綜合新型電氣火災安全監控系統的設計應用
針對用戶端的用電情況，介紹了綜合新型電氣火災監控系統的結構組成，在傳統電氣火災監測系統基礎上添加電能質量檢測模塊，并結合用電設備末端的智能防火開關等設備對用戶進行三級保護，通過RS485總線傳輸數據，選用Labview作為開發平臺，通過Labview對采集數據進行數據分析和顯示。Labview能實時監測電力線中的剩余電流和接口溫度和電能質量參數，使電氣火災監控系統更加準確安全。
電氣火災是當今社會普遍存在且發生率較高的一種災害，民用樓宇、市政學校和銀行網點對電氣火災安全監測的要求更是嚴格。電氣火災發生的原因主要有兩個方面：一是處置措施被動，目前只有消防通道、消防滅火器材和火災監測系統等被動手段;二是終端保護裝置的缺失，發電廠有一級保護，變電站有二級保護，斷路器安裝在室內線路的前端，成為三級保護，而線路終端卻始終處于開放狀態，無任何保護，用戶可以隨意增加負載，進而造成電流過載、線路老化而短路，這是造成電氣火災最直接、最主要的原因。
本文設計的系統由三級監控系統組成，針對民用領域的用電情況，在傳統的電氣火災安全監測設備的基礎上添加電能質量監測模塊，對電氣火災監控進行模塊化監測。檢測監控設備的運行狀態及整體電氣運行安全狀態，既滿足電氣火災安全監控，又能滿足用電系統的質量監控。通過三級的電氣火災安全監控系統可以完成對整體用電設備、用電線路等實施剩余電流、溫度、過電流和過載等全方位的監控，及時發現問題并果斷處理，能全面預防電氣火災事故的發生，整體系統配套靈活，可拓展性強，二級監控系統和三級監控系統可以分開單獨使用，同樣能起到對電氣火災的監控和預防功能。
系統結構
該電氣火災安全監控系統由三級監控系統組成，層層防護確保杜絕電氣火災發生。
一級監控處理系統及統計分析后臺針對監控網絡的管理人員，該層直接面向用戶，是系統的最上層部分，由電氣安全及電氣運行狀態監測系統軟件Labview和必要的硬件設備構成。其具有良好的人機交互界面，通過數據傳輸協議讀取前置火災監控設備采集的現場各類數據信息，自動經過計算處理，數據比對，以圖形、數顯和聲音等方式反映現場的運行狀況，連接消防系統實施與消防系統聯動，可根據分析結果自動切斷問題節點的用電設備，實時發送并檢測操作的執行狀況。
二級監控處理系統分布在樓層的各配電節點、重要用電場所及需要監測的部位，是構成系統的基本元素，由測量和采集電氣參數的儀表和保護裝置組成，包括剩余電流式電氣火災探測器、探溫式火災探測器、溫度傳感器、剩余電流互感器、電流互感器和多功能電力監控儀表等。各監控設備通過RS485總線通信將采集的信息實時上傳終端服務器，通過上位機命令實施遠端控制操作。作為單元監控節點，也可自行設定監控值實施點對點火災監控及脫扣切斷電源等控制，同時不影響其他節點的正常用電狀態。
三級監控處理系統分布在用電設備末端，由智能防火開關、插座和插排等設備組成末端防火監控系統，防范因過電流、過載等造成電氣火災事故，該系統對用電設備實施一對一保護。
系統總體結構圖如圖1所示。
硬件系統
1.三級監控處理系統
三級監控處理系統是指末端監控系統，傳統方法一般采用斷路器，本文加入智能防火開關、插座作為系統的三級監控處理系統。
斷路器是防止超負荷用電所采取的保護措施，是入戶前端保護，而斷路器后面的線路恰恰是室內的暗線，超負荷電流已經流過，線路遭到了嚴重損壞，所以對于房內的線路安全而言，斷路器的設置形同虛設。極易給使用者造成超負荷用電的盲區，加速了室內電線的老化，從而造成室內電線短路引發電氣火災的可怕后果。
而智能防火開關、插座是將電流過載保護安裝在普通的開關及插座中，一旦發現過電流狀態，自動切斷當前負載。圖2為三級監控處理系統配電圖。
智能防火開關插座具有如下功能：
1)自動斷電。電流過載時自動切斷電源。
2)自動報警。故障位置報警指示燈亮起。
3)手動復位。故障排除后復位接通電源。
4)終端保護。一對一保護延長線路壽命。
5)預防火災。主動式預防電氣線路火災。
6)電氣終端。兼具開關插座的所有功能。
使用智能防火開關、插座對末端用電器及線路實施過電流監控，經過配電柜連線安裝在用電設備末端，對用電設備進行一對一的保護。
2.二級監控處理系統
二級監控處理系統指電氣火災監控的前置數據采集和總線傳輸，系統設備分布在各樓層配電節點、重要用電場所及需要監測的部位。
(1)前置數據采集部分
前置數據采集包括剩余電流、溫度和線路中電能質量參數的檢測。系統采用模塊化的方式對數據進行采集，包括剩余電流監測模塊、溫度監測模塊和電能質量監測模塊。
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探測器和LFT201-T8型探溫式電氣火災探測器。適應的電流等級為10～100A，工作電壓AC220V±10%，分別具有漏電電流顯示、溫度顯示、超限聲光報警、與主機連接報警和聯動強切等功能，通信方式為RS485，固定安裝在配電柜內。
電能質量各參數的數據采集監測采用金特萊科技的LPM201型多功能電力監測儀表，可以監測三相電流、電壓值、功率因數、有功功率及無功功率等反應電能質量的參數，采用RS485的通信方式將檢測數據傳輸至后臺監控中心。多功能電力監測儀表固定安裝在需要檢測的配電柜里。
(2)總線傳輸
系統采用RS485總線傳輸方式傳輸檢測的數據。
RS485總線采用平衡發送和差分接收的方式進行數據傳輸，以雙絞線為物理介質，通常工作在半雙工通信狀態。即同一時刻，總線上只有一個節點處于發送狀態，其他節點必須處于接收狀態。RS485總線最大負載量為247個探測器，最大通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbit/s。
采用主從結構串行通信，上位機作為主設備，探測器作為從設備，每個從設備都有唯一的地址。RS485總線的半雙工工作方式、支持多點數據通信、遠距離傳輸特性和抗干擾特性適用于學校機關、醫院和市政機關等中小型建筑場所。上位機的串口通信協議為RS232，所以采用總線控制設備對數據進行轉換。
軟件系統
軟件系統即一級監控處理系統，是整個電氣火災監控系統的管理終端，有數據傳輸、數據處理、數據庫管理和報警等多項功能，采用模塊化編程方式。
1.開發平臺
要求軟件平臺能夠不斷向下位機發送控制命令，在處理數據時，各個模塊互不影響。因此要求使用的軟件平臺具有良好的并行處理能力。另外，軟件應當具有良好的人機操作界面以便于工作人員對系統狀態的掌握。為達到以上要求，采用Labview作為開發本系統的管理中心軟件。Labview是虛擬儀器的首創者，是美國NationalInstruments(簡稱NI)公司推出的圖形化軟件開發環境，是一種程序開發環境，使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。Labview軟件是NI設計平臺的核心，也是開發測量或控制系統的理想選擇。
2.軟件設計
終端管理系統軟件的具體功能有數據采集發送、數據分析、數據存儲、歷史數據查詢、報警設置、消防聯動、遠程短信和打印記錄。軟件采用模塊化編程的方式，各個應用模塊獨立運行，互不影響，保證終端軟件運行的可靠性，主要流程如圖3所示。
上位機通過串口向下位機探測器發送命令，命令經過總線控制設備傳送到下位機，下位機探測器接收到命令進行處理，將包含特定信息的一幀完整數據發送到總線轉換設備，數據經過轉換后傳至終端管理系統。
下位機探測器和上位機軟件之間的通信利用Labview中的VISA標準函數庫。設置串口波特率9600bit/s、8個數據位和1個停止位，無校驗位。
通過串口通信將數據傳輸至上位機軟件進行分析，Labview軟件根據電能質量參數的計算公式編程計算出實時的電能質量參數。對電能質量參數及采集的剩余電流和溫度數據通過波形、圖表顯示，出現異常時進行聲光報警。
報警規則按照國家標準GB50045—1995(2005)《高層民用建筑設計防火規范》同時兼顧監控對象的實際需要進行分級設置報警。
采集數據超過報警規則設置的一級閾值時管理中心一級報警起動，聲光報警，并發送短信通知工作人員，遠程短信報警通過SIM300GSM模塊實現。當數據超過報警規則設置的二級閾值時，管理中心二級報警起動，聲光報警通知工作人員并驅動消防設備進行消防動作。
報警規則和報警信息記錄保存在MicrosoftAccess數據庫。
系統采用MicrosoftAccess數據庫對數據進行存儲，利用第三方軟件LabSQL編程來實現通過Labview對數據庫的訪問。系統能夠自主查詢需要的數據信息，顯示并繪制成曲線圖。
綜合新型電氣火災安全監控系統工作流程
綜合電氣火災監控系統總體流程框圖如圖4所示。
安裝在各個樓層配電柜里的下位機探測器作為綜合新型電氣火災安全遠程監控系統的二級監測系統，對電力用戶的用電情況進行實時監測，每個下位機探測器都有唯一的地址，當上位機發送數據采集的命令時，下位機探測器通過RS485總線經過總線轉換設備將監測數據上傳至終端管理中心，終端管理中心經過各個模塊分析處理數據，并以圖形、數顯的形式顯示用電情況，并判斷用電情況是否正常進行報警，報警方式有：聲光報警、遠程短信和消防聯動。系統可實現的功能如下：
1)連續監視用電設備泄漏電流的變化、線纜接頭溫度的變化，為配電設備的預防性維護提供依據和定位追蹤，有效預防電氣火災的發生，可以實現脫扣及聯動火災消防系統功能。
2)監控電流、電壓、功率因數、有功功率、無功功率、過電壓、欠電壓和能效分析，保證用電設備安全可靠運行，及時發現電力系統問題并提早預防。
3)系統在電能質量事件發生、設備狀態改變和電氣故障時觸發并記錄報警。系統報警時自動彈出報警畫面并進行聲光報警，同時將報警信息通過手機短信方式通知相關人員并與消防監控系統聯網，數據實時傳送至消防控制中心。
4)數據庫完成歷史數據管理，所有實時采樣數據、事件順序記錄等均可保存到歷史數據庫。能夠查詢數據記錄，顯示并繪制成曲線圖。
結束語
本文針對低壓端的用電情況，分析了智能防火開關、插座和斷路器的優劣性，完成了綜合電氣火災監控系統的硬件、軟件以及整體的設計，通過三級的電氣火災安全監控系統可以完成對整體用電設備的監控，不僅能全面預防電氣火災事故的發生，還節省了電氣設備及線路的維修保養工作強度，做到有的放矢。整體系統配套靈活，可拓展性強，該電氣火災監控系統為用戶提供一體化的電氣安全托管式服務，實施電氣安全及電能質量、能耗監測，做到災時監控，保證設備可靠、高效和連續運行。
陳曉娟趙迎會/東北電力大學信息工程學院趙亮/吉林省電力有限公司電氣火災監控方案設計