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分布式电气火灾监控系统

发布时间:2015-8-28 10:13:57  作者:固德力安

  分布式电气火灾监控系统的应用研究

  摘要:将分布式控制的理念应用于电气火灾监控系统中,对电气火灾产生的原因进行分析,阐述电气火灾监测器的组成与结构。从硬件结构、数据采集、分布式控制网络构建方面着手,尤其是在管理的策略上,提出了与PLC联动和分区域分时段的处理方法,以提高系统的准确率和报警灵敏度,降低误报率。在用户界面方面,基于B/S的浏览方案,使系统在实时监控和智能操作上更具优点,同时该系统满足国家标准设计要求。

  关键词:电气火灾;分布式控制;剩余电流;智能监控;电气火灾监控系统

  0引言

  在工业控制领域,控制系统已由传统的集中控制向分布式控制改变,需要进行远程检测和控制以保证设备的安全。常见的电气故障引发的火灾更是设备安全中不容忽视的问题。针对现代化生产控制系统分布式的特点,如何能更好地对电气火灾进行分析、检测、诊断和定位显得至关重要的。基于Web的嵌入式系统远程监控方式,利用Internet网络,通过浏览器可以实时检测由电气故障引发的电气火灾,并在远程监控室进行相应的操作,这能有效地应对电气火灾问题。在电气故障火灾预警中,控制器通过相应的管理策略对可能引发的严重性进行预测与分级,并在发生重大电气故障时能够与生产系统进行联动以执行相应的操作。

  1、电气火灾的故障分析

  电气火灾监控系统通过检测电气线路的故障和异常状态能有效地预防电气火灾的发生。其中相间短路、原件和电缆超负荷过载、接触电阻过大和接地故障等电气线路故障是导致电气火灾的根本原因。

  由电气火灾发生的原因可知,在发生大部分电气故障时,由于电流过大,温度升高,断路器做出判断,执行断开动作;而由于接地故障引起的线路故障,常常使用剩余电流检测,利用脱扣器断开线路来预防:因此,检测电气线路的温度和剩余电流能预防大部分电气火灾发生。

  2、电气火灾监控器检测原理

  剩余电流是低压配电线路中各相(含中性线)电流矢量和不为零的电流,当线路中产生的剩余电流达

  到300~500mA时,线路破损处容易与接地导体发生电火花现象,造成火灾事故。因此利用传感器对电气线路中的剩余电流、温度和线路等参数进行采集、分析和判断,当超出预警设定值时则输出报警信号,及时进行相应操作和处理,有效避免常见的电气火灾的发生。

  剩余电流检测器是基于基尔霍夫电流定律,通过检测主回路电流瞬时值的矢量和来检测剩余电流。

  如图1所示,检测剩余电流时,让三相线和中性线穿过电流互感器,当系统发生线路故障,剩余电流互感器将感应到的二次侧电流传输到监控器的剩余电流采集模块,经过信号滤波,A/D采样转换,完成信号的输出。

电气火灾监控器检测示意图.jpg

  3、电气火灾监控系统的硬件(网络)组成

  3.1、电力火灾监控系统的特点

  传统的剩余电流保护器主要由检测原件、信号放大、剩余电流鉴别电流、执行元件等组成(见图2)。利用保护器原件固化电路,当经信号放大电路放大的信号和保护器门限电压(即额定剩余动作电流进行鉴别、比较),当放大后的信号大于等于门限电压时,发送给执行电路信号,执行断开操作。针对电网中不同分级保护和针对不同负荷,固化型的鉴别电路不能保证高精确的电流保护动作,而且容易造成选型的麻烦。

传统的剩余电流保护器组成图副??1.jpg

  使用分布式的控制原理,将测得的剩余电流利用总线结构,传输至监控系统主机,由系统主机通过预先设置好的数据库来进行比较。在负荷发生变化时,能根据实际情况实时维护数据库,保证系统的有效运行,并且在电力火灾监控系统中加入了线路过电流、温度检测使判断更为精确(见图3)。

电气火灾监控器结??1.jpg

  3.2、Modbus总线结构与通信协议

  在智能楼宇和工业控制领域,Modbus总线结构能够很好地和其他协议的设备通过转换接口进行通信,实现有效的一体化控制(见图4)。在工业领域,西门子s7—200系列的PLC支持Modbus通信。在楼宇控制系统中,普遍支持BACnet、Lonworks、Modbus通信协议,并且有专门的控制器实现不同协议的转换。所以在火灾报警系统中,Modbus通信协议具有很强的兼容性。

系统的Modbus总线结构-??.jpg

  4、电气火灾监控系统的管理策略

  4.1与工业PLC进行联动

  在传统的系统中,只考虑到系统的单一化特点,当发生电气火灾预警时,仅仅通过现场控制器发出命令,利用脱扣器断开断路器,以阻止电气火灾的发生。在简单的应用背景下,实现简单的操作能够快速有效地防止情况的恶化;但是在工业生产领域,简单地断开供电的断路器,容易造成生产事故的发生,因为生产工艺开启需要一步步的执行,结束也需要一步步的停止:因此,在电气火灾监控系统中,通过网络接口,与PLC生产系统互联,将能有效地避免此类问题的发生,体现了其重要性。

  基于Modbus的总线结构,利用网络接口(网关),将PLC连接至总线上。当火灾预警发生时,且达到最高危险级别,需要执行停机操作时,电气火灾监控器将停机信号传至总线上,工作站的操作员决定是否执行停机操作,通过现场人员的实时判断,可以有效地解决误报警造成生产损失的问题。当操作员决定执行停机操作时,PLC接收命令,执行生产系统的停机。当所有步骤已准备完成时,PLC将完成的信号传至上位机,此时火灾报警监控系统的现场监控器将发出脱扣信号,继电器断开。

  其实此系统的思想可以使用于工业系统中。在民用的智能楼宇中,将电气火灾的报警系统和空调系统相联动,当火灾发生时,可以调节空调的工况,利用防排烟系统实现排烟操作。

  4.2分时段、分区域的优化管理

  相比较目前剩余电流式的电气火灾报警系统存在的误报和漏报的问题,网络化、分布式的系统结构还具有能够根据实际情况配置设置点,实现有别于传统报警系统的优点。利用实时数据库存储数据,使分时段分区域的火灾报警管理成为可能。

  在传统的系统中,剩余电流报警阈值为人工设定的固定值,这样的设置自适应能力不足,且当用电环境发生改变时(例如启动设备的增加和减少),报警阈值将会和实际情况造成偏差,造成漏报或误报的情况,报警灵敏度也会有所改变。

  在现场测试中,将不同的功能区分成A(生产区域)、B(办公楼区域)两个区域(可以根据实际情况任意将区域按相似性分成若干区域),并将A、B分为夏、冬两个不同的季节考虑。

  对A、B两个区域的正常时间的剩余电流进行长期实时的跟踪监测,绘制了随时间变化的趋势(见图5)。

  图5中,A1表示区域A夏季中一天的剩余电流变化,A2表示区域A冬季中一天的剩余电流变化;B1表示办公楼区域B夏季中一天的剩余电流变化,B2表示办公楼区域夏季中一天的剩余电流变化。

  从图5中,我们还可以看到,对于区域A剩余电流随时间和季节的变化并不明显,基本维持在同一水平,这是由于区域A的生产状况决定的——因为生产区域在正常情况下为24h不间断地运行,生产的活动并不会因为白天或者夜晚、夏季或者冬季有所不同,所以A1和A2的剩余电流趋势基本相同。

  对于区域B,比较B1与A1、B2和A2,我们可以明显地看到,剩余电流随着一天24h有着明显的变化:在白天办公时间,剩余电流形成一个峰值;在下班时间则急速地降低。比较B1与B2,我们可以看到其趋势大致相同;但是B2的剩余电流在峰值时刻的数值比B1要大,这是由于在冬天负荷比夏天大,分析其原因是由于空调在制热的负荷比制冷时候的负荷要大。

  分析A、B的区域,若是采用传统的固定的剩余电流阈值的方法,对于B区域将会造成灵敏度过低的问题。针对这一情况,我们首先将采集到的剩余电流进行均衡化处理,进行直线分段拟合。

  对于区域A,采用全段拟合的方法。由图5和经验

剩余电流随时间变化趋势图.jpg

01.jpg

对于在处理过程中的分段函数的端点出现的不重合的现象,通过对两线段的延伸,取新的交点确定新的tl,t2,t3,t4。

  通过此方法,确定了拟合的线性曲线见图6。将剩余电流曲线线性化后,针对不同区域和时段,选用不同的阈值。

  对于区域A,在0~24h的时间内,将剩余电流阈值,剩余电流阚值:6(1+A)初定15%。根据实际系统的情况和长期观察的报警情况,监控主机能够实时调节百分值,以使误报率和准确率达到符合系统满意的标准。

  对于区域B,在不同的时段将剩余电流阈值

02.jpg

拟合的线性剩余电流曲线图.jpg

与区域A相同,根据实际系统的情况和长期观察的报警情况,监控主机能够实时调节,以使误报率和准确率达到符合系统满意的标准。得到的阈值曲线如图7。

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  5、远程客户平台的数据访问设计

  通过链接入局域网和Internet远程访问,将采集到的数据内置Web服务器的后台数据库中,实现数据的监控,而且可以发送指令。使用Web浏览器能够实现跨平台的数据访问。基于HTML的网页设计可以用于显示系统的状态、趋势、警报和事件。状态浏览器以一种易于理解的表格形式,显示动态数据,例如实时温度、剩余电流等。趋势浏览器将历史记录的数据以曲线图的形式显示。报警浏览器允许用户通过互联网对警报和事件监视进行操作。操作者能够在报警浏览器中对报警进行读取、确认、阻止和分类。

  6结语

  对分布式的电气火灾监控系统实现剩余电流、温度以及过电流的监控,能够有效地对潜在的危险进行预警,以实现防火的要求。其中管理策略的加入更能有效地提高系统的安全性和灵敏度。

  参考文献

  1.电气火灾监控系统在地铁车站应用中的研究

  2.剩余电流式电气火灾监控系统算法的研究


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