綜合新型電氣火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用
針對用戶端的用電情況，介紹了綜合新型電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，在傳統(tǒng)電氣火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加電能質(zhì)量檢測模塊，并結(jié)合用電設(shè)備末端的智能防火開關(guān)等設(shè)備對用戶進(jìn)行三級(jí)保護(hù)，通過RS485總線傳輸數(shù)據(jù)，選用Labview作為開發(fā)平臺(tái)，通過Labview對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。Labview能實(shí)時(shí)監(jiān)測電力線中的剩余電流和接口溫度和電能質(zhì)量參數(shù)，使電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)更加準(zhǔn)確安全。
電氣火災(zāi)是當(dāng)今社會(huì)普遍存在且發(fā)生率較高的一種災(zāi)害，民用樓宇、市政學(xué)校和銀行網(wǎng)點(diǎn)對電氣火災(zāi)安全監(jiān)測的要求更是嚴(yán)格。電氣火災(zāi)發(fā)生的原因主要有兩個(gè)方面：一是處置措施被動(dòng)，目前只有消防通道、消防滅火器材和火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)等被動(dòng)手段;二是終端保護(hù)裝置的缺失，發(fā)電廠有一級(jí)保護(hù)，變電站有二級(jí)保護(hù)，斷路器安裝在室內(nèi)線路的前端，成為三級(jí)保護(hù)，而線路終端卻始終處于開放狀態(tài)，無任何保護(hù)，用戶可以隨意增加負(fù)載，進(jìn)而造成電流過載、線路老化而短路，這是造成電氣火災(zāi)最直接、最主要的原因。
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)組成，針對民用領(lǐng)域的用電情況，在傳統(tǒng)的電氣火災(zāi)安全監(jiān)測設(shè)備的基礎(chǔ)上添加電能質(zhì)量監(jiān)測模塊，對電氣火災(zāi)監(jiān)控進(jìn)行模塊化監(jiān)測。檢測監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及整體電氣運(yùn)行安全狀態(tài)，既滿足電氣火災(zāi)安全監(jiān)控，又能滿足用電系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控。通過三級(jí)的電氣火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對整體用電設(shè)備、用電線路等實(shí)施剩余電流、溫度、過電流和過載等全方位的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并果斷處理，能全面預(yù)防電氣火災(zāi)事故的發(fā)生，整體系統(tǒng)配套靈活，可拓展性強(qiáng)，二級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)和三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)可以分開單獨(dú)使用，同樣能起到對電氣火災(zāi)的監(jiān)控和預(yù)防功能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該電氣火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)由三級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)組成，層層防護(hù)確保杜絕電氣火災(zāi)發(fā)生。
一級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)及統(tǒng)計(jì)分析后臺(tái)針對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的管理人員，該層直接面向用戶，是系統(tǒng)的最上層部分，由電氣安全及電氣運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件Labview和必要的硬件設(shè)備構(gòu)成。其具有良好的人機(jī)交互界面，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取前置火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)經(jīng)過計(jì)算處理，數(shù)據(jù)比對，以圖形、數(shù)顯和聲音等方式反映現(xiàn)場的運(yùn)行狀況，連接消防系統(tǒng)實(shí)施與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，可根據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)切斷問題節(jié)點(diǎn)的用電設(shè)備，實(shí)時(shí)發(fā)送并檢測操作的執(zhí)行狀況。
二級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)分布在樓層的各配電節(jié)點(diǎn)、重要用電場所及需要監(jiān)測的部位，是構(gòu)成系統(tǒng)的基本元素，由測量和采集電氣參數(shù)的儀表和保護(hù)裝置組成，包括剩余電流式電氣火災(zāi)探測器、探溫式火災(zāi)探測器、溫度傳感器、剩余電流互感器、電流互感器和多功能電力監(jiān)控儀表等。各監(jiān)控設(shè)備通過RS485總線通信將采集的信息實(shí)時(shí)上傳終端服務(wù)器，通過上位機(jī)命令實(shí)施遠(yuǎn)端控制操作。作為單元監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，也可自行設(shè)定監(jiān)控值實(shí)施點(diǎn)對點(diǎn)火災(zāi)監(jiān)控及脫扣切斷電源等控制，同時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)的正常用電狀態(tài)。
三級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)分布在用電設(shè)備末端，由智能防火開關(guān)、插座和插排等設(shè)備組成末端防火監(jiān)控系統(tǒng)，防范因過電流、過載等造成電氣火災(zāi)事故，該系統(tǒng)對用電設(shè)備實(shí)施一對一保護(hù)。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
硬件系統(tǒng)
1.三級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)
三級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)是指末端監(jiān)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)方法一般采用斷路器，本文加入智能防火開關(guān)、插座作為系統(tǒng)的三級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)。
斷路器是防止超負(fù)荷用電所采取的保護(hù)措施，是入戶前端保護(hù)，而斷路器后面的線路恰恰是室內(nèi)的暗線，超負(fù)荷電流已經(jīng)流過，線路遭到了嚴(yán)重?fù)p壞，所以對于房內(nèi)的線路安全而言，斷路器的設(shè)置形同虛設(shè)。極易給使用者造成超負(fù)荷用電的盲區(qū)，加速了室內(nèi)電線的老化，從而造成室內(nèi)電線短路引發(fā)電氣火災(zāi)的可怕后果。
而智能防火開關(guān)、插座是將電流過載保護(hù)安裝在普通的開關(guān)及插座中，一旦發(fā)現(xiàn)過電流狀態(tài)，自動(dòng)切斷當(dāng)前負(fù)載。圖2為三級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)配電圖。
智能防火開關(guān)插座具有如下功能：
1)自動(dòng)斷電。電流過載時(shí)自動(dòng)切斷電源。
2)自動(dòng)報(bào)警。故障位置報(bào)警指示燈亮起。
3)手動(dòng)復(fù)位。故障排除后復(fù)位接通電源。
4)終端保護(hù)。一對一保護(hù)延長線路壽命。
5)預(yù)防火災(zāi)。主動(dòng)式預(yù)防電氣線路火災(zāi)。
6)電氣終端。兼具開關(guān)插座的所有功能。
使用智能防火開關(guān)、插座對末端用電器及線路實(shí)施過電流監(jiān)控，經(jīng)過配電柜連線安裝在用電設(shè)備末端，對用電設(shè)備進(jìn)行一對一的保護(hù)。
2.二級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)
二級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)指電氣火災(zāi)監(jiān)控的前置數(shù)據(jù)采集和總線傳輸，系統(tǒng)設(shè)備分布在各樓層配電節(jié)點(diǎn)、重要用電場所及需要監(jiān)測的部位。
(1)前置數(shù)據(jù)采集部分
前置數(shù)據(jù)采集包括剩余電流、溫度和線路中電能質(zhì)量參數(shù)的檢測。系統(tǒng)采用模塊化的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括剩余電流監(jiān)測模塊、溫度監(jiān)測模塊和電能質(zhì)量監(jiān)測模塊。
剩余電流和溫度的檢測分別選用LFT201系列剩余電流式電氣火災(zāi)探測器和LFT201-T8型探溫式電氣火災(zāi)探測器。適應(yīng)的電流等級(jí)為10～100A，工作電壓AC220V±10%，分別具有漏電電流顯示、溫度顯示、超限聲光報(bào)警、與主機(jī)連接報(bào)警和聯(lián)動(dòng)強(qiáng)切等功能，通信方式為RS485，固定安裝在配電柜內(nèi)。
電能質(zhì)量各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測采用金特萊科技的LPM201型多功能電力監(jiān)測儀表，可以監(jiān)測三相電流、電壓值、功率因數(shù)、有功功率及無功功率等反應(yīng)電能質(zhì)量的參數(shù)，采用RS485的通信方式將檢測數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)監(jiān)控中心。多功能電力監(jiān)測儀表固定安裝在需要檢測的配電柜里。
(2)總線傳輸
系統(tǒng)采用RS485總線傳輸方式傳輸檢測的數(shù)據(jù)。
RS485總線采用平衡發(fā)送和差分接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以雙絞線為物理介質(zhì)，通常工作在半雙工通信狀態(tài)。即同一時(shí)刻，總線上只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)。RS485總線最大負(fù)載量為247個(gè)探測器，最大通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s。
采用主從結(jié)構(gòu)串行通信，上位機(jī)作為主設(shè)備，探測器作為從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備都有唯一的地址。RS485總線的半雙工工作方式、支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)距離傳輸特性和抗干擾特性適用于學(xué)校機(jī)關(guān)、醫(yī)院和市政機(jī)關(guān)等中小型建筑場所。上位機(jī)的串口通信協(xié)議為RS232，所以采用總線控制設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
軟件系統(tǒng)
軟件系統(tǒng)即一級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)，是整個(gè)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的管理終端，有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理和報(bào)警等多項(xiàng)功能，采用模塊化編程方式。
1.開發(fā)平臺(tái)
要求軟件平臺(tái)能夠不斷向下位機(jī)發(fā)送控制命令，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，各個(gè)模塊互不影響。因此要求使用的軟件平臺(tái)具有良好的并行處理能力。另外，軟件應(yīng)當(dāng)具有良好的人機(jī)操作界面以便于工作人員對系統(tǒng)狀態(tài)的掌握。為達(dá)到以上要求，采用Labview作為開發(fā)本系統(tǒng)的管理中心軟件。Labview是虛擬儀器的首創(chuàng)者，是美國NationalInstruments(簡稱NI)公司推出的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，是一種程序開發(fā)環(huán)境，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。Labview軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。
2.軟件設(shè)計(jì)
終端管理系統(tǒng)軟件的具體功能有數(shù)據(jù)采集發(fā)送、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警設(shè)置、消防聯(lián)動(dòng)、遠(yuǎn)程短信和打印記錄。軟件采用模塊化編程的方式，各個(gè)應(yīng)用模塊獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，保證終端軟件運(yùn)行的可靠性，主要流程如圖3所示。
上位機(jī)通過串口向下位機(jī)探測器發(fā)送命令，命令經(jīng)過總線控制設(shè)備傳送到下位機(jī)，下位機(jī)探測器接收到命令進(jìn)行處理，將包含特定信息的一幀完整數(shù)據(jù)發(fā)送到總線轉(zhuǎn)換設(shè)備，數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳至終端管理系統(tǒng)。
下位機(jī)探測器和上位機(jī)軟件之間的通信利用Labview中的VISA標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫。設(shè)置串口波特率9600bit/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。
通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)軟件進(jìn)行分析，Labview軟件根據(jù)電能質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算公式編程計(jì)算出實(shí)時(shí)的電能質(zhì)量參數(shù)。對電能質(zhì)量參數(shù)及采集的剩余電流和溫度數(shù)據(jù)通過波形、圖表顯示，出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。
報(bào)警規(guī)則按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB50045—1995(2005)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》同時(shí)兼顧監(jiān)控對象的實(shí)際需要進(jìn)行分級(jí)設(shè)置報(bào)警。
采集數(shù)據(jù)超過報(bào)警規(guī)則設(shè)置的一級(jí)閾值時(shí)管理中心一級(jí)報(bào)警起動(dòng)，聲光報(bào)警，并發(fā)送短信通知工作人員，遠(yuǎn)程短信報(bào)警通過SIM300GSM模塊實(shí)現(xiàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)超過報(bào)警規(guī)則設(shè)置的二級(jí)閾值時(shí)，管理中心二級(jí)報(bào)警起動(dòng)，聲光報(bào)警通知工作人員并驅(qū)動(dòng)消防設(shè)備進(jìn)行消防動(dòng)作。
報(bào)警規(guī)則和報(bào)警信息記錄保存在MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫。
系統(tǒng)采用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，利用第三方軟件LabSQL編程來實(shí)現(xiàn)通過Labview對數(shù)據(jù)庫的訪問。系統(tǒng)能夠自主查詢需要的數(shù)據(jù)信息，顯示并繪制成曲線圖。
綜合新型電氣火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)工作流程
綜合電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)總體流程框圖如圖4所示。
安裝在各個(gè)樓層配電柜里的下位機(jī)探測器作為綜合新型電氣火災(zāi)安全遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的二級(jí)監(jiān)測系統(tǒng)，對電力用戶的用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，每個(gè)下位機(jī)探測器都有唯一的地址，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集的命令時(shí)，下位機(jī)探測器通過RS485總線經(jīng)過總線轉(zhuǎn)換設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至終端管理中心，終端管理中心經(jīng)過各個(gè)模塊分析處理數(shù)據(jù)，并以圖形、數(shù)顯的形式顯示用電情況，并判斷用電情況是否正常進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警方式有：聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程短信和消防聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能如下：
1)連續(xù)監(jiān)視用電設(shè)備泄漏電流的變化、線纜接頭溫度的變化，為配電設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供依據(jù)和定位追蹤，有效預(yù)防電氣火災(zāi)的發(fā)生，可以實(shí)現(xiàn)脫扣及聯(lián)動(dòng)火災(zāi)消防系統(tǒng)功能。
2)監(jiān)控電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、過電壓、欠電壓和能效分析，保證用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)問題并提早預(yù)防。
3)系統(tǒng)在電能質(zhì)量事件發(fā)生、設(shè)備狀態(tài)改變和電氣故障時(shí)觸發(fā)并記錄報(bào)警。系統(tǒng)報(bào)警時(shí)自動(dòng)彈出報(bào)警畫面并進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信息通過手機(jī)短信方式通知相關(guān)人員并與消防監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至消防控制中心。
4)數(shù)據(jù)庫完成歷史數(shù)據(jù)管理，所有實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、事件順序記錄等均可保存到歷史數(shù)據(jù)庫。能夠查詢數(shù)據(jù)記錄，顯示并繪制成曲線圖。
結(jié)束語
本文針對低壓端的用電情況，分析了智能防火開關(guān)、插座和斷路器的優(yōu)劣性，完成了綜合電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件以及整體的設(shè)計(jì)，通過三級(jí)的電氣火災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)可以完成對整體用電設(shè)備的監(jiān)控，不僅能全面預(yù)防電氣火災(zāi)事故的發(fā)生，還節(jié)省了電氣設(shè)備及線路的維修保養(yǎng)工作強(qiáng)度，做到有的放矢。整體系統(tǒng)配套靈活，可拓展性強(qiáng)，該電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)為用戶提供一體化的電氣安全托管式服務(wù)，實(shí)施電氣安全及電能質(zhì)量、能耗監(jiān)測，做到災(zāi)時(shí)監(jiān)控，保證設(shè)備可靠、高效和連續(xù)運(yùn)行。
陳曉娟趙迎會(huì)/東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院趙亮/吉林省電力有限公司電氣火災(zāi)監(jiān)控方案設(shè)計(jì)