基于LoRa 無線通信的變電站火災報警系統設計*

趙志浩，盧超波，陶洪平，沈 偉

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

變電站內包含電力系統中重要的生產運行設備，大多為易燃易爆物品，一旦發(fā)生火災，不僅對人身和設備造成極大危害，而且威脅電網安全[1]。當前變電站火災中常見的是變壓器火災，文獻[2]介紹了一種變壓器火災報警系統，有利于及早發(fā)現火災，但是對于另一處火災易發(fā)區(qū)域電纜溝缺乏監(jiān)測作用，電纜溝作為變電站與外界進行能量交換的重要通道，一旦發(fā)生火災將大面積延燃，造成嚴重的供電事故。文獻[3]介紹了一種利用煙霧傳感器監(jiān)測火災的方法，可以對絕大多數室內火災進行及時有效的監(jiān)測，但是在室外條件下，監(jiān)測的準確度會受到火勢大小、自然因素的影響，無法準確、及時監(jiān)測變電站內的設備火災。文獻[4]介紹了一種可以在電纜溝鋪設的探火導管用于自動滅火，試驗驗證了這種新型滅火裝置的有效性，彌補了變電站內設備區(qū)域自動滅火措施的不足。

以往變電站內消防信號傳輸系統多采用有線傳輸，因有線線路的鋪設需要跨多個區(qū)域的防火隔離帶，導致消防系統的施工周期長、難度大，在后期維護過程中一旦有線路問題就需要經歷開挖、檢修、回填、復原的過程，維護成本和難度成為困擾施工方的一大難題。本文提出一種基于新型探火導管滅火裝置的火災監(jiān)測方法，用無線系統代替有線系統，大大縮短了施工周期，降低了施工難度，后期維護更加快捷，有效節(jié)約了成本。

2 系統總體設計方案

變電站滅火報警系統由火災監(jiān)測傳感器節(jié)點端、接收主機端、消防主機組成，系統架構如圖1 所示，滅火器與氣體壓力傳感器相連，并通過三通閥門延伸出氣管，分布在易發(fā)生火災的電纜溝，當有火災發(fā)生時，傳感器端檢測到氣壓降低，產生火災報警信號，通過LoRa 無線傳輸方式發(fā)送給接收主機，主機收到報警信號后產生報警響應，相關工作人員根據警情進行處理[5]。

圖1 系統控制方案

3 無線數據傳輸方案

根據國家電網有限公司企業(yè)標準《輸變電設備物聯網節(jié)點設備組網協議》（ICS 01.040.2 9）要求，變電站內數據通訊方案需要滿足在2.4 GHz 頻率下通訊傳輸距離遠、抗干擾性強的要求，文獻[6-7]闡述了LoRa 無線通信技術的特點，因為LoRa 擴頻調制的方式具有更強的抗干擾性能，與其他2.4 GHz 傳輸方式相比具有傳輸距離更長、抗干擾性更好的優(yōu)勢，其射頻參數與其他無線通訊方式對比如表1 所示。

表1 各類2.4 GHz 無線通訊技術的主要射頻參數對比

LoRa 通訊距離可以適合絕大多數的變電站設備部署區(qū)域，因此采用星型結構的無線網絡拓撲結構，該網絡結構包含匯聚節(jié)點和傳感終端，與環(huán)形拓撲結構相比，不需要部署中繼器，所以具有更低的硬件復雜度，終端節(jié)點設備因為故障停機時也不會影響其他端用戶間的通信，這使得整個系統更加安全且易于維護。

4 變電站設備火災監(jiān)測傳感方案

新型滅火裝置探火管在發(fā)生火災時會熔斷，釋放大量滅火氣體，滅火器接口處的壓強會逐漸下降，基于此提出運用氣壓傳感器監(jiān)測有無氣體釋放進而達到火災監(jiān)測的目的。目前這種方案首次應用在火災監(jiān)測領域，需要在氣體釋放后數秒內產生報警信號，這與氣體傳感器的氣壓報警閾值直接相關，即當氣壓小于此閾值時觸發(fā)報警。選用閾值為0.2 MPa 的通用型氣壓傳感器，并對氣體釋放后氣壓變化情況進行分析。

滅火器罐體積V=5 L，公稱工作壓強P0=2.5 MPa，初始溫度T0=288.15 K，排氣孔直徑D=0.008 m，環(huán)境壓強Pb=101325 Pa，滅火氣體系數Rg=287.6，忽略排氣過程中的換熱。排氣過程分為兩個階段：第一階段為排氣孔處馬赫數Ma=1 的過程，此階段結束時罐內壓強P=1.893Pb=191808.225 Pa；第二階段為罐內壓強下降到環(huán)境壓強的過程，由于選定傳感器閾值在200000 Pa以上，且基于系統快速響應的要求需要在第一階段觸發(fā)報警信號，此過程中罐內氣壓發(fā)生變化，流量微分方程[8]為：

其中m為氣體的質量，t為滅火罐內氣體釋放的時間，K為氣體常數，大小為0.04042，P為罐內氣體的壓強，A為排氣孔截面積，T0為初始溫度，q（Ma）與馬赫數相關，在第一階段始終為1。

根據克拉伯龍方程：

其中ρ 為氣體密度，T為氣體溫度，得到：

將式(3)代入式(1)，得到：

整理后得：

兩邊同時積分得到：

通過Matlab 仿真，罐內氣體壓強變化如圖2 所示。當罐內氣壓P達到191808.225 Pa 時，經過的時間為1.294 s，此結果證明氣壓傳感器的閾值參數滿足氣體開始釋放數秒內觸發(fā)報警信號的設計要求。

圖2 依據流量微分方程預測的氣壓變化

5 無線火災監(jiān)測終端設計

無線傳感終端設計如圖3 所示，系統采用電池供電，控制單元選用中科芯集成電路有限公司設計的CKS32F030 微控制器實現對整個傳感系統的控制，通訊部分選擇Semtech 公司的SX1280，工作在2.4 GHz頻段，通訊距離可達800 m[9-10]。

圖3 無線火災監(jiān)測終端系統結構

6 無線火災監(jiān)測終端測試

6.1 通訊測試

測試地點選擇市區(qū)環(huán)境、空曠環(huán)境和變電站環(huán)境，節(jié)點參數按照表1 設置，節(jié)點通訊數據與系統實際運行數據大小相同，設置為36 B，接收主機通過串口與PC 機相連，用串口工具記錄數據，同時記錄監(jiān)測點的距離，通過統計數據計算丟包率，測試結果如表2 所示。實驗結果表明，在市區(qū)環(huán)境下，當通訊距離小于500 m 時通訊質量良好，距離大于等于500 m 時出現丟包；變電站環(huán)境與空曠環(huán)境的情況接近，當通訊距離小于750 m 時通訊質量好，距離大于等于750 m 時出現丟包。

表2 無線火災監(jiān)測終端通訊測試結果

6.2 火災報警測試

模擬變電站電纜溝環(huán)境下的火災報警測試，搭建測試環(huán)境，在消防柜內放置兩個滅火罐，傳感器一端連接氣閥，另一端連接傳感節(jié)點，傳感節(jié)點安裝圖如圖4（a）所示，將滅火氣管引出并部署在滅火箱內，探火管安裝圖如圖4（b）所示，準備一個人造火源，將其送入滅火箱，觀察后續(xù)的實驗結果。探火管在3～5 s 內被燒斷，釋放出滅火物質滅火，電纜燃燒場景如圖4（c）所示，1～2 s 后，傳感器檢測到氣體壓強變化，傳遞報警信號到消防主機，報警信號如圖4（d）所示，通過50 次模擬現場環(huán)境測試，報警操作均在滅火氣體釋放后1～2 s觸發(fā)，報警準確及時。

圖4 火災報警試驗

7 結論

設計了基于LoRa 無線通訊的變電站滅火報警系統，解決了傳統的有線系統無法滿足當今變電站消防設備快速高效部署要求的問題，在市區(qū)和空曠環(huán)境下的測試結果驗證了無線系統在多個領域具有廣泛的應用前景；根據實際應用環(huán)境搭建測試場景，驗證了利用氣壓監(jiān)測火災發(fā)出報警信號的可行性，氣壓傳感監(jiān)測方案在變電站重要設備區(qū)域的火災監(jiān)測應用彌補了國內變電站火災監(jiān)測的不足，對于其他領域的火災監(jiān)測應用也有一定的借鑒意義。