苏通 GIL综合管廊智慧消防监控系统设计

朱超 谭风雷 邓凯 郑建勇

摘要：苏通 GIL综合管廊传输线路长、电压等级高，当管廊出现火源时，如果处理不及时将造成严重后果。为提升苏通 GIL综合管廊发生事故时的应急能力，建立了一套智慧消防监控系统，以提高综合管廊的安全性与可靠性。首先，通过对管廊内部条件进行分析，确定建立智慧消防系统的可行性;然后，根据现场条件建立整个消防监控的实施架构，并以云平台为开发平台，完成各个子系统数据的采集、传输、与展示。根据实际需求，所设计的 GIL综合管廊消防系统不仅具有面对 SF6气体泄露与火灾事故的快速消防功能，同时还具备人员定位、应急疏散和应急避难等保护人员生命的价值功能，可降低事故带来的损失。整个管廊监控系统以云平台为技术支持，将多个子系统进行统一集成管理，最终实现智慧消防的目标。

关键词：苏通 GIL综合管廊工程;智慧消防;监控系统;云平台

中图分类号：TP273             文献标志码：A        文章编号：1009-9492（2021）12-0171-05

Design of Intelligent Fire Monitoring System in Sutong GIL Utility Tunnel

Zhu Chao ，Tan Fenglei ，Deng Kai ，Zheng Jianyong

（Maintenance Branch， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 211102， China）

Abstract： The Sutong GIL utility tunnel transmission line is long and the voltage level is high. When there is a fire source in the pipe gallery， if it is not handled in time， it will cause serious consequences. In order to improve the emergency response capability of Sutong GIL utility tunnel in case of accident， a set of intelligent fire monitoring system was established to improve the safety and reliability of utility tunnel. Firstly， by analyzing the internal conditions of the pipe gallery， the feasibility of establishing intelligent fire control system is determined. Then， according to the field conditions， the implementation framework of the whole fire monitoring is established， and the cloud platform is used as the development platform to complete the data collection， transmission and display of each subsystem. According to the actual demand， the designed GIL utility tunnel fire control system not only has the function of fast fire control in the face of SF6 gas leakage and fire accidents， but also has the value functions of protecting the lives of personnel such as personnel positioning， emergency evacuation and emergency refuge， which can reduce the losses caused by accidents. The whole pipe gallery monitoring system is supported by the cloud platform， which integrates and manages multiple subsystems in a unified way， and finally achieves the goal of intelligent fire fighting.

Key words： Sutong GIL utility tunnel project; intelligent fire; monitoring system; cloud platform

0 引言

特高壓气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Metal-enclosed Transmission Line ， GIL ），具有传输损耗低、传输能力强和高运行可靠性的优点，使得该技术已经被应用在多种电能传输场合[1-2]。基于此，我国为解决电能传输跨江问题以及提升华东电网内部电力交换和电网安全稳定能力，首次采用长距离双回特高压 GIL 输电技术，建成世界上电压等级最高、距离最长的苏通 GIL 综合管廊输电工程[3-4]。

但是，考虑到该工程传输线路长、电压等级高，对于电网的运维有极高的要求。一旦电缆出现火源等事故可能波及其他回路，直接影响到整个电网的运行安全。因此，为保障电网的安全运行，有必要针对整个管廊工程建立一套消防系统，实现对管廊工程消防的智能化管理[5]。夏天等[6]将物联网大数据技术运用到智慧消防系统中，借助于云管理平台可以很好实现消防系统的智能化管理，为消防系统建设提供新的发展方向。

本文在上述理论的基础上，对苏通管廊消防系统提供一种可行的物理架构。按照架构配合大数据云平台优越的集成与管理性能，实现消防的智能化，降低火灾发生带来的损失[7-8]。相比传统消防，设计的消防系统能够更加有效安全的保护管廊与现场工作人员。消防系统的建立将有助于苏通 GIL 综合管廊实现远程监测、实时预警与智能分析的功能，对于保持管廊工程的健康运行以及电网的安全具有重要意义。

1 GIL管廊工程概述

苏通管廊工程示意图如图1所示。工程整体采用盾构法隧道方案修建，始发工作井位于长江南岸（苏州侧），接收工作井位于北岸吹填区（南通侧）。 GIL 管线单相长度约5820 m ，管廊断面内径10.5 m ，外径11.6 m，下层预留两回500 kV电缆通道。建成的苏通 GIL 管廊形成了贯穿皖、苏、浙、沪负荷中心的华东1000 kV特高压交流环网，具有保持华东电网内部电力交换和电网安全稳定的功能。

本设计围绕着 GIL 综合管廊运营管理目标建立一套包括数据应用、可视化设施设备统一监控平台以及集值守管理、运行监测、应急管理与处置于一体的消防综合管理运营平台。实现对综合管廊各类设施、设备及其运行数据在 GIS电子地图中的准确定位及消防单元的可视化展现，使现有的 GIL 综合管廊由现有的模拟化控制迈入数字化阶段，实现“智慧管廊”建设目标。

2 消防监控系统整体架构设计

2.1 消防监控架构设计

综合管廊综合监控系统是苏通 GIL 管廊综合运营管理的中枢，它将在监控中心对苏通 GIL 管廊整体运行情况进行综合监控和运营管理。图 2所示为苏通 GIL 消防监控系统架构图。将整个物理架构分为3层分别进行介绍。第一层为接入层。在该层将根据监控功能和子系统划分，接入监控系统的部分包括管廊 ACU、火灾报警监控、气体泄漏监控、消防系统、应急避险系统、人员定位系统等;第二层为汇聚层，针对消防专网和监控专网进行系统数据与功能汇聚;第三层为服务层，是面向监控、管理和日常运维人员，主要是采集底层各子系统数据，实现数据集成和监控功能集成。

2.2 智慧消防数据平台架构设计

智慧消防系统最突出的特点在于对系统数据的优越处理性能，具体包括数据传输速度快、低读写延迟和高存储性能，最终实现从终端设备到服务平台、从机器设备到业务流程、从数据信息到管理决策达到全数据数据挖掘。采用 Hadoop云平台，充分利用集群的强大功能进行大容量存储和并行计算，可以完成这个系统的数据处理工作[9]。针对管廊消防系统的 Hadoop云平台工作流程主要有3个阶段，如图3所示。

第一階段为消防系统数据采集。该阶段将消防子系统包括通风、人员定位、应急避难、供电系统等产生的数据同步到大数据系统中，数据库同步通常用 Sqoop，打点采集的数据经过标准化处理后转换后通过Kafka传递。

第二阶段为消防系统数据处理。不同的数据源产生的数据质量可能差别很大且数据类型各异，需要先进行数据的预处理。数据处理后的数据导入到数据同步系统，存储在 HDFS 。MapReduce、Hive、Spark 等计算任务读取 HDFS 上的数据进行计算，再将计算结果写入 HDFS。

第三阶段为消防系统数据输出与展示。将 HDFS中的数据导出到数据库中，数据同步导出相对比较容易，计算产生的数据都比较规范，稍作处理就可以用 Sqoop 之类的系统导出到数据库，此时应用程序就可以直接访问数据库中的数据，同时将这些数据以曲线或者表格的形式实时展示给用户。

3 苏通GIL管廊消防功能设计

按照设计目标，所设计的消防系统需要具备一些重要功能包含SF6气体泄露消防、火灾消防以及人员定位、应急疏散、应急避难等。下面对这5个功能分别进行详细介绍。

3.1 考虑SF6泄漏的消防功能

GIL 管廊通风通道内充斥着大量的 SF6气体，一旦泄露，对于管廊的通风环境是不利的。所以考虑消防功能时需要考虑 SF6气体泄露的情况。苏通 GIL 管廊 SF6气体泄露时的消防工作原理如图4所示。

整个苏通 GIL 管廊隧道内通风采用南北岸机械排风的方式。整个通风系统共设置6台大型立式轴流风机、4台大型卧式轴流风机、4台 SF6专用离心排风机，分别负责隧道上腔通风隧道、隧道下腔巡视通道通风、SF6排除通风。当苏通 GIL 管廊隧道内 GIL 管道 SF6气体泄漏时，隧道内 SF6探测器会进行浓度监测。具体的实施方案为如下。

当上腔 SF6泄漏，南岸区域内任一点监测到 SF6浓度大于或等于100 ppm 报警浓度时，将会启动报警点①，同时将两岸的3台主通道大型立式轴流风机全部开启，同时开启两岸所有4台 SF6排风机，打开 SF6泄漏南岸区域内邻近泄漏点1最低点两个断面（可能两个都是断面1，或是一个断面1一个断面2） 的阀门;当上腔最低点 SF6泄漏，南、北岸区域内任一点监测到 SF6浓度大于或等于100 ppm报警浓度时，报警点②启动发出报警，通风机、排风机开启方式同前一种。但是将打开最低点 SF6泄漏南、北岸区域内4个断面2的阀门。

只要检测管廊气体浓度达到报警浓度，消防系统会立即报警并打开排风断面的电动密闭阀门，与主通风一同作用将泄漏的 SF6气体排出，快速的高浓度 SF6排出，保证管廊通道内良好的空气环境。

3.2 考虑火灾的消防功能

管廊发生火灾是威胁管廊安全的另一大隐患，所以需要针对发生火灾的情况进行消防功能设计。GIL 管廊部分不考虑消防水系统，仅设置了移动式消防设施。根据 GIL 管廊下腔中部巡视通道的配电柜集中区域分布情况，在管廊内设置了12个消防分区，每个消防分区包含一套悬挂式超细干粉灭火联动控制系统，原理如图5所示。

当系统出现火情时，现场人员和火灾探测器识别到都能够触发火灾报警联动控制。在火灾报警系统联动控制方式下，当干粉灭火控制器收到本消防分区的两个不同类型的火灾探测信号后，干粉灭火控制器启动，联动关闭本防火分区的防火门和管廊内风机，同时启动本防火分区的声光报警器。干粉灭火控制器启动后延迟30 s 干粉灭火装置开始喷放，当控制器接收到喷放的反馈信号后点亮防火分区入口处的释放门灯，直到灭火成功，再恢复设备到正常工作状态。

3.3 人员定位功能

对管廊人员定位是一项重要功能，尤其当管廊下发生火灾等事故时，可以根据人员定位系统对隧道中人员进行快速定，方便开展及时的救援措施。目前对于管廊、隧道等工作场所，常用的人员定位技术包括：WiFi 人员定位、RFID 人员定位、ZigBee人员定位和 UWB 人员定位。这些方式各有优势，从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度出发，本设计中采用 UWB 技术，其工作拓扑如图6所示。

针对GIL管廊工程，采用UWB有两大优势，具体如下。

（1） 容量大，传输速度快。UWB 通信的带宽都在500 MHz以上，其传输速率超过1 Gb/s 。而传统的无线载波通信系统由于频带窄，要使传输速率达到100 Mb/s以上，必须采用多进制调制等方法，这样对信噪比提出了很高的要求，同时也加大了系统构建的复杂性。

（2） 定位精度高。UWB 信号具有超宽频带的特性，使得 UWB 系统的距离分辨精度远高于其他系统。在事故状况下开展救援工作具有巨大优势。

3.4 应急疏散功能

针对传统的消防应急疏散系统存在的疏散指示方向固定、烟雾状态下透光性差、维护成本较高等问题，提出采用智能消防应急疏散系统。此系统采用应急照明控制器（主机）+集中电源+分配电装置+灯具四层结构组网模式，其工作原理如图7所示。从图中可以看出，灯具与配电装置之间采用二总线通讯，而监控器与集中电源、配电装置之间采用 RS485通讯，可以满足通讯实时性的要求。其智能控制主要体现在不但可与消防报警系统联动，确定火灾发生的位置，而且应急指示标志的指示方向可以根据火灾发生的具体位置进行变化，并且应急指示标志增加闪烁和声音提示，便于现场人员快速确定逃生方向。

3.5 应急避难功能

根据已发生管廊事故调查，在火灾、爆炸等事故发生现场瞬间直接受伤亡的人数并不多，大部分的人是由于不能及时升井或逃离高温、有毒气体现场，造成窒息或中毒伤亡。建设避难硐室和救生舱成为解决此问题的一种办法，根据苏通 GIL 管廊的实际情况，增设移动避险舱，便于現场人员可以就近选择避难。

救生舱类型可分为硬质救生舱和软质救生舱，具体形式如图8所示。硬质救生舱外壳为硬度大的金属，这种多用于容易坍塌的隧道和煤矿中，而软质救生舱外层为有机材料制作的覆盖膜，具有耐高温、隔绝外界空气的特点，苏通 GIL 管廊通道基本不会出现坍塌事故，隐患主要类型为火灾和毒气泄漏。故本次设计采用软体移动救生舱，既不占用大空间，又能在危机时能快速充气，保证人员在极短时间内进入救生舱。

4 结束语

鉴于传统管廊消防系统存在事故消防不及时、现场人员来不及逃离现场等问题，本文对苏通 GIL 综合管廊工程的消防系统作出改进，设计一套基于云平台的苏通 GIL 管廊智慧消防与监控系统。当事故发生时，可以依靠管廊内安装的传感器立即触发消防功能，排除隐患;并考虑现场人员安全设计了人员疏散与避难功能，从根本上降低了事故带来的损失。依靠云平台作为技术支持实现子系统的集成与在线监控，完成智慧消防监控系统的建设，达到系统的预期建设目标。此系统的成功实践可以为同类相关管廊工程消防建设提供参考。

参考文献：

[1]庞庆平，郭煜敬，金光耀.1100 kV SF6气体绝缘金属封闭输电线路关键技术[J].高压电器，2017，53（8）：34-37.

[2]范建斌，李鹏，李金忠，等.±800 kV特高压直流 GIL关键技术研究[J].中国电机工程学报，2008（13）：1-7.

[3]班连庚，孙岗，项祖涛，等.特高压苏通综合管廊工程 GIL系统工

作条件[J].电网技术，2020，44（6）：2386-2393.

[4]刘泽洪，王承玉，路书军，等.苏通综合管廊工程特高压 GIL关键技术要求[J].电网技术，2020，44（6）：2377-2385.

[5]吴先洪，车辉，杨波，等.基于大数据的智慧消防系统架构探讨[J].物联网技术，2021，11（6）：47-49.

[6]夏天，聂江龙，王安民，等.基于物联网的智慧电力消防管理体系的建设[J].通信电源技术，2019（7）：168-169.

[7]秦政，汪迎希，范佳齐，等.基于物联网技术在建筑消防中的应用[J].机电工程技术，2020，49（1）：147-148.

[8]亓晓彬，张晓东.基于物联网及云平台的工厂环境远程监控系统[J].机电工程技术， 2020，49（8）：135-138.

第一作者简介：朱超（1987-），男，博士，高级工程师，研究领域为特高压工程技术，已发表论文44篇。

（编辑：刁少华）