電氣火災監(jiān)控云平臺的應用與探討

摘 要：電氣火災監(jiān)測與報警已能夠準確、全天監(jiān)測電氣線路中的漏電、溫度等各項參數(shù)的變化，但其智能化水平偏低。基于數(shù)字化、功能體化、智能化的設計思路，采用高速交 

流采樣技術(shù)、無線射頻識別技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、智能傳感及分析技術(shù)、信息可視化技術(shù)構(gòu)建智能化監(jiān)控系統(tǒng)，并成功應用于實際工程項目。 

關(guān)鍵詞：電氣火災；智能監(jiān)控；智能化

 

 

       據(jù)統(tǒng)計，近10年來我因電氣原因?qū)е碌幕馂恼蓟馂目倲?shù)的比例直在30％左右，在較大以上火災中，電氣火災的比例更高，造成了大量人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。現(xiàn)有電氣火災技術(shù)防范措施多是被動防控，即電氣線路、電氣設施、用電器具出現(xiàn)問題或故障后才能發(fā)現(xiàn)，防范措施才能發(fā)揮作用，而此種情形下火災可能已經(jīng)發(fā)生。如何基于電氣火災發(fā)生的規(guī)律和特點，有針對性地研發(fā)和推廣主動防范技術(shù)，即電氣火災監(jiān)控技術(shù)，從根本上預防和減少電氣火災，顯得十分重要。據(jù)了解，13本從1978年就強制要求安裝電氣火災預測、預警、預報系統(tǒng)，能夠在電氣火災發(fā)生之消除隱患，電氣火災的預防和控制做得比較好，電氣火災僅占火災總數(shù)的2％左右。2005年，我頒布實施了GB 14287—2005《電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)》等標準規(guī)范，為電氣火災主動防控技術(shù)設計應用和發(fā)展提供了契機和依據(jù)。筆者認為，要實現(xiàn)對電氣火災有效監(jiān)控預防，在智能監(jiān)控技術(shù)上有實質(zhì)性突破。加大電氣火災智能監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應用力度，才能從根本上預防和減少電氣火災。2009年10月起，河南省消防總隊與某公司聯(lián)合組建攻關(guān)組，對電氣火災智能監(jiān)控技術(shù)進行專項創(chuàng)新研究與探索，該項目被公安部批準市項為2011年度家消防科技攻關(guān)項目。經(jīng)過多年的努力，項目組成功開發(fā)了電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，并已應用于民用建筑及工業(yè)企業(yè)的電氣防火中，實現(xiàn)了對電氣火災可視化綜合狀態(tài)監(jiān)控與診斷。 

 

 

1電氣火災防控技術(shù)現(xiàn)狀 

       傳統(tǒng)方法在預防和減少電氣火災方面主要有以下措施：嚴格按照規(guī)范要求設計，嚴把安裝施工質(zhì)量關(guān)，從設施、設備、線路、器具的選址、選型、設計、安裝等方面預防和減少火災發(fā)生；按照規(guī)范選擇合適的短路、過負荷、漏電、避雷、防靜電、接地等保護方式和裝置；對線路采用穿金屬管、封閉式金屬線槽、難燃塑料管等措施以達到與火源、可燃物等的隔絕；應用紅外線測溫、超聲波控測等技術(shù)對電氣火災隱患進行診斷。這些措施雖然定程度上預防和減少了電氣火災的發(fā)生，但由于缺乏在線監(jiān)測與預警技術(shù)等主動防控技術(shù)的有力支撐，還不能從根本上預防和減少電氣火災。 

       隨著技術(shù)的進步，電氣火災監(jiān)測與報警技術(shù)越來越受到重視，出現(xiàn)了電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能準確、監(jiān)測電氣線路中的漏電、溫度等參數(shù)的變化。當線路中發(fā)生異常時，可迅速發(fā)出報警信號并準確定位故障點，通知電氣專業(yè)人員及時排查電氣火災隱患，將電氣 

火災消滅在萌芽狀態(tài)。電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的技術(shù)手段的確是大技術(shù)進步，但依然存在諸多不足。 

       (1)功能單。偏重于狀態(tài)監(jiān)測及報警保護，缺乏故障診斷、故障分析、趨勢預測等智能分析功能。 

       (2)監(jiān)測面窄。偏重于配電線路漏電及溫度的點式探測。缺乏電纜溫度的分布式線式探測；偏重于對低壓設備的狀態(tài)監(jiān)測，缺乏對高壓設備的狀態(tài)監(jiān)測；偏重民用建筑電氣火災的預防，忽視了工業(yè)領(lǐng)域的預防。 

       (3)網(wǎng)絡化水平低。并非*網(wǎng)絡化的全數(shù)字系統(tǒng)，對外缺乏網(wǎng)絡接口，無法實現(xiàn)信息的對外共享發(fā)布，無法組建遠程監(jiān)測及管理系統(tǒng)。 

       (4)智能化未實現(xiàn)。未全部實現(xiàn)數(shù)字化及智能化，不符合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方向；同時系統(tǒng)缺乏智能分析功能，只局限在監(jiān)測層級，不符合設備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)水平。 

       (5)可視化不足。監(jiān)測報警手段傳統(tǒng)單，缺少圖形化及其他更為直觀的監(jiān)測報警手段。 

 

 

2.1需求分析 

       針對目電氣火災監(jiān)控產(chǎn)品的缺陷和不足，項目組將“電氣火災智能化綜合監(jiān)控”這概念進行了具體化的界定，明確了研發(fā)目標、研發(fā)方向和技術(shù)攻關(guān)難點。電氣火災智能化監(jiān)控是指綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、智能傳感技術(shù)及網(wǎng)絡通信技術(shù)等，實現(xiàn)電氣火災隱患參數(shù)的綜合智能探測、可視化監(jiān)視、故障診斷、趨勢預測及報警保護，及時發(fā)現(xiàn)并消除電氣火災隱患，有效預防和減少電氣火災的發(fā)生，同時借助局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合信息的共享及對外發(fā)布，可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建城市電氣火災遠程監(jiān)控及報警管理系統(tǒng)。基于這概念，項目組研究的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)樣機具備以下特征。 

       (1)數(shù)字網(wǎng)絡化系統(tǒng)。基于全數(shù)字化的組成單元，通過總線連接，構(gòu)建功能體化分布式的網(wǎng)絡系統(tǒng)，不僅是硬件問的網(wǎng)絡連接，同時實現(xiàn)軟件功能組件的分布配合。 

       (2)功能體化系統(tǒng)。基于高低壓電氣網(wǎng)絡，實現(xiàn)點／線式狀態(tài)探測，實現(xiàn)對高低壓電氣設備、電纜、配電網(wǎng)絡接點、分布式溫度和漏電電流等電氣安全狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。不僅適用于民用建筑電氣火災綜合防控，同樣適用于工業(yè)場所的電氣火災防控。 

       (3)智能信息化系統(tǒng)。實現(xiàn)組成單元的智能化，實現(xiàn)功能的智能化(包括智能診斷、智能分析及智能預測等)。同時對外提供網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)信息的遠程發(fā)布和監(jiān)測。 

       (4)安全可視化系統(tǒng)。在傳統(tǒng)文字監(jiān)測及聲光報警手段的基礎(chǔ)上，提供直觀的圖形監(jiān)控及多媒體報警手段，實現(xiàn)電氣火災隱患的目了然。主要包括狀態(tài)監(jiān)控可視化、故障定位可視化、故障報警可視化、故障分析可視化。 

2.2架構(gòu)設計 

       智能化監(jiān)控系統(tǒng)基于嵌入式軟硬件平臺，嚴格遵從“設備智能化、系統(tǒng)網(wǎng)絡化、狀態(tài)信息化、安全可視化”的產(chǎn)品定位，構(gòu)建體化分布式電氣火災智能化綜合監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型及B／s軟件體系，按照“感知層、通信層、應用層”標準實施系統(tǒng)建模。系統(tǒng)組成具體包括：處于感知層的電氣火災監(jiān)控探測器、無線溫度探測器、分布式感溫光纜等；處于網(wǎng)絡層的通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線及實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測管理功能的監(jiān)控器等；處于應用層的監(jiān)控設備、遠程監(jiān)控中心及客戶終端等。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。 

 

       系統(tǒng)智能化監(jiān)控的實現(xiàn)涉及關(guān)鍵點多，網(wǎng)絡架構(gòu)復雜，需廣泛采用多領(lǐng)域技術(shù)，主要包括以下方面。 

3.1高速交流采樣技術(shù) 

       應用于電壓配電網(wǎng)絡的電氣火災監(jiān)控探測器，探測的剩余電流值般在毫安級，標準要求在1 000mA以內(nèi)，很容易受到周圍電磁環(huán)境的干擾出現(xiàn)偏差。該系統(tǒng)剩余電流探測器*基于嵌入式硬件智能模塊及RTOS實時操作系統(tǒng)，進行每周波24點采樣，采用快速全周波傅里葉變換及均值混合算法，有效濾去諧波成分，經(jīng)計算及處理后以數(shù)字信號經(jīng)通信接口輸出，充分保證了采樣值的準確有效。 

3.2 RFID無線射頻識別技術(shù) 

       鑒于高壓電氣設備存在絕緣問題，有線方式的接點溫度探測不再適用。系統(tǒng)基于Zigbee高頻無線網(wǎng)絡規(guī)范，采用RFID技術(shù)，實現(xiàn)高壓電氣溫度的非接觸式探測與發(fā)送，這也是物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)在電氣火災監(jiān)控中的實際應用。 

高壓溫度探測器包括采集發(fā)射探頭及接收裝置。在具體實現(xiàn)過程中，者完成高壓設備溫度的探測及轉(zhuǎn)換，通過RFID芯片以射頻方式發(fā)送溫度值；后者集中接收經(jīng)無線網(wǎng)絡發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)信息，匯總后發(fā)送給監(jiān)控主機處理判斷。 

3.3 DTS分布式光纖測溫技術(shù) 

       有別于接點探測方式，實現(xiàn)電纜溫度的連續(xù)探測必然要求線式溫度探測器。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的感溫電纜方式，采用目的DTS分布式光纖測溫技術(shù)，包括高頻脈沖激光技術(shù)、光纖拉曼光譜技術(shù)、光波分復用技術(shù)、光時域反射技術(shù)等。該技術(shù)的核心是利用激光在光纖中傳播時拉曼散射光強度隨溫度的變化而變化這光譜原理實現(xiàn)的。具體實現(xiàn)上，當在光纖中注入定能量和寬度的激光脈沖時，激光在光纖中向傳播的同時，自發(fā)產(chǎn)生拉曼散射光波，拉曼散射光波的強度受所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，通過獲取沿光纖散射回來的背向拉曼光波可以解調(diào)出光纖散射點的溫度變化。同時，根據(jù)光纖中光波的傳輸速度與探測時問的物理關(guān)系，可以對溫度信息點進行定位。 

3.4智能傳感及分析技術(shù) 

       隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)場探測器實現(xiàn)智能傳感成為必然要求。系統(tǒng)探測器均采取智能模塊與常規(guī)傳感器的有效集成方式，實現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的智能感知。包括溫度探測器及剩余電流探測器，統(tǒng)研制為智能探測器，這符合“設備智能化”的研發(fā)定位，也是實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡化數(shù)字化的提條件。統(tǒng)采用ARM系列嵌入式硬件平臺及RTOS軟件操作平臺，基于C語占開發(fā)的應用功能軟件，實現(xiàn)傳感器的參數(shù)采集、處理與協(xié)議發(fā)送。智能分析技術(shù)包括智能故障診斷、故障分析及趨勢預測。通過趨勢曲線做到掌控故障的設備狀態(tài)變化趨勢，通過診斷分析確定故障產(chǎn)生后的事故原因及處理措施。這需要基于豐富的專家經(jīng)驗知識庫，結(jié)合實時報警信息，通過故障診斷軟件模塊實現(xiàn)故障類型、程度、位置、原因的智能判斷及預報決策等。 

3.5信息可視化技術(shù) 

       信息可視化應用到電氣火災監(jiān)控上，就是將電氣安全狀態(tài)及參數(shù)以圖形或圖像化的形式，實現(xiàn)對電氣故障隱患的目了然，并提供更為直觀的多媒體報警手段，使電氣安全盡在掌控。系統(tǒng)基于自主開發(fā)的圖形組態(tài)軟件、大型商用數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡化的軟硬平臺，實現(xiàn)電氣火災監(jiān)控的可視化，成功帶領(lǐng)了電氣火災監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。包括狀態(tài)監(jiān)測可視化、故障定位可視化、故障報警可視化及故障分析可視化。具體實現(xiàn)上，通過圖形組態(tài)軟件實現(xiàn)面面編輯生成，包括地理圖、狀態(tài)圖、電氣圖以及曲線圖等，將實時數(shù)據(jù)及報警信息通過映射方式反映到界面上，完成實時圖形監(jiān)測；通過應用功能模塊實現(xiàn)聲光、語音、打印、短信電話報警方式。

 

4.1安科瑞安全用電云平臺介紹

       Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監(jiān)控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透傳指令，并時間顯示實時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供火災隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實施排查，避免火災的發(fā)生。另方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務，提升了服務質(zhì)量，對用戶的長遠發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點的4G網(wǎng)絡傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M行統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

 

具體功能如下：

       （1）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。

       （2）安全用電監(jiān)管服務系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實時報警數(shù)據(jù)等，能實時顯示現(xiàn)場服務次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。

       （3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

       （4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統(tǒng)計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。

       （5）監(jiān)控探測終端產(chǎn)品滿足家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監(jiān)控探測器》）的要求，并通過家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗中心提供的消防3C認證。

       （6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網(wǎng)絡接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。

4.2產(chǎn)品選型

4.2.1漏電火災監(jiān)控探測器

4.2.2故障電弧探測器

       安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

       AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

 

4.2.3限流式保護器

       安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

       ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。

       以下是ASCP200-1的主要功能：

       短路保護功能。保護器實時監(jiān)測用電線路電流，當線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

       過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

       表內(nèi)超溫保護功能。當保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

       過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

       配電線纜溫度監(jiān)測功能。當被監(jiān)測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

       漏電流監(jiān)測功能。當被監(jiān)測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。

       保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

4.2.4剩余電流互感器

 

4.2.5 AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

       AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。

       AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會實時上傳數(shù)據(jù)。

4.2.6溫度傳感器

 

       溫度傳感器為熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。

 

       實施電氣火災智能監(jiān)控，對有效提升電氣火災防控的技術(shù)水平，克服現(xiàn)有電氣火災監(jiān)控或報警系統(tǒng)的局限和弊端，降低電氣火災發(fā)生率，勢明顯。項目組研發(fā)的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)已成功運用在鄭州大學附屬醫(yī)院綜合病房樓(28層、120000m2)、鄭東新區(qū)千禧廣場(63層、240000m2)、平煤神馬煤化工集團等工程項目中。工程實踐證明，將智能化監(jiān)控技術(shù)廣泛應用于電氣火災的監(jiān)控及預防，實現(xiàn)電氣火災可視化監(jiān)視、預測、報警、分析及處置等功能，實現(xiàn)電氣火災監(jiān)控信息化，可有效拓展電氣火災監(jiān)控的應用領(lǐng)域及監(jiān)測范圍，大大提高電氣火災的防控水平與技術(shù)水平，對保護人民生命財產(chǎn)安全及構(gòu)建和諧社會具有重要意義。 

 

[1]陳堯．嵌入式電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)設計[D]．武漢：武漢理工大學，2010

[2]韓建平.電氣火災智能監(jiān)控技術(shù)應用與探討.

[3]安科瑞安全用電管理云平臺手冊.2020.02版.