讯协议实现智慧消防监控中心与风电机塔内火灾自动报警系统控制器主机通讯，TCP/IP通讯协议是一个四层的网络传输体系结构，即应用层、传输层、网络层和数据链路层，从多个层次保证网络数据信息的即时性和完整性。从而保障了火灾自动报警系统向智慧消防监控中心上报火警信息，和智慧消防监控中心向火灾自动报警系统下发控制指令等信息的可靠性和安全性。
智慧消防监控中心作为服务器端，火灾自动报警系统控制器主机为客服端，系统软件设计采用Socket通讯技术，以C及C++语言编程技术实现，服务器端与客户端连接建立流程图如图7。
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图7 服务器与客户端连接建立流程图
四、智慧消防监控中心
智慧消防监控中心实现了消防的智能化管理。实现了动态化监督管理，直观分析消防信息，可视化调度指挥。
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图8 智慧消防监控中心
1、智慧消防监控中心设计方案
智慧消防监控中心分为主控模块、通讯模块、数据存储模块、信息显示模块、状态监视与冗余切换模块五个部分。主控模块与通讯模块采用冗余设计，以保障与现场火灾自动报警系统通讯的可靠性和安全性。
主控模块： 对现场火灾探测器等设备状态的数据信息进行统计与计算，实现大数据分析，根据分析结果，确定是否进入火灾报警状态，与启动相应预案，向风电机塔内火灾自动报警系统发送控制指令，实现实时监测和智能控制火灾现场。
通讯模块： 建立与风电机塔内火灾自动报警系统控制器主机的通讯连接，保证信息通讯的可靠性、即时性、安全性、稳定性。
数据存储模块： 接收并存储主控模块下发的数据信息，同时也为主控模块进行数据分析比对时提供数据模型和有效数据。
信息显示模块： 对接收到机塔内火灾自动报警系统的现场状态信息与主控模块计算分析的相关数据信息实现图文显示，让值守人员可以一目了然地获得机塔现场状态信息。
状态监视与冗余切换模块： 该模块包括可编程逻辑控制器（PLC）与切换装置两个部分，可编程逻辑控制器实时监视主控模块与通讯模块的运行状态，如果一旦发现异常情况，切换装置便实现无缝切换至冗余设备，并报警提示值守人员进行故障排除，以保障系统的可靠性和安全性。
2、系统冗余设计方案
智慧消防监控中心的主控模块和通讯模块采用双主热备份冗余技术。
主控模块A与通讯模块A作为系统正常运行部分。
主控模块B与通讯模块B作为系统冗余待用部分。
可编程逻辑控制器（PLC）实时监测主控模块A、主控模块B、通讯模块A、通讯模块B的运行状态。
当机塔内火灾自动报警系统控制器主机向通讯模块发起连接或数据交互请求时，首先与通讯模块A建立连接，如果通讯模块A发生异常，将通过切换装置自动切换到通讯模块B实施连接通讯。
智慧消防监控中心其他功能模块与主控模块进行信息交互时，首先与主控模块A进行连接交互，如果主控模块A出现异常时，将通过切换装置自动切换至主控模块B。
正常运行模块与备用模块实现切换之后，将通过可编程逻辑控制器（PLC）保持信息状态的一致性，实现无缝切换。
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图9 系统冗余结构图
3、智慧消防监控中心管理运营设计方案
通过智慧消防监控中心实现远程对火灾自动报警系统控制器维护、故障修复、软件升级。
通过智慧消防监控中心实现远程对火灾自动报警系统回路设备维护、软件升级。
火灾自动报警系统实现智能清洗回路设备传感器被污染的灰尘、油污等污渍，智能调节火灾探测器参数设置。
五、结束语
本文详细阐述了风电机行业的前景与其消防安全的重要意义，并通过对整体系统架构与实现原理的论述，对系统组网方案、信息通讯设计、系统冗余设计、智慧消防监控中心设计、机塔内火灾自动报警系统设计、以及整个系统的运营管理设计均提出了详细的解决方案，与系统测试验证目的与方法，对其中关键技术进行了深入讨论，为风电消防设计出了一套完整的智能火灾自动报警系统，系统性能稳定、可靠，安全。解决了风电消防无人值守、机塔分散、环境恶劣、远离救援中心等固有的问题，同时节省了维护成本，随着国家风电机组的建设，该系统将为风电消防安全提供有力的保障，为风电的安全生产保驾护航。
六、参考文献
【1】《风力发电机组消防系统技术规程》CECS 391-2014
【2】《火灾报警控制器》GB4717-2005
【3】《消防联动控制系统》GB16806-2006
【4】《特种火灾探测器》GB15631-2008
【5】《Ethernet communication standard》 (IEEE802.3)。