CN113223263A - 一种基于物联网的电气火灾监测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于物联网的电气火灾监测系统，其包括：监测单元，用于监测供电线路中各相电压、电流、功率以及剩余电流，并将电压、电流、功率以及剩余电流作为监测信息；云处理平台，包括计算模块和云服务器，计算模块用于接收监测单元输出的监测信息，根据监测信息进行预警判断,当监测信息达到其对应的预警阈值,则输出告警信息；云服务器用于接收计算模块输出的告警信息以及监测信息并上传,且还用于接收外部控制命令并传输至监测单元；智能终端，连接于云服务器，接收告警信息并提示；电磁开关，设置于供电线路上，根据告警信息并切断；智能插座，连接于云服务器，用于显示监测信息。本申请具有提高供电线路的供电安全性的效果。

Description

一种基于物联网的电气火灾监测系统
技术领域
本申请涉及物联网的领域，尤其是涉及一种基于物联网的电气火灾监测系统。
背景技术
电气火灾是指用电设备、电气线路、接地电弧、雷击、静电等等电的热效应导致电器设备内部、电气线路、周边可燃物起火引发的火灾，随着社会的不断进步，我国众多建筑内部设备应用电气线路越来越多，电气线路短路、老化等原因引发火灾的机率急剧上升，设置电气火灾监控系统做到早期预警就具有重要的意义。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在以下缺陷：现有电气火灾监控系统只能在过载时切断电路，但是并未能对人们使用电器时预先提示，而过载/过流瞬时切断电路时可能会对用电设备造成损伤，还需要人们求助专业人员维修，因此给用户造成了不便。
发明内容
为了提高供电线路的供电安全性，本申请提供一种基于物联网的电气火灾监测系统。
本申请提供的一种基于物联网的电气火灾监测系统采用如下的技术方案：
一种基于物联网的电气火灾监测系统，
监测单元，用于监测供电线路中各相电压、电流、功率以及剩余电流，并将电压、电流、功率以及剩余电流作为监测信息；
云处理平台，包括计算模块和云服务器，计算模块用于接收监测单元输出的监测信息，根据监测信息进行预警判断,当监测信息达到其对应的预警阈值,则输出告警信息；云服务器用于接收计算模块输出的告警信息以及监测信息并上传,且还用于接收外部控制命令并传输至监测单元；
智能终端，连接于云服务器，接收告警信息并提示；
电磁开关，设置于供电线路上，根据告警信息并切断；
智能插座，连接于云服务器，用于显示监测信息。
通过采用上述技术方案，监测单元用于采集监测信息，智能插座设置于用电单元所在的区域内（如厂房/房间），当用电单元对应的供电线路接入用电设备时，可随时观察智能插座上的监测信息，并根据需要接入的用电设备的额定功率，判断是否可接入线路中，以造成供电线路过载/过流造成火灾隐患。而当供电线路过载/过流/过压/出现剩余电流时，电磁开关切断且对应的供电线路对电路起到保护作用，同时计算模块输出告警信息，云服务器将告警信息转送至智能终端，工作人员即便不在工作现场也能及时获取电气故障信息，便于工作人员快速到达现场进行电路检修。
可选的，所述监测单元包括电源电路、电流电压采样电路、HLW8102采集电路、剩余电流互感器、电流电压放大电路、输出控制电路和输出放电电路，电流电压采样电路与供电线路的交流输入端连接，剩余电流互感器、电流电压采样电路、电流电压放大电路均与HLW8102采集电路连接，HLW8102采集电路的输出端与输出控制电路连接，输出控制电路用于控制电磁开关的通断，采集电路的输出端与输出放电电路连接。
通过采用上述技术方案，采用HLW8102采集电路为电量计量中心保证了供电线路参数种类的可靠性，采用电流电压放大电路能够对电流、电压的微小变化进行反馈，提高了监测单元的监测可靠性。
可选的，对剩余电流互感器检测到的感应电流依次进行电流大小判断、电流频率判断以及波形形态判断，所述波形形态判断包括：采用正弦波计算方法计算波形面积获得波形有效值A；波形有效值A＝(峰峰值/2)*0.707＝幅值*0.707；取多个区间，采用积分法计算波形的面积，求平均值，获得波形有效值B；根据：|波形有效值B-波形有效值A|/波形有效值B，计算差值百分比；将所述差值百分比与设定报警阈值对比，如小于设定报警阈值，则正常报警，如大于设定报警阈值，则不报警。
通过采用上述技术方案，对剩余电流互感器检测到的感应电流依次进行了三次判断，分别为电流大小判断、电流频率判断以及波形形态判断；在波形形态判断中，采用正弦波计算方法计算波形面积获得波形有效值A，此值为非准确值，仅是适用于正弦波的计算值，而采用积分法的计算方法，为电流对应的实际准确值，该种计算方法适用于所有波形，而采用两种不同的波形有效值计算方法进行对比，分析偏差的比率，如果没有偏差，或偏差不大，则证明该漏电非高次谐波引起的无害剩余电流，而属于正常漏电，需要进行报警，而当偏差较大时，则证明该漏电实际是高次谐波引起的无害剩余电流，属于无害电流，则无需报警。
可选的，所述计算模块内设置有早期阈值，当监测信息达到早期阈值，则在第一阈值时间段内以第一阈值采集频率传输监测信息。
通过采用上述技术方案，现有绝大多数类型的监测单元通过运营商无线公网几分钟或十几分钟上传一次随机抽样实时数据，当监测信息到达其对应的早期阈值时，说明该线路可能存在发生火灾的隐患，此时增加对该条线路监测信息的采集频率以及传送频率，以保证计算模块能够及时发现线路故障并反馈。
可选的，告警信息至少包括监测单元位置、监测单元ID、数据上报频率和最新上报数据时间，所述云服务器还用于存储历史数据信息，历史数据信息包括当前时间节点前的报警信息。
通过采用上述技术方案，反馈监测单元的位置便于工作人员及时定位出现故障的线路所在的位置，便于及时检修；存储历史数据信息便于对可能存在的“故障频发”事件进行分析，以判断故障出现的原因。
可选的，
所述云服务器存储并记忆各个监测单元的历史数据信息，针对每个监测单元，当其对应的监测信息对应有告警信息时，云服务器调用历史数据信息并反馈至智能终端；
所述云服务器根据历史数据信息构建监测单元对应用电单元的用电行为信息，根据用户行为信息构建用户用电画像模型，利用训练好的用户用电画像模型，对实时采集的数据进行评估以确定计算模块内与该监测单元对应的预警阈值。
通过采用上述技术方案，每个用户单元根据历史用电数据对应有不同的监测信息，每个供电线路对应有不同的负载量以及预警阈值，根据历史数据信息便于工作人员合理规划该用户单元内的线路布设。
可选的，所述云服务器还用于存储误报事件，所述误报事件包括误报时间以及获取到的误报分析数据。
通过采用上述技术方案，工作人员对误报事件的原因进行分析并存储至智能终端，当误报事件存在一定的相似性时，说明误报事件并非偶然性而存在一定的规律，此时可对供电线路以及监测单元均进行调整，以降低监测系统的误报率。
可选的，所述智能插座内设置有温度检测模块，所述温度检测模块用于采集智能插座并输出实时温度值，每个温度采集模块均与计算模块连接；所述计算模块内设置有基准温度信息，计算模块用于将实时温度信与基准温度信息进行比较以获得温度差值，所述温度差值包括智能插座的实时温度值与历史温度平均值的温度差、同一节点下所有插座的实时温度值的温度差、智能插座的实时温度值与环境温度值的温度差，计算模块根据温度差超过温度阈值的温度采集模块生成关断信息，智能插座根据关断信息切断电源。
通过采用上述技术方案，智能插座不但能够对用户接入用电设备时对于线路的使用情况起到提示作用，当智能插座的温度较高时，说明智能插座可能处于过载状态而导致发热，此时切断该智能插座，可预防供电线路上发生过载，对电器和线路均起到保护作用。
可选的，监测单元包括绝缘老化检测模块，所述绝缘老化检测模块通过电流传感器实时监测电气线路L线上的电流值I，监测频率为每秒N次（N≥2000）,并通过控制器计算得到L-N线绝缘阻抗值R；计算L-N线绝缘阻抗值R的速率；控制器内存储有基准变化速率，判断L-N线绝缘阻抗值R的变化值是否大于基准变化速率，若是，则生成老化提示信息，计算模块根据老化提示信息控制电磁开关切断。
可选的，计算模块根据L-N线绝缘阻抗值R调节该供电线路在内对应的预警阈值。
通过采用上述技术方案，通过采集供电线路的绝缘阻抗值数据，并根据绝缘阻抗电阻值的变化调节该供电线路的预警阈值，使预警阈值能够随供电线路的老化情况而降低，实现了在未更换供电线路前，能够在线路负载超过其当前预警阈值时及时切断线路。
附图说明
图1是本申请实施例的系统框图；
图2是监测单元的结构示意图；
图3是监测单元中电源电路的电路示意图；
图4是电流电压采样电路和电流电压放大电路的电路示意图；
图5是输出控制电路的电路示意图；
图6是输出放电电路的电路示意图；
图7是绝缘老化检测模块的系统框图。
附图标记说明：1、监测单元；11、电流电压采样电路；12、HLW8102采集电路；121、输出控制电路；122、输出放电电路；13、剩余电流互感器；131、电流电压放大电路；14、误报监测模块；15、电源电路；16、绝缘老化检测模块；161、电流传感器；162、控制器；2、云处理平台；21、计算模块；22、云服务器；3、智能终端；4、电磁开关；5、智能插座。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种基于物联网的电气火灾监测系统。参照图1和图2，一种基于物联网的电气火灾监测系统包括监测单元1、云处理平台2、智能终端3、电磁开关4和智能插座5，监测单元1用于监测供电线路中各相电压、电流、功率以及剩余电流，并将电压、电流、功率以及剩余电流作为监测信息；云处理平台2包括计算模块21和云服务器22，计算模块21用于接收监测单元1输出的监测信息，根据监测信息进行预警判断,当监测信息达到其对应的预警阈值,则输出告警信息；云服务器22用于接收计算模块21输出的告警信息以及监测信息并上传,且还用于接收外部控制命令并传输至监测单元1；智能终端3远程接入云服务器22，接收告警信息并提示；电磁开关4设置于供电线路上，根据告警信息并切断；智能插座5远程接入云服务器22，用于显示监测信息。
上述监测系统的监测原理为：监测单元1设置在监控现场（即用电单元），监控现场按照应用场景可划分为每个小区、每个小区的每个单元、每个单元的每个住户…，监测单元1用于采集用电单元对应的供电线路上的检测剩余电流、电流、电压、功率信息，并将该剩余电流、电流、电压、功率信息作为监控信息传递至计算模块21，实现了对供电线路二十四小时监控的功能，计算模块21对监测信息是否存在异常（即超出预警阈值）进行判断，其中，预警阈值为数据集合，该集合中包含有与每个电量参数类型相对应的阈值，其可表示为：{剩余电流阈值，电流阈值，电压阈值，功率阈值…}，告警信息至少包括监测单元1位置、监测单元1ID、数据上报频率和最新上报数据时间。智能插座5的功能为分配多路电源，智能插座5在用电单元处可设置多个；当用电单元对应的供电线路接入用电设备时，可随时观察智能插座5上的监测信息，并根据需要接入的用电设备的额定功率，判断是否可接入线路中（即是否会造成供电线路过载/过流），通过提前预知的方式，减小供电线路和用电设备由于用电不当导致的损伤，且减轻了专业维修人员的检修工作量。而当供电线路过载/过流/过压/出现剩余电流时，电磁开关4切断且对应的供电线路对电路起到保护作用，同时计算模块21输出告警信息，云服务器22将告警信息转送至智能终端3，工作人员即便不在工作现场也能及时获取电气故障信息，便于工作人员快速到达现场进行电路检修。
参照图1，监测单元1通过GPRS/NB-IOT/2G/3G/4G/LTEeMTC或5G直接接入网络与计算模块21，或者通过LoRa/Ziggbee/WIFI/SigFox接入网关实现组网并通过网关接入网络与计算模块21，云服务器22与远程智能终端3通过WiFi、GPRS或4G连接。
参照图2-图6，监测单元1包括电源电路15、电流电压采样电路11、HLW8102采集电路12、剩余电流互感器13、电流电压放大电路131、输出控制电路121和输出放电电路122，电流电压采样电路11与供电线路的交流输入端连接，剩余电流互感器13、电流电压采样电路11、电流电压放大电路131均与HLW8102采集电路12连接，电流电压放大电路131与控制单元连接。采用HLW8102采集电路12为电量计量中心保证了供电线路参数种类的可靠性，采用电流电压放大电路131能够对电流、电压的微小变化进行反馈，提高了监测单元1的监测可靠性。
参照图2，对剩余电流进行采集时，由于电流汇中的高次谐波的干扰，可能会影响剩余电流互感器13误报，因此本申请实施例还设置有误报监测模块14，误报监测模块14用于对剩余电流互感器13检测到的感应电流依次进行电流大小判断、电流频率判断以及波形形态判断，波形形态判断包括：采用正弦波计算方法计算波形面积获得波形有效值A；波形有效值A＝(峰峰值/2)*0.707＝幅值*0.707；取多个区间，采用积分法计算波形的面积，求平均值，获得波形有效值B；根据：|波形有效值B-波形有效值A|/波形有效值B，计算差值百分比；将差值百分比与设定报警阈值对比，如小于设定报警阈值，则正常报警，如大于设定报警阈值，则不报警。对剩余电流互感器13检测到的感应电流依次进行了三次判断，分别为电流大小判断、电流频率判断以及波形形态判断；在波形形态判断中，采用正弦波计算方法计算波形面积获得波形有效值A，此值为非准确值，仅是适用于正弦波的计算值，而采用积分法的计算方法，为电流对应的实际准确值，该种计算方法适用于所有波形，而采用两种不同的波形有效值计算方法进行对比，分析偏差的比率，如果没有偏差，或偏差不大，则证明该漏电非高次谐波引起的无害剩余电流，而属于正常漏电，需要进行报警，而当偏差较大时，则证明该漏电实际是高次谐波引起的无害剩余电流，属于无害电流，则无需报警。
计算模块21内设置有早期阈值，当监测信息达到早期阈值，则在第一阈值时间段内以第一阈值采集频率传输监测信息。现有绝大多数类型的监测单元1通过运营商无线公网几分钟或十几分钟上传一次随机抽样实时数据，当监测信息到达其对应的早期阈值时，说明该线路可能存在发生火灾的隐患，此时增加对该条线路监测信息的采集频率以及传送频率，以保证计算模块21能够及时发现线路故障并反馈。
云服务器22还用于存储历史数据信息，历史数据信息包括当前时间节点前的报警信息；云服务器22存储并记忆各个监测单元1的历史数据信息，针对每个监测单元1，当其对应的监测信息对应有告警信息时，云服务器22调用历史数据信息并反馈至智能终端3；云服务器22根据历史数据信息构建监测单元1对应用电单元的用电行为信息，根据用户行为信息构建用户用电画像模型，利用训练好的用户用电画像模型，对实时采集的数据进行评估以确定计算模块21内与该监测单元1对应的预警阈值；云服务器22还用于存储误报事件，误报事件包括误报时间以及获取到的误报分析数据。反馈监测单元1的位置便于工作人员及时定位出现故障的线路所在的位置，便于及时检修；存储历史数据信息便于对可能存在的“故障频发”事件进行分析，以判断故障出现的原因；每个用户单元根据历史用电数据对应有不同的监测信息，每个供电线路对应有不同的负载量以及预警阈值，根据历史数据信息便于工作人员合理规划该用户单元内的线路布设；工作人员对误报事件的原因进行分析并存储至智能终端3，当误报事件存在一定的相似性时，说明误报事件并非偶然性而存在一定的规律，此时可对供电线路以及监测单元1均进行调整，以降低监测系统的误报率。
智能插座5内设置有温度检测模块，温度检测模块用于采集智能插座5并输出实时温度值，每个温度采集模块均与计算模块21连接；计算模块21内设置有基准温度信息，计算模块21用于将实时温度信与基准温度信息进行比较以获得温度差值，温度差值包括智能插座5的实时温度值与历史温度平均值的温度差、同一节点下所有插座的实时温度值的温度差、智能插座5的实时温度值与环境温度值的温度差，计算模块21根据温度差超过温度阈值的温度采集模块生成关断信息，智能插座5根据关断信息切断电源。智能插座5不但能够对用户接入用电设备时对于线路的使用情况起到提示作用，当智能插座5的温度较高时，说明智能插座5可能处于过载状态而导致发热，此时切断该智能插座5，可预防供电线路上发生过载，对电器和线路均起到保护作用。
参照图2和图7，监测单元1还包括绝缘老化检测模块16，绝缘老化检测模块16A、通过电流传感器161和控制器162实时监测电气线路L线上的电流值S，监测频率为每秒；通过控制器162计算每小时L-N线绝缘阻抗值R的变化值的导数V和二阶导数a；通过控制器162识别:若V的绝对值≥0.429/小时，且a的绝对值≥0.019/小时/小时则判定电气线路L-N线出现加速绝缘劣化，则生成老化提示信息，电流传感器161为霍尔电流传感器161，计算模块21根据老化提示信息控制电磁开关4切断，计算模块21根据L-N线绝缘阻抗值R调节该供电线路在内对应的预警阈值。通过采集供电线路的绝缘阻抗值数据，并根据绝缘阻抗电阻值的变化调节该供电线路的预警阈值，使预警阈值能够随供电线路的老化情况而降低，实现了在未更换供电线路前，能够在线路负载超过其当前预警阈值时及时切断线路。
本申请实施例一种基于物联网的电气火灾监测系统的实施原理为：监测单元1用于采集监测信息，智能插座5设置于用电单元所在的区域内（如厂房/房间），当用电单元对应的供电线路接入用电设备时，可随时观察智能插座5上的监测信息，并根据需要接入的用电设备的额定功率，判断是否可接入线路中，以造成供电线路过载/过流造成火灾隐患；而当供电线路过载/过流/过压/出现剩余电流时，电磁开关4切断且对应的供电线路对电路起到保护作用，同时计算模块21输出告警信息，云服务器22将告警信息转送至智能终端3，工作人员即便不在工作现场也能及时获取电气故障信息，便于工作人员快速到达现场进行电路检修。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，包括：
监测单元(1),用于监测供电线路中各相电压、电流、功率以及剩余电流，并将电压、电流、功率以及剩余电流作为监测信息；
云处理平台(2)，包括计算模块(21)和云服务器(22)，计算模块(21)用于接收监测单元(1)输出的监测信息，根据监测信息进行预警判断,当监测信息达到其对应的预警阈值,则输出告警信息；云服务器(22)用于接收计算模块(21)输出的告警信息以及监测信息并上传,且还用于接收外部控制命令并传输至监测单元(1)；
智能终端(3)，连接于云服务器(22)，接收告警信息并提示；
电磁开关(4)，设置于供电线路上，根据告警信息并切断；
智能插座(5)，连接于云服务器(22)，用于显示监测信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，所述监测单元(1)包括电源电路(15)、电流电压采样电路(11)、HLW8102采集电路(12)、剩余电流互感器(13)、电流电压放大电路(131)、输出控制电路(121)和输出放电电路(122)，电流电压采样电路(11)与供电线路的交流输入端连接，剩余电流互感器(13)、电流电压采样电路(11)、电流电压放大电路(131)均与HLW8102采集电路(12)连接，HLW8102采集电路(12)的输出端与输出控制电路(121)连接，输出控制电路(121)用于控制电磁开关(4)的通断，采集电路的输出端与输出放电电路(122)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，对剩余电流互感器(13)检测到的感应电流依次进行电流大小判断、电流频率判断以及波形形态判断，所述波形形态判断包括：采用正弦波计算方法计算波形面积获得波形有效值A；波形有效值A＝(峰峰值/2)*0.707＝幅值*0.707；取多个区间，采用积分法计算波形的面积，求平均值，获得波形有效值B；根据：|波形有效值B-波形有效值A|/波形有效值B，计算差值百分比；将所述差值百分比与设定报警阈值对比，如小于设定报警阈值，则正常报警，如大于设定报警阈值，则不报警。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，所述计算模块(21)内设置有早期阈值，当监测信息达到早期阈值，则在第一阈值时间段内以第一阈值采集频率传输监测信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，告警信息至少包括监测单元(1)位置、监测单元(1)ID、数据上报频率和最新上报数据时间，所述云服务器(22)还用于存储历史数据信息，历史数据信息包括当前时间节点前的报警信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，
所述云服务器(22)存储并记忆各个监测单元(1)的历史数据信息，针对每个监测单元(1)，当其对应的监测信息对应有告警信息时，云服务器(22)调用历史数据信息并反馈至智能终端(3)；
所述云服务器(22)根据历史数据信息构建监测单元(1)对应用电单元的用电行为信息，根据用户行为信息构建用户用电画像模型，利用训练好的用户用电画像模型，对实时采集的数据进行评估以确定计算模块(21)内与该监测单元(1)对应的预警阈值。
7.根据权利要求5所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，所述云服务器(22)还用于存储误报事件，所述误报事件包括误报时间以及获取到的误报分析数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，所述智能插座(5)内设置有温度检测模块，所述温度检测模块用于采集智能插座(5)并输出实时温度值，每个温度采集模块均与计算模块(21)连接；所述计算模块(21)内设置有基准温度信息，计算模块(21)用于将实时温度信与基准温度信息进行比较以获得温度差值，所述温度差值包括智能插座(5)的实时温度值与历史温度平均值的温度差、同一节点下所有插座的实时温度值的温度差、智能插座(5)的实时温度值与环境温度值的温度差，计算模块(21)根据温度差超过温度阈值的温度采集模块生成关断信息，智能插座(5)根据关断信息切断电源。
9.根据权利要求1所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，监测单元(1)包括绝缘老化检测模块(16)，所述绝缘老化检测模块(16)通过电流传感器(161)实时监测电气线路L线上的电流值I，监测频率为每秒N次（N≥2000）,并通过控制器(162)计算得到L-N线绝缘阻抗值R；计算L-N线绝缘阻抗值R的速率；控制器(162)内存储有基准变化速率，判断L-N线绝缘阻抗值R的变化值是否大于基准变化速率，若是，则生成老化提示信息，计算模块(21)根据老化提示信息控制电磁开关(4)切断。
10.根据权利要求9所述的一种基于物联网的电气火灾监测系统，其特征在于，计算模块(21)根据L-N线绝缘阻抗值R调节该供电线路在内对应的预警阈值。
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