CN113744483B - 一种电气火灾监测的物联网总线系统及控制方法 - Google Patents

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CN113744483B CN202110804137.2A CN202110804137A CN113744483B CN 113744483 B CN113744483 B CN 113744483B CN 202110804137 A CN202110804137 A CN 202110804137A CN 113744483 B CN113744483 B CN 113744483B
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Abstract

本发明公开了一种电气火灾监测的物联网总线系统及控制方法，该系统包括：断路器、电流传感器、温度传感器、MCU模块、继电器回路、电力载波模块、环境温度传感器；该控制方法包括：温度监测电气火灾和电流监测电气火灾。本发明充分结合导线电流图谱特征、电流过负荷、接头监测区域温度图谱特征等信息，既可以可靠监测过负荷等常规电气火灾引发隐患，又能监测漏电、接触不良等引发的电气火花等具有紊乱电流特征的电气火灾引发隐患，以及不具有紊乱电流特征的绝缘持续破坏等电气火灾隐患，同时历史图谱的记忆可以减少一些特异性设备的电流特性导致的误动作，可以成为智能插座、开关的主要物联网模块，具有广泛的市场价值。

Description

一种电气火灾监测的物联网总线系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电气火灾监测技术领域，尤其涉及一种电气火灾监测的物联网 总线系统及控制方法。
背景技术
电气火灾引发的因素有很多，其中主要是由于电气线路及其相关设备土壤 释放大量热量而产生的，当线路的表面具备了燃烧条件，电气线路和周围的易 燃性物体就有可能被引燃，从而造成严重的火灾现象。电气火灾除了雷电和强 静电等自然现象之外，主要还有线路短路、接触电阻过大、超载、漏电等现象 引起的。目前针对电气火灾防范还是以绝缘监测等预防措施为主，在线监测电 气火灾的成熟产品相对较少。线路的短路、漏电当超过一定的限值时，断路器 过流保护或漏电保护都可以良好动作，但造成电气火灾的多数在动作限值以内， 而较小的限值会导致线路的负载能力较弱，较大的限值又难以准确地隔离线路 短路、接触电阻过大、超载、漏电等局部事故。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种电气火灾 监测的物联网总线系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种电气火灾监测的物联网总线系统，该系统包括：断路器、 电流传感器、温度传感器、MCU模块、继电器、电力载波模块、环境温度传 感器；其中：
MCU模块为中心控制器，配置了4个具有0～5V电压采集通道，4个TTL 接口和8个5V开关量输出接口；电流传感器、温度传感器为0～5V电压输出， 电力载波模块为TTL输出；环境温度传感器、电流传感器、温度传感器分别 与MCU模块的0～5V电压采集通道相连，用于采集环境温度、导线电流和导 线温度；继电器与MCU模块的5V开关量输出相连；断路器由继电器的常开 节点接入220V交流电源，用于控制通断，电力载波模块和MCU模块通过TTL 端口相连；MCU模块根据采集到的数据进行火灾判断，判断方法包括温度监 测电气火灾和电流监测电气火灾。
本发明提供一种电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，该方法包括 温度监测电气火灾和电流监测电气火灾，其中：
温度监测电气火灾包括以下步骤：
步骤A1、导线表面温度采集：将温度传感器固定在所需监测的导线表面， 设置一定的采样频率，实时采集温度传感器所监测的导线表面温度，形成温度 采集时间序列，并计算温度的每秒实时有效值；
步骤A2、导线表面温度分析与存储：按温度采集时间序列和每秒实时有 效值，形成导线表面温度图谱，按时间序列形成导线表面温度温升序列；
步骤A3、动作判据生成：根据导线表面温度图谱和导线表面温度温升序 列，计算导线表面温度温升判据和导线表面温度超温判据，并采集环境温度测 量值，若导线表面温度温升判据和导线表面温度超温判据均大于一定阈值，或 环境温度测量值大于一定阈值，则判定疑似电气火灾；
步骤A4、若不满足温度监测电气火灾判定条件，则进一步判定是否满足 电流监测电气火灾；
电流监测电气火灾包括以下步骤：
步骤B1、导线电流采集：将电流传感器固定在所需监测的导线中，设置 一定的采样频率，实时采集监测导线的瞬态电流，形成电流采集时间序列，并 计算电流的每周波实时有效值；
步骤B2、导线电流分析与存储：按电流采集时间序列，形成导线电流图 谱，按电流的每周波实时有效值形成导线电流变化序列；
步骤B3、挂载负载判断：进行挂载负荷判断与负荷曲线记忆；
步骤B4、紊乱曲线判断：读取电流图谱历史数据，通过相似度计算Sim 判断该电流紊乱是否存在误动作紊乱曲线或者动作紊乱曲线；
步骤B5、负荷三角波的判别：当出现绝缘破坏，未发生显著的放电现象， 从绝缘破坏到接触急剧升温起火之间有段绝缘持续恶化的现象，此时曲线呈现 出三角波特征，表明该现象非设备启动运行引起；
步骤B6、传统的过流与过负荷判断：通过对过流趋势设定一定阈值，判 断为短路引起还是负荷过流。
进一步地，本发明的所述步骤A1包括：
采样频率为50HZ，实时采集温度传感器所监测的导线表面温度为Td，形 成温度采集时间序列为Td(1),...,Td(n)；温度的每秒实时有效值为Tdo(n)的计算 为：
Figure BDA0003165729470000031
其中，k、n表示自然数。
进一步地，本发明的所述步骤A2包括：
图谱每秒存储成1个长字符串，每1小时形成一个图谱，按以下格式方式 保存：
TStr(n)＝TStr(n-1)+','+String(Td0(n))
导线表面温度温升序列为：
Tro(n)＝Tdo(n)-Tdo(n-1)。
进一步地，本发明的所述步骤A3包括：
动作判据的生成：
Figure BDA0003165729470000032
Figure BDA0003165729470000033
其中，Ξ(n)为导线表面温度温升判据，Λ(n)为导线表面温度超温判据；其 中Ξ(n)判据用于判断短路或者电气火灾，Λ(n)用于判断过载或者绝缘下降等特 征；Te(n)为环境温度测量值，由环境温度传感器采集；
如果Ξ(n)>0.5且Λ(n)>0.2，或者Te(n)>60，则判定疑似电气火灾。
进一步地，本发明的所述步骤B1包括：
采样频率为4000HZ，实时采集所监测的导线瞬态电流为Id，形成电流采 集时间序列Id(1),...,Id(n)；电流的每周波实时有效值Ido(n)的计算为：
Figure BDA0003165729470000041
其中，k、n表示自然数。
进一步地，本发明的所述步骤B2包括：
图谱每秒存储成1个长字符串，每1小时形成一个图谱，按以下格式方式 保存：
IStr(n)＝Istr(n-1)+′,′+String(Id0(n))
其中，String表示将数字字符串化。
导线电流变化序列为：
Iro(n)＝Ido(n)-Ido(n-1)。
进一步地，本发明的所述步骤B3包括：
挂载负荷判断，取每1S的Iro(n)、Ido(n)曲线进行挂载负荷判断与负荷曲 线记忆；
特征1：Ido(n)曲线呈现方波为主体的特征，且max[Iro(n)]＜2A[Ido(n)]；
其中max[Iro(n)]为Iro(n)的最大值；A[Ido(n)]为Ido(n)曲线的方波幅值；
特征2:1S内的电流曲线的方波特征判断；
Figure BDA0003165729470000042
A[Ido(n)]＝max(ISO(n)-ISO(n-1)，ISO(n)-ISO(n-2))
正常情况下，一个负荷接入开关后1S内会趋于平衡；其特征为平均阶跃 值
Figure BDA0003165729470000043
最大阶跃值
Figure BDA0003165729470000044
和瞬时阶跃值
Figure BDA0003165729470000045
分别标记为
Figure BDA0003165729470000046
ΔImax(n)、ΔI(n)；
如果ΔI(n)连续稳定在
Figure BDA0003165729470000048
附近，即
Figure BDA0003165729470000047
则定义为负 荷接入，并查询该负荷曲线，曲线相似法通过面积法进行判断；如果属于未记 忆负荷曲线，则存储该曲线。
进一步地，本发明的所述步骤B4包括：
当出现接触不良或者绝缘破坏，负荷曲线会因为放电现象呈现紊乱状况， 也就是ΔI(n)的波动较为频繁，波动范围>10％，则判定为紊乱曲线，该紊乱现 象会持续一段时间；
Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)＜0.05ΔI(n)
Sim[Λ(ΔI(n))，Λb(i)(ΔI(n))]＜0.1
其中：Λb(i)(ΔI(n))为预存记录的具有容错的紊乱曲线，i为所存储的图谱序 号，与存储图谱数相关，Λ(ΔI(n))为当前的曲线；曲线的判断一方面根据其波动 范围，另一方面查找是否有相近的紊乱曲线，曲线相似比较法采用幅值概率分 布；定义幅值Ak的概率分布为P(Ak)，则两个曲线的相似度表达为：
Figure BDA0003165729470000051
紊乱曲线一方面不满足Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)＜0.05ΔI(n)，且持续一定时间，并 且在紊乱曲线库中找不到类似的误动作曲线或存在类似的动作曲线，该紊乱现 象非设备启动运行引起的。
进一步地，本发明的所述步骤B5和B6包括：
当出现绝缘破坏，未发生显著的放电现象，从绝缘破坏到接触急剧升温起 火之间有段绝缘持续恶化的现象；此时Λ(ΔI(n))曲线呈现出三角波特征，也就是 式Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)＞0.01ΔI(n)保持持续电流增加现象1S以上，并且在稳定电 流增长曲线中没有类似的情况，也就是式Sim[Λ(ΔI(n))，Λb(i)(ΔI(n))]＜0.1在曲线比较 库中不存在，表面该现象非设备启动运行引起的；
过流与过负荷判断：
Figure BDA0003165729470000052
Ido(n)＞1.5Ie
其中，Ie为额定电流，ΞI(n)为过流趋势判断，过流条件Ido(n)＞1.5Ie满足， 且ΞI(n)>0.5判断为短路引起的，否则为负荷过流。
本发明产生的有益效果是：本发明的电气火灾监测的物联网总线系统及控 制方法，充分结合导线电流图谱特征、电流过负荷、接头监测区域温度图谱特 征等信息，既可以可靠监测过负荷等常规电气火灾引发隐患，又能监测漏电、 接触不良等引发的电气火花等具有紊乱电流特征的电气火灾引发隐患，以及不 具有紊乱电流特征的绝缘持续破坏等电气火灾隐患，同时历史图谱的记忆可以 减少一些特异性设备的电流特性导致的误动作。载波通讯设计使得本装置与一 次开关的安装为一体，可以成为智能插座、开关的主要物联网模块，具有广泛 的市场价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的系统结构示意图；
图2是本发明实施例的连接结构示意图；
图3是本发明实施例的方法流程图；
图4是本发明实施例的方法流程图；
图5是本发明实施例的传感器连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的电气火灾监测的物联网总线系统，硬件主要由①断路器， ②电流传感器，③温度传感器，④MCU及辅助电路，⑤继电器，⑥电力载波 模块，⑦环境温度传感器等7部分组成。电流传感器①采用0.2级精度的单相 交流互感器，用于监测输出端的电流实时变化，电流的采样频率为1000HZ， 数据滤波采用均值滤波，每个数据的监测时间间隔为20ms，也就是一个周波。 温度传感器②采样频率为50HZ，数据滤波采用均值滤波，每个数据的监测时 间间隔为1s。
硬件电路中断路器①为分体，可选用断路器、干式继电器等，驱动电压建 议从输入端引入，经过继电器回路⑤的一对常开节点。断路器的选型根据实际 的用电负荷确定，本发明实施例中选16A电磁式断路器作为实施案例。
本发明实施例的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，每一组电气 防火系统由主控中心和若干子节点组成，其连接与通讯方式直接通过电力线进 行载波通讯，每组节点管控的距离大约在500米～3000米之间，具体管控范围 与服务对象的电气配线方式相关，需要通过现场实测确定。总控制中心模块和 子站模块结构一致，可以通过4G模块将动作信息或者参数传递至云端。该方 法包括以下步骤：
STEP1：导线温度采集，并进行Tdo(n)数据滤波，环境温度采集，环境温 度通过传感器自身进行数据滤波。
STEP2：导线温度图谱Ξ(n)、Λ(n)图谱特征提取，是否满足Ξ(n)>0.5且 Λ(n)>0.2疑似电气起火特征。
STEP3：如果存在电气火灾特性通过电力载波通讯模块将动作信息发送至 控制中心，并作用于本级开关。如果不存在电气火灾特性则判断环境温度是否 超温60℃，如果环境温度超温60℃则将动作信息发送至控制中心，并作用于 本级开关。其中超温限值60℃可以根据实际情况进行设定。
STEP4：如果设备动作10S后，疑似电气起火特征持续存在，且环境温度 和Tdo(n)持续增加20S，则通过电力载波通讯模块将动作信息发送至控制中心， 申请上一级开关动作。
STEP5：如果温度电气起火特征不存在则进一步判断电流起火特征。导线 电流采集，并进行Ido(n)数据滤波。
STEP6：导线电流图谱Δ(n)、Λ(ΔI(n))提取，是否满足Λ[ΔI(n)]＞0.01ΔI(n)的持续波动0.2S以上的疑似电气起火特征。
STEP7：如果不存在判断Ido(n)＞1.5Ie、ΞI(n)>0.5过流特征同时存在则判断 电气起火故障趋势，通过电力载波通讯模块将动作信息发送至控制中心，申请 本级开关动作。不同时存在则判定为过流特征，通过STEP1-STEP4导线温升 判据动作设备过流。
STEP8：存在电流紊乱特征，则通过IStr(n)读取电流图谱历史数据，通过 相似度计算Sim判断该电流紊乱是否存在误动作紊乱曲线或者动作紊乱曲线。
STEP9：如果存在误动作紊乱曲线，则通过STEP1-STEP4导线温升判据 动作设备过流。
STEP10：如果存在动作紊乱曲线或不存在误动作紊乱曲线，通过电力载 波通讯模块将动作信息发送至控制中心，申请本级开关动作。并保存紊乱曲线。
STEP11：如果持续存在动作紊乱曲线2S，则通过电力载波通讯模块将动 作信息发送至控制中心，申请上一级开关动作。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进 或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，通过电气火灾监测的物联网总线系统实现，该系统包括：断路器、电流传感器、温度传感器、MCU模块、继电器、电力载波模块、环境温度传感器；其中：
MCU模块为中心控制器，配置了4个具有0～5V电压采集通道，4个TTL接口和8个5V开关量输出接口；电流传感器、温度传感器为0～5V电压输出，电力载波模块为TTL输出；环境温度传感器、电流传感器、温度传感器分别与MCU模块的0～5V电压采集通道相连，用于采集环境温度、导线电流和导线温度；继电器与MCU模块的5V开关量输出相连；断路器由继电器的常开节点接入220V交流电源，用于控制通断，电力载波模块和MCU模块通过TTL端口相连；MCU模块根据采集到的数据进行火灾判断，判断方法包括温度监测电气火灾和电流监测电气火灾；
该方法包括温度监测电气火灾和电流监测电气火灾，其中：
温度监测电气火灾包括以下步骤：
步骤A1、导线表面温度采集：将温度传感器固定在所需监测的导线表面，设置一定的采样频率，实时采集温度传感器所监测的导线表面温度，形成温度采集时间序列，并计算温度的每秒实时有效值；
步骤A2、导线表面温度分析与存储：按温度采集时间序列和每秒实时有效值，形成导线表面温度图谱，按时间序列形成导线表面温度温升序列；
步骤A3、动作判据生成：根据导线表面温度图谱和导线表面温度温升序列，计算导线表面温度温升判据和导线表面温度超温判据，并采集环境温度测量值，若导线表面温度温升判据和导线表面温度超温判据均大于一定阈值，或环境温度测量值大于一定阈值，则判定疑似电气火灾；
步骤A4、若不满足温度监测电气火灾判定条件，则进一步判定是否满足电流监测电气火灾；
电流监测电气火灾包括以下步骤：
步骤B1、导线电流采集：将电流传感器固定在所需监测的导线中，设置一定的采样频率，实时采集监测导线的瞬态电流，形成电流采集时间序列，并计算电流的每周波实时有效值；
步骤B2、导线电流分析与存储：按电流采集时间序列，形成导线电流图谱，按电流的每周波实时有效值形成导线电流变化序列；
步骤B3、挂载负载判断：进行挂载负荷判断与负荷曲线记忆；
步骤B4、紊乱曲线判断：读取电流图谱历史数据，通过相似度计算Sim判断该电流紊乱是否存在误动作紊乱曲线或者动作紊乱曲线；
步骤B5、负荷三角波特征的判别：当出现绝缘破坏，未发生显著的放电现象，从绝缘破坏到接触急剧升温起火之间有段绝缘持续恶化的现象，此时曲线呈现出三角波特征，表明该现象非设备启动运行引起；
步骤B6、传统的过流与过负荷判断：通过对过流趋势设定一定阈值，判断为短路引起还是负荷过流。
2.根据权利要求1所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤A1包括：
采样频率为50HZ，实时采集温度传感器所监测的导线表面温度为Td，形成温度采集时间序列为Td(1),...,Td(n)；温度的每秒实时有效值为Tdo(n)的计算为：
Figure FDA0003893675480000021
其中，k、n表示自然数。
3.根据权利要求2所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤A2包括：
图谱每秒存储成1个长字符串，每1小时形成一个图谱，按以下格式方式保存：
TStr(n)＝TStr(n-1)+','+String(Td0(n))
导线表面温度温升序列为：
Tro(n)＝Tdo(n)-Tdo(n-1)。
4.根据权利要求3所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤A3包括：
动作判据的生成：
Figure FDA0003893675480000031
Figure FDA0003893675480000032
其中，Ξ(n)为导线表面温度温升判据，Λ(n)为导线表面温度超温判据；其中Ξ(n)判据用于判断短路或者电气火灾，Λ(n)用于判断过载或者绝缘下降特征；Te(n)为环境温度测量值，由环境温度传感器采集；
如果Ξ(n)>0.5且Λ(n)>0.2，或者Te(n)>60，则判定疑似电气火灾。
5.根据权利要求1所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤B1包括：
采样频率为4000HZ，实时采集所监测的导线瞬态电流为Id，形成电流采集时间序列Id(1),...,Id(n)；电流的每周波实时有效值Ido(n)的计算为：
Figure FDA0003893675480000033
其中，k、n表示自然数。
6.根据权利要求5所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤B2包括：
图谱每秒存储成1个长字符串，每1小时形成一个图谱，按以下格式方式保存：
IStr(n)＝Istr(n-1)+′,′+String(Id0(n))
其中，String表示将数字字符串化；
导线电流变化序列为：
Iro(n)＝Ido(n)-Ido(n-1)。
7.根据权利要求6所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤B3包括：
挂载负荷判断，取每1S的Iro(n)、Ido(n)曲线进行挂载负荷判断与负荷曲线记忆；
特征1：Ido(n)曲线呈现方波为主体的特征，且max[Iro(n)]<2A[Ido(n)]；
其中max[Iro(n)]为Iro(n)的最大值；A[Ido(n)]为Ido(n)曲线的方波幅值；
特征2:1S内的电流曲线的方波特征判断；
Figure FDA0003893675480000041
A[Ido(n)]＝max(ISO(n)-ISO(n-1)，ISO(n)-ISO(n-2))
正常情况下，一个负荷接入开关后1S内会趋于平衡；其特征为平均阶跃值
Figure FDA0003893675480000042
最大阶跃值
Figure FDA0003893675480000043
和瞬时阶跃值
Figure FDA0003893675480000044
分别标记为
Figure FDA0003893675480000045
ΔImax(n)、ΔI(n)；
如果ΔI(n)连续稳定在
Figure FDA0003893675480000046
附近，即
Figure FDA0003893675480000047
则定义为负荷接入，并查询该负荷曲线，曲线相似法通过面积法进行判断；如果属于未记忆负荷曲线，则存储该曲线。
8.根据权利要求7所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤B4包括：
当出现接触不良或者绝缘破坏，负荷曲线会因为放电现象呈现紊乱状况，也就是ΔI(n)的波动较为频繁，波动范围>10％，则判定为紊乱曲线，该紊乱现象会持续一段时间；
Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)<0.05ΔI(n)
Sim[Λ(ΔI(n))，Λb(i)(ΔI(n))]<0.1
其中：Λb(i)(ΔI(n))为预存记录的具有容错的紊乱曲线，i为所存储的图谱序号，与存储图谱数相关，Λ(ΔI(n))为当前的曲线；曲线的判断一方面根据其波动范围，另一方面查找是否有相近的紊乱曲线，曲线相似比较法采用幅值概率分布；定义幅值Ak的概率分布为P(Ak)，则两个曲线的相似度表达为：
Figure FDA0003893675480000048
紊乱曲线一方面不满足Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)<0.05ΔI(n)，且持续一定时间，并且在紊乱曲线库中找不到类似的误动作曲线或存在类似的动作曲线，该紊乱现象非设备启动运行引起的。
9.根据权利要求8所述的电气火灾监测的物联网总线系统的控制方法，其特征在于，所述步骤B5和B6包括：
当出现绝缘破坏，未发生显著的放电现象，从绝缘破坏到接触急剧升温起火之间有段绝缘持续恶化的现象；此时Λ(ΔI(n))曲线呈现出三角波特征，也就是式Λ[ΔI(n)]＝ΔI(n)-ΔI(n-1)>0.01ΔI(n)保持持续电流增加现象1S以上，并且在稳定电流增长曲线中没有类似的情况，也就是式Sim[Λ(ΔI(n))，Λb(i)(ΔI(n))]<0.1在曲线比较库中不存在，表面该现象非设备启动运行引起的；
过流与过负荷判断：
Figure FDA0003893675480000051
Ido(n)>1.5Ie
其中，Ie为额定电流，ΞI(n)为过流趋势判断，过流条件Ido(n)>1.5Ie满足，且ΞI(n)>0.5判断为短路引起的，否则为负荷过流。
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