電氣火災(zāi)監(jiān)測與早期預(yù)警研究與應(yīng)用

張 驤

（山東電工電氣集團有限公司，山東 濟南 250002）

電氣火災(zāi)是電氣系統(tǒng)中常見的安全隱患，可能導(dǎo)致人員傷亡、財產(chǎn)損失以及生產(chǎn)中斷。電氣火災(zāi)是由于電氣設(shè)備或線路故障、過載、短路等因素引起的火災(zāi)事件。其成因包括電弧、電火花和高溫等[1]。電氣火災(zāi)具有火災(zāi)快速發(fā)展，迅速蔓延的特點，火勢可以在短時間內(nèi)迅速擴大。電氣火災(zāi)高溫高能，釋放的能量和溫度往往較高，會導(dǎo)致周圍物體的燃燒和火災(zāi)蔓延。電氣火災(zāi)常常發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部或電線路的隱藏部分，不易被及時察覺。而且電氣火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧中含有大量有毒氣體，對人員健康造成威脅。

因此，為提高電氣火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)警能力，通過多傳感器的電氣火災(zāi)檢測系統(tǒng)應(yīng)用，能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風險，實現(xiàn)早期預(yù)警，提高對電氣火災(zāi)的防范和控制能力，從而保障人員和財產(chǎn)安全。

1 多傳感器的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 多傳感器監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)采用多傳感器結(jié)合的方式，具有以下優(yōu)點。

1.1.1 多維監(jiān)測

不同類型的傳感器可以監(jiān)測不同的火災(zāi)指標，例如剩余電流、電纜溫度以及電弧等。通過綜合多個指標的監(jiān)測結(jié)果，可以更全面地了解火災(zāi)的發(fā)展情況，提高檢測的準確性和可靠性。

1.1.2 早期預(yù)警

多傳感器的聯(lián)合監(jiān)測能夠提供更早的火災(zāi)預(yù)警。不同的傳感器可以檢測到火災(zāi)發(fā)生的不同階段和跡象，使系統(tǒng)能夠更早地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，從而預(yù)留更多的時間來采取措施，減少火災(zāi)對人員和財產(chǎn)的危害[2]。

1.1.3 假陽性減少

通過多傳感器的信息交叉驗證，可以降低誤報率。不同傳感器的監(jiān)測結(jié)果可以相互確認，減少了因單一傳感器誤報或干擾造成的錯誤警報，提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。

1.1.4 多層防護

多傳感器的應(yīng)用可以實現(xiàn)系統(tǒng)多層防護。每個傳感器監(jiān)測不同的參數(shù)，相互補充，形成一個火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。即使一個傳感器發(fā)生故障或無法正常工作，其他傳感器仍然可以繼續(xù)監(jiān)測，確保系統(tǒng)的持續(xù)可用性。

1.1.5 數(shù)據(jù)分析和決策支持

多傳感器的數(shù)據(jù)可以進行綜合分析，提供更多的信息用于決策支持。對不同傳感器數(shù)據(jù)的整合和分析，可以更準確地判斷火災(zāi)的嚴重程度和發(fā)展趨勢，為滅火和應(yīng)急措施的制定提供參考。

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)多傳感器的應(yīng)用可以提供更全面、準確和可靠的火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警能力，減少誤報率，增加系統(tǒng)的可靠性和靈活性，提供更好的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)[3]。

2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

在電氣火災(zāi)系統(tǒng)中，多傳感器報警實現(xiàn)是非常重要的，它可以提高火災(zāi)檢測的準確性和及時性。軟件邏輯分層設(shè)計是一種常用的軟件架構(gòu)方法，可以有效地將系統(tǒng)劃分為不同層級，使代碼易于維護和擴展。多傳感器報警系統(tǒng)軟件邏輯分層設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯劃分

2.1 硬件傳感器

這是系統(tǒng)的最底層，包括漏電傳感器、溫度傳感器和電弧傳感器的物理連接和數(shù)據(jù)通信。硬件層的任務(wù)是將傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳遞給數(shù)據(jù)采集和處理層。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理層

數(shù)據(jù)采集和處理層接收硬件層傳來的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)濾波、校準和融合，保證傳感器數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。在這一層，將從漏電傳感器獲取漏電電流信息，從溫度傳感器獲取溫度數(shù)據(jù)以及從電弧傳感器獲取電弧事件信息。

2.3 報警決策層

特征提取和識別層根據(jù)從數(shù)據(jù)采集和處理層得到的傳感器數(shù)據(jù)，進行特征提取和事件識別。例如漏電電流的異常、溫度超出預(yù)設(shè)范圍、電弧事件等都可以作為特征進行識別。同時構(gòu)建PID 報警模型，基于報警模型的輸出進行決策。這一層可以設(shè)置不同的閾值和規(guī)則，以判斷是否觸發(fā)報警。例如當漏電電流超過某一設(shè)定值、溫度異?；驒z測到電弧時，觸發(fā)相應(yīng)的報警。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

報警通知與顯示層負責向用戶或操作人員傳遞報警信息?？梢酝ㄟ^聲音、顯示屏和移動應(yīng)用程序等方式進行報警，并提供相關(guān)信息，例如報警類型、時間和具體傳感器信息。數(shù)據(jù)存儲與記錄層負責將報警事件和傳感器數(shù)據(jù)進行記錄和存儲。這對后續(xù)的故障分析、統(tǒng)計和改進系統(tǒng)性能非常重要。為用戶提供友好的操作界面。用戶可以通過這個界面配置系統(tǒng)參數(shù)、查看歷史記錄、設(shè)定報警閾值等。同時將傳感數(shù)據(jù)和報警決策數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)共享，與119 報警平臺連接。

3 多傳感器在電氣火災(zāi)系統(tǒng)中報警

3.1 多傳感器的監(jiān)控報警模型

電氣火災(zāi)監(jiān)控和報警算法的描述，其中，考慮3 個傳感器參數(shù)（溫度、剩余電流、電?。?，并使用設(shè)定的權(quán)重參數(shù)來計算總的輸出值，以觸發(fā)報警和保護措施。溫度（T）、剩余電流（I_r）和電弧檢測（A）。這里使用PID 模型來計算控制輸出（CO），一旦超過預(yù)定的閾值，將觸發(fā)報警或保護措施。

算法步驟如下。

3.1.1 誤差計算

溫度傳感器：

剩余電流傳感器：

電弧傳感器：

3.1.2 每個傳感器參數(shù)的控制輸出

溫度傳感器：

剩余電流傳感器：

電弧傳感器：

3.1.3 總體輸出計算

3.1.4 報警/觸發(fā)保護措施

如果Total_CO（t） ＞Total_CO_threshold，那么觸發(fā)報警，啟動保護措施，例如切斷電源、提醒人員等。

在這個改進算法中，綜合溫度、剩余電流和電弧參數(shù)，并使用設(shè)定的權(quán)重參數(shù)和比例、積分、微分增益來計算每個傳感器參數(shù)的控制輸出，然后將它們加權(quán)相加得到總的輸出值。一旦總體輸出超過預(yù)定的閾值，就會觸發(fā)報警和相應(yīng)的保護措施，以更有效地監(jiān)測和預(yù)防潛在的電氣火災(zāi)風險。權(quán)重參數(shù)和增益的設(shè)定應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用需求和傳感器參數(shù)的特性來確定，保證系統(tǒng)在不同情況下的穩(wěn)定和可靠性。

在報警決策過程中，PID 的各項參數(shù)如何確定，是否符合實際決策需要，是報警準確性的前提。為獲得PID 的參數(shù)，需要進行試驗調(diào)試和優(yōu)化。試錯法是一種常見的手動調(diào)參方法。在實際系統(tǒng)中，通過手動調(diào)整PID 參數(shù)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)，不斷試錯來找到合適的參數(shù)。經(jīng)過大量試驗后，得出以下參數(shù)，見表1。

表1 PID 模型參數(shù)

表1 設(shè)定參數(shù)和閾值表

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)據(jù)采集與處理層的實現(xiàn)中，硬件驅(qū)動程序和傳感器采集程序是2 個關(guān)鍵組成部分。它們負責與傳感器進行物理連接、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以使用的數(shù)字信號。

3.2.1 硬件驅(qū)動程序

硬件驅(qū)動程序是與硬件通信的底層代碼，它負責初始化傳感器，并提供接口，讓其他軟件層與傳感器進行交互。對不同傳感器來說，硬件驅(qū)動程序可能有所不同。這里以漏電傳感器為例，假設(shè)使用1 個漏電傳感器模塊，連接到主控制板的GPIO 引腳上。

傳感器采集程序是建立在硬件驅(qū)動程序上的應(yīng)用層代碼，它調(diào)用硬件驅(qū)動程序來實際采集傳感器數(shù)據(jù)，并進行必要的預(yù)處理。在下面這個例子中，將采集漏電傳感器的數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)濾波

數(shù)據(jù)濾波用于去除信號中的噪聲和不必要的波動，從而得到更平滑和穩(wěn)定的信號。有多種濾波方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波，該文采用的是無限脈沖響應(yīng)（IIR）濾波。IIR 濾波器是一種遞歸濾波器，同時考慮當前輸入和之前輸出的值，使用一定的系數(shù)進行濾波。

IIR 濾波器輸出y[i]在時刻i的計算如公式（8）所示。

式中：x[i]為時刻i的輸入信號；y[i]為時刻i的輸出信號；a[k]為系數(shù)，對應(yīng)先前輸出y[i-k]的權(quán)重；b[k]為系數(shù)，對應(yīng)當前輸入x[i-k]的權(quán)重。

4 結(jié)語

多傳感器火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)是一個用于監(jiān)測電氣火災(zāi)的系統(tǒng)，其中包括溫度傳感器、剩余電流傳感器和電弧傳感器。該系統(tǒng)通過采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和濾波，然后應(yīng)用PID 控制算法進行誤差計算和控制輸出，最終觸發(fā)報警和保護措施。

在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況對系統(tǒng)進行建模、調(diào)試和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠準確預(yù)警火災(zāi)，并采取及時有效的保護措施。同時，對傳感器數(shù)據(jù)采集和算法運行進行持續(xù)監(jiān)控和維護，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。