CN113838539B - 一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，包括对变电站附近气象、地形数据进行收集和分析的WRF‑ARW气象场模拟单元和对变电站电气设备火灾后烟气混合物数据进行采集和分析的CALPUFF模拟单元；通过分析变电站大气沉降物中有毒有害污染状况和空间分布特征，采用正定矩阵因子分解(PMF)模型对大气沉降中的污染物进行源解析。通过变电站电器设备火灾残留物检测分析软件，对变电站电器设备火灾残留物检测分析能够达到精确的评估效果。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备管理系统，具体涉及一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统及分析方法。
背景技术
众所周知，变电站是电力系统中的枢纽，对电压和电流进行交换，是接受电能及分配电能的场所，在城市内随处可见。变电站一旦出现火灾，会造成整个电网系统的正常运行和供电可靠性受到威胁，所以做好变电站的防火措施，有利于保障电网系统的安全稳定运行。但是，由于变电站设施老化或受到外界环境影响(如台风、暴雨、雷电等)影响产生电弧或短路火花而将附近的可燃材质。蒸汽和粉尘引燃，引发火灾，造成财产损失，甚至人员伤亡。因此，火灾过后的很大一部分工作则是进行火灾原因分析，如通过收集火灾残留物，进行全方位的火灾模拟分析，找到火灾发生的原因，为解决火灾问题找到源头。
在变电站现有的火灾事故分析中，大多数事故是有电缆着火引起的。变电站地下电缆在运行过程中与外部环境基本隔绝，电缆沟出入口少，沟道内两壁敷设电缆，中间通道比较狭窄；火灾发生后，地下电缆沟道内的有毒有害气体不容易排出，因此，电缆引起的火灾不易由外部力量扑救，对地下电缆火灾的危害性进行归纳，分别为如下3点：
1、释放较强热量；电缆所采用的绝缘保护层都是橡胶、聚氯乙烯等具备可燃性的高分子有机化合物质，它们燃烧的过程中放出的热量高达19000-46000KJ/kg，当成束电缆发生火灾时，熔温达到800-1100℃，较大的热量可能延燃至附近区域的电缆；
2、产生大量有毒气体；一方面，电缆的外层护套原料在火灾的高温条件下会产生许多有毒气体，当有毒气体浓度大于人们能够承受的浓度时，将会使人员出现中毒症状，也会给消防人员的营救工作增添难度；另一方面，有毒氢化物气体遇水蒸气会结合生成酸类物质，附着在周围电气设备的上边，使电气设备遭到很大程度的腐蚀，设备和接线回路的绝缘出现下降趋势；
3、影响能见度；能见度直接影响火灾条件下电缆沟周围人员的疏散，还有消防人员的营救和灭火工作，火灾发展的过程中，会产生一些烟雾颗粒，遮挡可见光；另一方面，有毒气体具有刺激性，缩短了人的能见距离。
因此，在变电站电气设备火灾事故中尤其是电缆火灾产生的残留物检测分析以及在变电站内部及周围的扩散迁移情况的仿真分析模拟对其对环境污染的评估方面就显得十分重要。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统及分析方法，包括WRF-ARW气象场模拟单元和CALPUFF模拟单元，利用两个单元对火灾残留物进行收集，并利用后天数据库，对残留物进行数据分析，模拟出火灾发生原因。
本发明的技术方案如下：
一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，包括对变电站附近气象、地形数据进行收集和分析的WRF-ARW气象场模拟单元和对变电站电气设备火灾后烟气混合物数据进行采集和分析的CALPUFF模拟单元；
所述WRF-ARW气象场模拟单元包括前处理部分的WPS模块、WRF-ARW动力内核模块以及后处理部分的可视化模块；气象和地形数据经由WPS模块预处理后输入WRF-ARW动力内核模块进行数据处理和模型模拟，最后由可视化模块输出初始化数据至的CALPUFF模拟单元；
所述CALPUFF模拟单元包括相互通信连接的CALMET风场诊断模块、CALPUFF污染扩散模块和CALPOST模块；所述CALMET风场诊断模块用于生成CALPUFF污染扩散模块所需的气象场文件；所述CALPUFF污染扩散模块为CALPUFF模拟单元中的主程序，在通过CALMET风场诊断模块计算得出的气象场基础上来模拟污染物在研究区域内的迁移转化过程；所述CALPOST模块是CALPUFF模拟单元的后处理模块，提取CALPUFF污染扩散模块输出文件中的所需变量，并实现数据输出。
其中，所述WPS模块包括相互通信连接的将地理数据插入至网格的geogrid单元、能够将气象数据转化为GRIB格式的ungrib单元以及将气象场水平插入网格的metgrid单元，经过上述单元对地理数据、气象数据和气象场水平数据进行预处理。
其中，WRF-ARW动力内核模块构建的基础框架是WRF模型生成初始化数据，包含理想化模拟模型ideal和实时数据模拟模型real，理想化模拟模型ideal根据现有的一维或二维测深为WRF-ARW动力内核模块生成初始条件文件；实时数据模拟模型real从所述WPS模块获得预处理后的数据为WRF-ARW动力内核模块提供适用于WRF模型的气象场，数据经WRF-ARW动力内核模块中ARW/NMM、初始化、数据同化及化学过程等模块和WRF物理过程处理后输出。
进一步的，所述CALMET风场诊断模块包括输入文件与通用控制参数、输出选项与气象数据选项、风场参数、混合层高度、温度和降水参数和观测站参数。
进一步的，所述CALMET风场诊断模块接收来自WRF-ARW气象场模拟单元输出的气象初始场，并利用气象监测站点数据和中尺度气象模型模拟数据生成逐时气象场。
进一步的，所述CALPUFF污染扩散模块中运用模拟或预测非定常及非稳态条件下的多种污染物、多层次的高斯型扩散模型，结合外部输入污染排放源的相关数据，从而得到随时间、空间位置变化的气象因素下的污染物的质量浓度分布情况。
进一步的，所述CALPOST模块将根据CALPUFF污染扩散模块生成的浓度的二进制文件转化为可直接读取或是被图形软件处理的形式。
本发明还公开了一种利用上述系统进行变电站电气设备火灾残留物检测分析方法。
进一步的，所述变电站电气设备火灾残留物检测分析方法具体包括以下步骤：
S1、经过WRF-ARW气象场模拟单元进行气象场模拟，对变电站附近气象、地形数据收集和分析，输出气象初始场至CALMET风场诊断模块，经CALMET风场诊断模块调整后，得到最终的气象场：
S2、确认排放特征、建立排放源数据库：确定变电站电气设备火灾混合烟气的排放特征，作为CALPUFF污染扩散模块的污染源排放输入数据，结合CALPUFF污染扩散模块中模型对输入数据的校正，建立污染排放源数据库；
S3、对电气设备火灾残留物中各抽样点的沉降通量进行数值仿真计算模拟，包括沉降速率计算和转化速率计算，进而估算污染物在环境介质中的时空分布，同时对CALPUFF污染扩散模块中模型的参数进行优化；
S4、分析沉降物进行源解析：结合上述模拟输出的数值，分析获得不同暴露时间下火灾残留物中污染物在环境中浓度的变化和空间分布情况，结合各抽样点沉降通量，并采用正定矩阵因子分解模型对大气沉降中的污染源进行源解析。
进一步的，所述步骤S3在CALPUFF污染扩散模块中沉降速率的计算设置有三个方式：直接使用阻力沉降模型来对气体/颗粒物的速率进行预测、用户指定每种污染物的以24小时为一周期的沉降速率以及忽略干沉降的计算；在CALPUFF污染扩散模块中转化速率的计算设置有二个方式：借鉴MESOPUFF II模型，考虑涉及到的五种物质的化学转化，包括SO2，SO4 2-，NO，HNO3 -和NOa -；由用户指定的逐日变化的污染物质化学转化速率。
进一步的，所述步骤S3的CALPUFF污染扩散模块中还包含烟团的分割算法，对烟团受垂直风剪切影响的情况进行模拟。
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明的变电站电气设备火灾残留物检测分析系统采用采用WRF-ARW气象场模拟单元进行气象场模拟，对变电站附近气象、地形数据收集；采用CALPUFF模拟单元对变电站电器设备火灾烟气混合物数据采集，确认排放特征，对电气火灾残留物的沉降通量进行数值仿真计算模拟；通过分析变电站大气沉降物中有毒有害污染状况和空间分布特征，采用正定矩阵因子分解(PMF)模型对大气沉降中的污染物进行源解析，能够对变电站电器设备火灾残留物检测分析能够达到精确的评估效果，进行全方位的火灾模拟分析，找到火灾发生原因，为解决变电站火灾问题找到源头。
附图说明
图1为本发明中WRF-ARW气象场模拟单元的结构示意图；
图2为本发明中WPS模块的结构示意图；
图3为本发明中CALPUFF模拟单元的结构示意图；
图4为本发明中CALPUFF模拟单元协调模拟流程示意图；
图5为本发明中建立排放源数据库的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
参见图1至图4，本发明公开了一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，包括对变电站附近气象、地形数据进行收集和分析的WRF-ARW气象场模拟单元和对变电站电气设备火灾后烟气混合物数据进行采集和分析的CALPUFF模拟单元；
所述WRF-ARW气象场模拟单元包括前处理部分的WPS模块、WRF-ARW动力内核模块以及后处理部分的可视化模块；气象和地形数据经由WPS模块输入进入WRF-ARW动力内核模块进行数据处理和模型模拟，最后由可视化模块进行输出至的CALPUFF模拟单元；
其中，所述WPS模块包括相互通信连接的将地理数据插入至网格的geogrid单元、能够将气象数据转化为GRIB格式的ungrib单元以及将气象场水平插入网格的metgrid单元，经过上述单元对地理数据、气象数据和气象场水平数据进行预处理；
其中，WRF-ARW动力内核模块构建的基础框架是WRF模型生成初始化数据，包含理想化模拟模型ideal和实时数据模拟模型real，理想化模拟模型ideal根据现有的一维或二维测深为WRF-ARW动力内核模块生成初始条件文件；实时数据模拟模型real从所述WPS模块获得预处理后的数据为WRF-ARW动力内核模块提供适用于WRF模型的气象场，数据经WRF-ARW动力内核模块中ARW/NMM、初始化、数据同化及化学过程等模块和WRF物理过程处理；
所述CALPUFF模拟单元包括相互通信连接的CALMET风场诊断模块、CALPUFF污染扩散模块和CALPOST模块，运行该模块需要输入模拟范围的气象初始场，该气象初始场即为经过WRF-ARW气象场模拟单元输出的气象场，经由CALMET风场诊断模块调整后，可得到最终的气象场，包括逐时风场、温度场、气压、混合层高度、大气稳定度、地形参数以及各种微气象参数等；所述CALMET风场诊断模块用于生成CALPUFF污染扩散模块所需的气象场文件，利用气象监测站点数据和中尺度气象模型模拟数据生成逐时气象场；所述CALPUFF污染扩散模块为CALPUFF模拟单元中的主程序，为污染物浓度模拟模块，在通过CALMET风场诊断模块计算得出的气象场基础上来模拟污染物在研究区域内的迁移转化过程；所述CALPOST模块是CALPUFF模拟单元的后处理模块，提取CALPUFF污染扩散模块输出文件中的所需变量，并实现数据输出；
其中，所述CALMET风场诊断模块包括输入文件与通用控制参数、输出选项与气象数据选项、风场参数、混合层高度、温度和降水参数和观测站参数；使用时，通过系统模拟界面中主要用来设置输入文件和相关的输出参数，风场参数设置分五部分，分别为风场影响半径选项、其它风场输入参数、诊断模型输入选项、屏障湖区参数，主要按ALMET.INP文件中的各个组中的参数对应设置，选择源代码默认值即可成功运行，但考虑到计算的准确性，还需要根据实际情况进行调整，且在系统界面中，混合层高度、温度和降水参数部分需要填写相关计算公式的选择和公式中采用的计算常数，观测站参数设置部分，需要根据所采用的数据进行填写，内容有：站点名称、编号、XY坐标和时区，对地表观测站来说，还要获取风速计所在的高度，一般为10m。
其中，所述CALPUFF污染扩散模块中运用模拟或预测非定常及非稳态条件下的多种污染物、多层次的高斯型扩散模型，结合外部输入污染排放源的相关数据，从而得到随时间、空间位置变化的气象因素下的污染物(如SO2、NO2等)的质量浓度分布情况；在CALPUFF污染扩散模块中，还可以对模拟结果的接收点位置进行设置，接收点有两种类型：网格化的的接收点和离散接收点；网格化的接收点分三层，在前面的地图投影，网格参数和时间部分中，已经设置了三种形式的网格化接收点，除此之外，为了便于将计算结果同监测站给出的监测数据进行比较，还需要将各监测站作为离散点，设置他们的x、Y坐标，所在位置的海拔和接收点高度参数。
其中，所述CALPOST模块将根据CALPUFF污染扩散模块生成的浓度的二进制文件转化为可直接读取或是被图形软件处理的形式，根据用户的选择将CALPOST模块设置为可输出模拟的污染物在一定时段内的逐时或逐日的质量浓度、干湿沉降以及能见度等数据。
实施例2
一种变电站电气设备火灾残留物检测分析方法，包括以下步骤：
S1、经过WRF-ARW气象场模拟单元进行气象场模拟，对变电站附近气象、地形数据收集和分析，输出气象初始场至CALMET风场诊断模块，经CALMET风场诊断模块调整后，得到最终的气象场；
S2、确认排放特征、建立排放源数据库：确定变电站电气设备火灾混合烟气的排放特征，包括颗粒物粒径分布、污染物气-粒分配、排放量与排放高度等，作为CALPUFF污染扩散模块的污染源排放输入数据，先收集点源、面源及线源数据，根据排放因子法计算获得点源、面源及线源污染物排放量，再结合CALPUFF污染扩散模块中模型对输入数据的校正，建立污染排放源数据库，如图5所示；其中，关于颗粒物的研究目前主要集中在质量浓度、单颗粒特征、粒度分布、显微形貌、化学组成等方面；电气设备燃烧后也必然会产生大气颗粒物，但目前对电气设备火灾后烟气混合物排放特征的研究极少，因此，本项目首先要确定电气火灾烟气混合物的排放特征，尤其是颗粒物的分布；
S3、对电气设备火灾残留物中各抽样点的沉降通量进行数值仿真计算模拟，包括沉降速率计算和转化速率计算，进而估算污染物在环境介质中的时空分布，同时对CALPUFF污染扩散模块中模型的参数进行优化；其中，对于干沉降的沉降速率计算的模型如下：
vd＝F/χs
vd-干沉降速度，m/s；
F-污染物沉降通量，g/m2/s；
χs-表示污染物浓度，g/m3。
对于湿沉降，使用经验消除参数来计算由于降水产生的湿沉降通量和污染物损耗。消除参数需要根据污染物种类和降水的类型来确定；
S4、分析沉降物进行源解析：结合上述模拟输出的数值，分析获得不同暴露时间下火灾残留物中污染物在环境中浓度的变化和空间分布情况，结合各抽样点沉降通量，并采用正定矩阵因子分解模型对大气沉降中的污染源进行源解析。
其中，所述步骤S3在CALPUFF污染扩散模块中沉降速率的计算设置有三个方式：直接使用阻力沉降模型来对气体/颗粒物的速率进行预测、用户指定每种污染物的以24小时为一周期的沉降速率以及忽略干沉降的计算；在CALPUFF污染扩散模块中转化速率的计算设置有二个方式：借鉴MESOPUFF II模型，考虑涉及到的五种物质的化学转化，包括SO2，SO4 2-，NO，HNO3 -和NOa -；由用户指定的逐日变化的污染物质化学转化速率。
其中，所述步骤S3的CALPUFF污染扩散模块中还包含烟团的分割算法，对烟团受垂直风剪切影响的情况进行模拟。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，其特征在于：包括对变电站附近气象、地形数据进行收集和分析的WRF-ARW气象场模拟单元和对变电站电气设备火灾后烟气混合物数据进行采集和分析的CALPUFF模拟单元；
所述WRF-ARW气象场模拟单元包括前处理部分的WPS模块、WRF-ARW动力内核模块以及后处理部分的可视化模块；气象和地形数据经由WPS模块输入进入WRF-ARW动力内核模块进行数据处理和模型模拟，最后由可视化模块进行输出至的CALPUFF模拟单元；其中，所述WRF-ARW动力内核模块构建的基础框架是WRF模型生成初始化数据，包含理想化模拟模型ideal和实时数据模拟模型real，理想化模拟模型ideal生成初始条件文件；实时数据模拟模型real从所述WPS模块获得预处理后的数据经过处理生成气象初始场数据；
所述CALPUFF模拟单元包括相互通信连接的CALMET风场诊断模块、CALPUFF污染扩散模块和CALPOST模块；所述CALMET风场诊断模块用于生成CALPUFF污染扩散模块所需的气象场文件；所述CALPUFF污染扩散模块为CALPUFF模拟单元中的主程序，在通过CALMET风场诊断模块计算得出的气象场基础上来模拟污染物在研究区域内的迁移转化过程；所述CALPOST模块是CALPUFF模拟单元的后处理模块，提取CALPUFF污染扩散模块输出文件中的所需变量，并实现数据输出；其中，所述CALPUFF污染扩散模块中运用模拟或预测非定常及非稳态条件下的多种污染物、多层次的高斯型扩散模型，结合外部输入污染排放源的相关数据，从而得到随时间、空间位置变化的气象因素下的污染物的质量浓度分布情况。
2.如权利要求1所述的一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，其特征在于：所述WPS模块包括相互通信连接的将地理数据插入至网格的geogrid单元、能够将气象数据转化为GRIB格式的ungrib单元以及将气象场水平插入网格的metgrid单元。
3.如权利要求1所述的一种变电站电气设备火灾残留物检测分析系统，其特征在于：所述CALPOST模块将根据CALPUFF污染扩散模块生成的浓度的二进制文件转化为可直接读取或是被图形软件处理的形式。
4.一种变电站电气设备火灾残留物检测分析方法，其特征在于：利用如权利要求1至3任一所述的系统进行变电站电气设备火灾残留物检测分析。
5.如权利要求4所述的一种变电站电气设备火灾残留物检测分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、经过WRF-ARW气象场模拟单元进行气象场模拟，对变电站附近气象、地形数据收集和分析，输出气象初始场至CALMET风场诊断模块，经CALMET风场诊断模块调整后，得到最终的气象场：
S2、确认排放特征、建立排放源数据库：确定变电站电气设备火灾混合烟气的排放特征，作为CALPUFF污染扩散模块的污染源排放输入数据，结合CALPUFF污染扩散模块中模型对输入数据的校正，建立污染排放源数据库；
S3、对电气设备火灾残留物中各抽样点的沉降通量进行数值仿真计算模拟，包括沉降速率计算和转化速率计算，进而估算污染物在环境介质中的时空分布，同时对CALPUFF污染扩散模块中模型的参数进行优化；
S4、分析沉降物进行源解析：结合上述模拟输出的数值，分析获得不同暴露时间下火灾残留物中污染物在环境中浓度的变化和空间分布情况，结合各抽样点沉降通量，并采用正定矩阵因子分解模型对大气沉降中的污染源进行源解析。
6.如权利要求5所述的一种变电站电气设备火灾残留物检测分析方法，其特征在于：所述步骤S3在CALPUFF污染扩散模块中沉降速率的计算设置有三个方式：直接使用阻力沉降模型来对气体/颗粒物的速率进行预测、用户指定每种污染物的以24小时为一周期的沉降速率以及忽略干沉降的计算；在CALPUFF污染扩散模块中转化速率的计算设置有二个方式：借鉴MESOPUFF II模型，考虑涉及到的五种物质的化学转化，包括SO2，SO4 2-，NO，HNO3 -和NOa -；由用户指定的逐日变化的污染物质化学转化速率。
7.如权利要求5所述的一种变电站电气设备火灾残留物检测分析方法，其特征在于：所述步骤S3的CALPUFF污染扩散模块中还包含烟团的分割算法，对烟团受垂直风剪切影响的情况进行模拟。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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