电气火灾智能监控技术应用与探讨
电气火灾智能监控技术应用与探讨
摘要：电气火灾监控系统已能够准确、全天候监测电气线路中的漏电、温度等各项参数的变化，但其智能化水平偏低。基于数字化、功能一体化、智能化的设计思路，采用高速交流采样技术、无线射频识别技术、分布式光纤测温技术、智能传感及分析技术、信息可视化技术构建智能化监控系统，并成功应用于实际工程项目。
关键词：电气火灾;智能监控;
据统计，近10年来我国因电气原因导致的火灾占火灾总数的比例一直在30%左右，在较大以上火灾中，电气火灾的比例更高，造成了大量人员伤亡和重大财产损失。现有电气火灾技术防范措施多是被动防控，即电气线路、电气设施、用电器具出现问题或故障后才能发现，防范措施才能发挥作用，而此种情形下火灾可能已经发生。如何基于电气火灾发生的规律和特点，有针对性地 研发和推广主动防范技术，即电气火灾监控技术，从根本 上预防和减少电气火灾，显得十分重要。据了解，日本从1978年就强制要求安装电气火灾预测、预警、预报系统，能够在电气火灾发生之前消除隐患，电气火灾的预防和控制做得比较好，电气火灾仅占火灾总数的2%左右。
2005年，我国颁布实施了GB14287-2005《电气火灾监控系统》等标准规范，为电气火灾主动防控技术设计应用和发展提供了契机和依据。笔者认为，要真正实现对电气火灾有效监控预防，必须在智能监控技术上有实质性突破。加大电气火灾智能监控系统的推广应用力度，才能从根本上预防和减少电气火灾。2009年10月起，河南省消防总队与河南力安科技有限公司联合组建攻关组，对电气火灾智能监控技术进行专项创新研究与探索，该项目被公安部批准立项为2011年度国家消防科技攻关项目。经过多年的努力，项目组成功开发了电气火灾监控系统，并已应用于民用建筑及工业企业的电气防火中，实现了对电气火灾全天候可视化综合状态监控与诊断。
1电气火灾防控技术现状
传统方法在预防和减少电气火灾方面主要有以下措施：严格按照规范要求设计，严把安装施工质量关，从设施、设备、线路、器具的选址、选型、设计、安装等方面预防和减少火灾发生;按照规范选择合适的短路、过负荷、漏电、避雷、防静电、接地等保护方式和装置;对线路采用穿 金属管、封闭式金属线槽、难燃塑料管等措施以达到与火源、可燃物等的隔绝;应用红外线测温、超声波控测等技术对电气火灾隐患进行诊断。这些措施虽然一定程度上预防和减少了电气火灾的发生，但由于缺乏在线监测与预警技术等主动防控技术的有力支撑，还不能从根本上预防和减少电气火灾。
随着技术的进步，电气火灾监测与报警技术越来越受到重视，出现了电气火灾监控系统。该系统能准确、全天候地监测电气线路中的漏电、温度等参数的变化。当线路中发生异常时，可迅速发出报警信号并准确定位故障点，通知电气专业人员及时排查电气火灾隐患，将电气火灾消灭在萌芽状态。电气火灾监控系统较之传统的技术手段的确是一大技术进步，但依然存在诸多不足。
(1)功能单一。偏重于状态监测及报警保护，缺乏故障诊断、故障分析、趋势预测等智能分析功能。
(2)监测面窄。偏重于配电线路漏电及温度的点式探测，缺乏电缆温度的分布式线式探测;偏重于对低压设备的状态监测，缺乏对高压设备的状态监测;偏重民用建筑电气火灾的预防，忽视了工业领域的预防。
(3)网络化水平低。并非完全网络化的全数字系统，对外缺乏网络接口，无法实现信息的对外共享发布，无法组建远程监测及管理系统。
(4)智能化未实现。未全部实现数字化及智能化，不符合物联网的技术方向;同时系统缺乏智能分析功能，只局限在监测层级，不符合设备状态监测领域的技术水平。
(5)可视化不足。监测报警手段传统单一，缺少图形化及其他更为直观的监测报警手段。
2电气火灾智能化综合监控的总体设计
2.1需求分析
针对目前电气火灾监控产品的缺陷和不足，项目组将“电气火灾智能化综合监控”这一概念进行了具体化的界定，明确了研发目标、研发方向和技术攻关难点。电气火灾智能化监控是指综合利用现代信息技术、智能传感技术及网络通信技术等，实现电气火灾隐患参数的综合智能探测、可视化监视、故障诊断、趋势预测及报警保护，及时发现并消除电气火灾隐患，有效预防和减少电气火灾的发生，同时借助局域网及互联网，实现系统综合信息的共享及对外发布，可在此基础上构建城市电气火灾远 程监控及报警管理系统。基于这一概念，项目组研究的电气火灾监控系统样机具备以下特征。
(1)数字网络化系统。基于全数字化的组成单元，通过总线连接，构建功能一体化分布式的网络系统，不仅是硬件间的网络连接，同时实现软件功能组件的分布配合。
(2)功能一体化系统。基于高低压电气网络，实现点/线式状态探测，实现对高低压电气设备、电缆、配电网络接点、分布式温度和漏电电流等电气安全状态参数的全方位监测。不仅适用于民用建筑电气火灾综合防控，同样适用于工业场所的电气火灾防控。
(3)智能信息化系统。实现组成单元的智能化，实现功能的智能化(包括智能诊断、智能分析及智能预测等)。同时对外提供网络接口，实现信息的远程发布和监测。
(4)安全可视化系统。在传统文字监测及声光报警手段的基础上，提供直观的图形监控及多媒体报警手段，实现电气火灾隐患的一目了然。主要包括状态监控可视化、故障定位可视化、故障报警可视化、故障分析可视化。
2.2架构设计
智能化监控系统基于嵌入式软硬件平台，严格遵从“设备智能化、系统网络化、状态信息化、安全可视化”的产品定位，构建一体化分布式电气火灾智能化综合监控 系统。系统架构基于物联网系统模型及B/S软件体系，按照“感知层、通信层、应用层”标准实施系统建模。系统组成具体包括：处于感知层的电气火灾监控探测器、无线温度探测器、分布式感温光缆等;处于网络层的通信网络、现场总线及实现区域监测管理功能的监控器等;处于应用层的监控设备、远程监控中心及客户终端等。系统逻辑结构，如图1所示。
3关键技术
系统智能化监控的实现涉及关键点多，网络架构复杂，需广泛采用多领域先进技术，主要包括以下方面。
3.1高速交流采样技术
应用于电压配电网络的电气火灾监控探测器，探测的剩余电流值一般在毫安级
，标准要求在1000mA以内，很容易受到周围电磁环境的干扰出现偏差。该系统剩余电流探测器完全基于嵌入式硬件智能模块及RTOS实时操作系统，进行每周波24点采样，采用快速全周波傅里叶变换及均值混合算法，有效滤去谐波成分，经计算及处理后以数字信号经通信接口输出，充分保证了采样值的准确有效。
3.2RFID无线射频识别技术
鉴于高压电气设备存在绝缘问题，有线方式的接点温度探测不再适用。系统基于Zigbee高频无线网络规范，采用RFID技术，实现高压电气温度的非接触式探测与发送，这也是物联网核心技术在电气火灾监控中的实际应用。
高压温度探测器包括采集发射探头及接收装置。在具体实现过程中，前者完成高压设备温度的探测及转换，通过RFID芯片以射频方式发送温度值;后者集中接收经无线网络发来的温度数据信息，汇总后发送给监控主机处理判断。
3.3DTS分布式光纤测温技术
有别于接点探测方式，实现电缆温度的连续探测必然要求线式温度探测器。代替传统的感温电缆方式，采用目前*为先进的DTS分布式光纤测温技术，包括高频脉冲激光技术、光纤拉曼光谱技术、光波分复用技术、光时域反射技术等。该技术的核心是利用激光在光纤中传播时拉曼散射光强度随温度的变化而变化这一光谱原理实现的。具体实现上，当在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲时，激光在光纤中向前传播的同时，自发产生拉曼散射光波，拉曼散射光波的强度受所在光纤散射点 的温度影响而有所改变，通过获取沿光纤散射回来的背 向拉曼光波可以解调出光纤散射点的温度变化。同时，根据光纤中光波的传输速度与探测时间的物理关系，可以对温度信息点进行定位。
3.4智能传感及分析技术
随着物联网的技术发展，现场探测器实现智能传感成为必然要求。系统探测器均采取智能模块与常规传感器的有效集成方式，实现现场参数的智能感知。包括温度探测器及剩余电流探测器，统一研制为智能探测器，这符合“设备智能化”的研发定位，也是实现系统网络化数字化的前提条件。统一采用ARM系列嵌入式硬件平台及RTOS软件操作平台，基于C语言开发的应用功能软件，实现传感器的参数采集、处理与协议发送。智能分析技术包括智能故障诊断、故障分析及趋势预测。通过趋势曲线做到掌控故障前的设备状态变化趋势，通过诊断分析确定故障产生后的事故原因及处理措施。这需要基于丰富的专家经验知识库，结合实时报警信息，通过故障诊断软件模块实现故障类型、程度、位置、原因的智能判断及预报决策等。
3.5信息可视化技术
信息可视化应用到电气火灾监控上，就是将电气安全状态及参数以图形或图像化的形式，实现对电气故障隐患的一目了然，并提供更为直观的多媒体报警手段，使电气安全尽在掌控。系统基于自主开发的图形组态软件、大型商用数据库及网络化的软硬平台，真正实现电气 火灾监控的可视化，成功引领了电气火灾监控技术的发展。包括状态监测可视化、故障定位可视化、故障报警可视化及故障分析可视化。具体实现上，通过图形组态软件实现画面编辑生成，包括地理图、状态图、电气图以及曲线图等，将实时数据及报警信息通过映射方式反映到界面上，完成实时图形监测;通过应用功能模块实现声光、语音、打印、短信电话报警方式。
4结束语
实施电气火灾智能监控，对有效提升电气火灾防控的技术水平，彻底克服现有电气火灾监控或报警系统的局限和弊端，降低电气火灾发生率，优势明显。项目组研发的电气火灾监控系统已成功运用在郑州大学第一附属医院综合病房楼(28层、120000m2)、郑东新区千禧广场(63层、240000m2)、平煤神马煤化工集团等重点工程项目中。工程实践证明，将智能化监控技术广泛应用于电气火灾的监控及预防，实现电气火灾的全方位可视化监视、预测、报警、分析及处置等功能，实现电气火灾监控信息化，可有效拓展电气火灾监控的应用领域及监测范围，大大提高电气火灾的防控水平与技术水平，对保护人民生命财产安全及构建和谐社会具有重要意义。
