李茫茫
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：電氣火災監測與報警已能夠準確、全天監測電氣線路中的漏電、溫度等各項參數的變化，但其智能化水平偏低。基于數字化、功能一體化、智能化的設計思路，采用高速交
流采樣技術、無線射頻識別技術、分布式光纖測溫技術、智能傳感及分析技術、信息可視化技術構建智能化監控系統，并成功應用于實際工程項目。
關鍵詞：電氣火災；智能監控；智能化
0引言
據統計，近10年來我國因電氣原因導致的火災占火災總數的比例一直在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損失。現有電氣火災技術防范措施多是被動防控，即電氣線路、電氣設施、用電器具出現問題或故障后才能發現，防范措施才能發揮作用，而此種情形下火災可能已經發生。如何基于電氣火災發生的規律和特點，有針對性地研發和推廣主動防范技術，即電氣火災監控技術，從根本上預防和減少電氣火災，顯得十分重要。據了解，13本從1978年就強制要求安裝電氣火災預測、預警、預報系統，能夠在電氣火災發生之前消除隱患，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的2％左右。2005年，我國頒布實施了GB 14287—2005《電氣火災監控系統》等標準規范，為電氣火災主動防控技術設計應用和發展提供了契機和依據。筆者認為，要實現對電氣火災有效監控預防，在智能監控技術上有實質性突破。加大電氣火災智能監控系統的推廣應用力度，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合組建攻關組，對電氣火災智能監控技術進行專項創新研究與探索，該項目被公安部批準市項為2011年度國家消防科技攻關項目。經過多年的努力，項目組成功開發了電氣火災監控系統，并已應用于民用建筑及工業企業的電氣防火中，實現了對電氣火災可視化綜合狀態監控與診斷。
1電氣火災防控技術現狀
傳統方法在預防和減少電氣火災方面主要有以下措施：嚴格按照規范要求設計，嚴把安裝施工質量關，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生；按照規范選擇合適的短路、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、超聲波控測等技術對電氣火災隱患進行診斷。這些措施雖然一定程度上預防和減少了電氣火災的發生，但由于缺乏在線監測與預警技術等主動防控技術的有力支撐，還不能從根本上預防和減少電氣火災。
隨著技術的進步，電氣火災監測與報警技術越來越受到重視，出現了電氣火災監控系統。該系統能準確、監測電氣線路中的漏電、溫度等參數的變化。當線路中發生異常時，可迅速發出報警信號并準確定位故障點，通知電氣專業人員及時排查電氣火災隱患，將電氣
火災消滅在萌芽狀態。電氣火災監控系統較之傳統的技術手段的確是一大技術進步，但依然存在諸多不足。
(1)功能單一。偏重于狀態監測及報警保護，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監測，缺乏對高壓設備的狀態監測；偏重民用建筑電氣火災的預防，忽視了工業領域的預防。
(3)網絡化水平低。并非完全網絡化的全數字系統，對外缺乏網絡接口，無法實現信息的對外共享發布，無法組建遠程監測及管理系統。
(4)智能化未實現。未全部實現數字化及智能化，不符合物聯網的技術方向；同時系統缺乏智能分析功能，只局限在監測層級，不符合設備狀態監測領域的技術水平。
(5)可視化不足。監測報警手段傳統單一，缺少圖形化及其他更為直觀的監測報警手段。
2電氣火災智能化綜合監控的總體設計
2.1需求分析
針對目前電氣火災監控產品的缺陷和不足，項目組將“電氣火災智能化綜合監控”這一概念進行了具體化的界定，明確了研發目標、研發方向和技術攻關難點。電氣火災智能化監控是指綜合利用現代信息技術、智能傳感技術及網絡通信技術等，實現電氣火災隱患參數的綜合智能探測、可視化監視、故障診斷、趨勢預測及報警保護，及時發現并消除電氣火災隱患，有效預防和減少電氣火災的發生，同時借助局域網及互聯網，實現系統綜合信息的共享及對外發布，可在此基礎上構建城市電氣火災遠程監控及報警管理系統。基于這一概念，項目組研究的電氣火災監控系統樣機具備以下特征。
(1)數字網絡化系統。基于全數字化的組成單元，通過總線連接，構建功能一體化分布式的網絡系統，不僅是硬件問的網絡連接，同時實現軟件功能組件的分布配合。
(2)功能一體化系統。基于高低壓電氣網絡，實現點／線式狀態探測，實現對高低壓電氣設備、電纜、配電網絡接點、分布式溫度和漏電電流等電氣安全狀態參數的監測。不僅適用于民用建筑電氣火災綜合防控，同樣適用于工業場所的電氣火災防控。
(3)智能信息化系統。實現組成單元的智能化，實現功能的智能化(包括智能診斷、智能分析及智能預測等)。同時對外提供網絡接口，實現信息的遠程發布和監測。
(4)安全可視化系統。在傳統文字監測及聲光報警手段的基礎上，提供直觀的圖形監控及多媒體報警手段，實現電氣火災隱患的一目了然。主要包括狀態監控可視化、故障定位可視化、故障報警可視化、故障分析可視化。
2.2架構設計
智能化監控系統基于嵌入式軟硬件平臺，嚴格遵從“設備智能化、系統網絡化、狀態信息化、安全可視化”的產品定位，構建一體化分布式電氣火災智能化綜合監控系統。系統架構基于物聯網系統模型及B／s軟件體系，按照“感知層、通信層、應用層”標準實施系統建模。系統組成具體包括：處于感知層的電氣火災監控探測器、無線溫度探測器、分布式感溫光纜等；處于網絡層的通信網絡、現場總線及實現區域監測管理功能的監控器等；處于應用層的監控設備、遠程監控中心及客戶終端等。系統邏輯結構，如圖1所示。
3關鍵技術
系統智能化監控的實現涉及關鍵點多，網絡架構復雜，需廣泛采用多領域先進技術，主要包括以下方面。
3.1高速交流采樣技術
應用于電壓配電網絡的電氣火災監控探測器，探測的剩余電流值一般在毫安級，標準要求在1 000mA以內，很容易受到周圍電磁環境的干擾出現偏差。該系統剩余電流探測器完全基于嵌入式硬件智能模塊及RTOS實時操作系統，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，經計算及處理后以數字信號經通信接口輸出，充分保證了采樣值的準確有效。
3.2 RFID無線射頻識別技術
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。系統基于Zigbee高頻無線網絡規范，采用RFID技術，實現高壓電氣溫度的非接觸式探測與發送，這也是物聯網核心技術在電氣火災監控中的實際應用。
高壓溫度探測器包括采集發射探頭及接收裝置。在具體實現過程中，前者完成高壓設備溫度的探測及轉換，通過RFID芯片以射頻方式發送溫度值；后者集中接收經無線網絡發來的溫度數據信息，匯總后發送給監控主機處理判斷。
3.3 DTS分布式光纖測溫技術
有別于接點探測方式，實現電纜溫度的連續探測必然要求線式溫度探測器。代替傳統的感溫電纜方式，采用目前先進的DTS分布式光纖測溫技術，包括高頻脈沖激光技術、光纖拉曼光譜技術、光波分復用技術、光時域反射技術等。該技術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一光譜原理實現的。具體實現上，當在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖時，激光在光纖中向前傳播的同時，自發產生拉曼散射光波，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出光纖散射點的溫度變化。同時，根據光纖中光波的傳輸速度與探測時問的物理關系，可以對溫度信息點進行定位。
3.4智能傳感及分析技術
隨著物聯網的技術發展，現場探測器實現智能傳感成為必然要求。系統探測器均采取智能模塊與常規傳感器的有效集成方式，實現現場參數的智能感知。包括溫度探測器及剩余電流探測器，統一研制為智能探測器，這符合“設備智能化”的研發定位，也是實現系統網絡化數字化的前提條件。統一采用ARM系列嵌入式硬件平臺及RTOS軟件操作平臺，基于C語占開發的應用功能軟件，實現傳感器的參數采集、處理與協議發送。智能分析技術包括智能故障診斷、故障分析及趨勢預測。通過趨勢曲線做到掌控故障前的設備狀態變化趨勢，通過診斷分析確定故障產生后的事故原因及處理措施。這需要基于豐富的專家經驗知識庫，結合實時報警信息，通過故障診斷軟件模塊實現故障類型、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
信息可視化應用到電氣火災監控上，就是將電氣安全狀態及參數以圖形或圖像化的形式，實現對電氣故障隱患的一目了然，并提供更為直觀的多媒體報警手段，使電氣安全盡在掌控。系統基于自主開發的圖形組態軟件、大型商用數據庫及網絡化的軟硬平臺，實現電氣火災監控的可視化，成功帶領了電氣火災監控技術的發展。包括狀態監測可視化、故障定位可視化、故障報警可視化及故障分析可視化。具體實現上，通過圖形組態軟件實現面面編輯生成，包括地理圖、狀態圖、電氣圖以及曲線圖等，將實時數據及報警信息通過映射方式反映到界面上，完成實時圖形監測；通過應用功能模塊實現聲光、語音、打印、短信電話報警方式。
4安科瑞安全用電云平臺及選型
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能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、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，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發現問題并實施排查，避免火災的發生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統通過集中監控，使得數據通過每個節點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的監控和管理。
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
（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計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
（5）監控探測終端產品滿足國家法律法規和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過國家消防產品質量監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、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管系統平臺。
4.2產品選型
4.2.1漏電火災監控探測器
4.2.2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。
AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺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，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
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。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
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，并發出聲光報警信號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
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。
配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，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，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
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模塊是一款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，如發生報警，會實時上傳數據。
4.2.6溫度傳感器
溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
5結束語
實施電氣火災智能監控，對有效提升電氣火災防控的技術水平，克服現有電氣火災監控或報警系統的局限和弊端，降低電氣火災發生率，優勢明顯。項目組研發的電氣火災監控系統已成功運用在鄭州大學附屬醫院綜合病房樓(28層、120000m2)、鄭東新區千禧廣場(63層、240000m2)、平煤神馬煤化工集團等工程項目中。工程實踐證明，將智能化監控技術廣泛應用于電氣火災的監控及預防，實現電氣火災可視化監視、預測、報警、分析及處置等功能，實現電氣火災監控信息化，可有效拓展電氣火災監控的應用領域及監測范圍，大大提高電氣火災的防控水平與技術水平，對保護人民生命財產安全及構建和諧社會具有重要意義。
參考文獻
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