专利名称：一种电气开关柜自动灭火系统及火灾识别方法
技术领域：
本发明属于电器开关柜安防技术领域，涉及一种电器开关柜自动灭火系统及火灾识别方法。
背景技术：
开关柜是一种电设备，外线先进入柜内主控开关，然后进入分控开关，各分路按其需要设置。如仪表，自控，电动机磁力开关，各种交流接触器等，有的还设高压室与低压室开关柜，设有高压母线，如发电厂等。开关柜分高压开关柜和低压开关柜
高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用，电压等级在3. 6kV^550kV的电器产品，主要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器，高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。高压开关柜应满足GB3906-1991" 3_35kV交流金属封闭开关设备〃标准的有关要求，由柜体和断路器二大部分组成，柜体由壳体、电器元件(包括绝缘件)、各种机构、二次端子及连线等组成。低压开关柜适用于发电厂、石油、化工、冶金、纺织、高层建筑等行业，作为输电、配电及电能转换之用。产品符合IEC439-1，GB7251. 1-1997《低压成套开关设备》的标准规定。开关柜是电网系统中的一个基本单元，电力系统控制的执行机构。随着无人值守变电站、智能电网技术的应用，开关柜的安全防护变得尤为重要。开关柜在工作过程中由于长时间运行、环境变化、线路负载扰动等原因，会出现局部高温、电弧、燃烧等灾害，这些灾害会导致柜体严重损坏，供电系统破坏及人员伤害。因此有必要研究开关柜的安全防护，保证执行机构正常工作，将损失降低到最低限度，以提高供电效率。开关柜的安全防护主要是防止高温、燃烧(明火、阴燃)，保证开关正常工作，或在部分设备出现故障时避免其他设备被损坏，将损失降低到最低程度，如发现开关柜燃烧，自动进行灭火；发现开关柜温度过高，进行报警等。随着社会的进步，人们的防火意识越来越强，自动灭火系统的需求越来越广泛。自动灭火系统，是比较普遍使用的固定灭火系统。该系统具有安全可靠、经济实惠、灭火效率闻等优点。国内外目前采用的自动灭火系统类型较多，如湿式自动喷水灭火系统、预作用自动喷水灭火系统、干式和预作用联合自动喷水灭火系统、干式自动喷水灭火系统、雨淋自动喷水灭火系统、水喷雾灭火系统等。自动灭火系统不仅在高层建筑、公共建筑、工厂和仓库中普遍使用，而且已发展到家庭住宅中安装自动喷水灭火系统。但电气成套设备开关柜不同于上述范畴，开关柜内电器元件或电线、电缆着火后，不能直接用水灭火。因为水中含有导电的杂质，喷在带电设备上，再渗入设备上的灰尘杂质，则更易导电。如用水灭火，还会降低电器设备的绝缘性能，引起接地短路，或危及附近救火人员的安全。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种电气开关柜自动灭火系统，在克服不能直接用水、具有污染灭火剂灭火的问题的基础上，通过光电探测器探测开关柜内的明火与电弧，提闻对的火灾的识别能力和自动处理能力。本发明是通过以下技术方案来实现
一种电气开关柜自动灭火系统，包括安装于电气开关柜内的灭火剂喷头，灭火剂喷头通过管道与储藏有不导电灭火剂的储藏器相连接，管道上设有由中央控制器控制的电磁阀；电气开关柜内还设有光电传感器，光电传感器包括摄像镜头和光电转换器，摄像镜头上设有透红外滤光片，摄像镜头拍摄形成黑白图像经光电转换器转换为图像数字信号，黑白图像中的白色部分为火焰，黑色部分为背景，光电传感器将检测信号输出到中央控制器；中央控制器根据检测信号当中的火焰动态特征和静态特征来识别火灾，动态特征表征火焰的闪动频率，静态特征表征火焰的不规则形状，用圆形度来进行判别c = p2/4 S，其中C为圆形度，P为周长，S为面积；当检测到闪动频率在7 12HZ、圆形度大于I. 8的发光体时，判定其为火灾，中央控制器控制电磁阀打开释放不导电灭火剂。所述的灭火剂喷头设有多个，分别通过设有电磁阀的管道与储藏器相连接。所述的储藏器为储压式灭火剂储藏器，其压力为I 4Mpa ；所述的不导电灭火剂为七氟丙烷或超细干粉灭火剂。所述的电气开关柜内还设有与中央控制器控制相连接的温度探测器。所述的温度探测器为光纤温度传感器或红外温度传感器，光纤温度传感器以接触式的方式、红外温度传感器以非接触式的方式设置在电气开关柜内。一种电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，包括以下步骤I)设置在电气开关柜内的光电传感器拍摄图像并传输信号，光电传感器的摄像镜头上设有透红外滤光片，摄像镜头拍摄形成黑白图像经光电转换器转换为图像数字信号，黑白图像中的白色部分为火焰，黑色部分为背景；2)中央控制器接收检测信号，对图像数字信号进行预处理后提取火焰区别于光干扰源的静态特征和动态特征，并将其量化形成火灾判据向量，通过分析判据向量排除光干扰源并识别火灾；所述的静态特征提取通过单帧图像运算提取包括尖角、圆形度和梯形特征的目标特征尖角特征火焰边缘会出现一些朝上的尖角，火焰尖角数目的不断变化是火焰边缘抖动的表现，采用基于目标边缘提取尖角个数；圆形度特征火焰的形状是不规则的，通过圆形度描述其形状的规整性，圆形度的计算为C = P2/4 S，其中C为圆形度，P为周长，S为面积；梯形特征火焰底部靠近燃烧物，使火焰的上部宽度小于底部宽度，通过区域重心与中心纵坐标的距离来描述此特征；
动态特征是通过多帧图像运算提取包括跳动、边缘扩大特征的目标特征跳动特征在视觉上，火焰闪烁表现为火焰不停地跳动，提取25帧图像中目标的高度，记为x[n] (n=0, 1，2-24)，根据1[11]绘制帧数-高度波形图，然后对波峰个数进行计数，只有当波峰值比两侧的波谷值都大4个像素高度时，才进行频率计数，将波峰个数记为目标跳动频率；边缘扩大特征在火灾发生初期，火焰主体逐渐增大，通过目标区域的周长逐渐增大来描述此特征；
3)得到火焰的特征向量数据后，对这些特征综合处理先将样本特征向量输入到BP神经网络；将输出层输出值与理想值比较得到输出误差；根据输出误差反向传播，逐层向前计算隐层各单元的误差，并用此误差修正前层权值；如此重复多次样本信息正向输入和误差反向传播的过程，一直进行到输出误差达到可以接受的程度，或达到预先设定的学习次数为止；输入层为提取的红外光源的特征向量，输出层的输出值做归一化处理，根据输出值对现场情况作出火灾状态、危险状态和正常状态的判断。所述的对图像数字信号的预处理包括I) 二值化处理，按照以下二值化算法进行处理
〔O if /(x，v)<TBinaryix,y) = \r(式-I)
[255 if f(x,y) >=T其中，Binary为二值图像素灰度值；f为灰度图像素灰度值；T为二值化处理阈值，令 T=155 ；2)中值滤波将目标像素点和2n邻域像素点灰度值进行由大到小排序，n为正整数，取第n+1个值赋给目标像素，如果目标像素和2n邻域像素灰度值中有小于n+1个为255,将目标像素灰度值置为0 ;有大于等于n+1个为255,将目标像素灰度值置为255 ；3)目标标记为区分不同的亮连通区域，将不同的亮连通区域标记为不同的灰度值a、遍历二值图像，将遍历到的第一个目标像素作为种子像素；b、将种子像素坐标作为标记函数的输入参数，用一个指定的灰度值标记此点；C、逐一遍历种子点的8邻域，如果是目标像素，停止遍历，调用标记函数自身；d、标记完此连通区域后，返回到a步，采用同样的方法继续标记其它连通区域；4)孔洞填充当火焰内部局部亮度较低时，经二值化处理后火焰主体内部会出现一些孔洞，将填充这些孔洞，以得到一个完整的火焰主体，基于背景区域标记的孔洞填充为a、遍历图像，将找到的一个灰度值为0的像素作为种子像素；b、通过非递归算法对种子像素所在连通区域的所有像素标记为Lab[n](n=0, 1,2-)；C、继续遍历图像,如果遍历到一个灰度值为0的像素，n=n+l,回到b步骤；d、整幅图遍历完成后，背景像素被标记为Lab
，孔洞被区别标记，将标记值为L
的像素灰度值置为0，非L
的像素灰度值置为255;5)修正标记以第0帧为基础帧，判断其它帧中的各边界标记值是否与第0帧相同位置上的边界标记值一致，如果不一致，将其修改为与第0帧中相同位置上的边界标记值。
所述的尖角特征的提取是基于目标边缘提取尖角个数，利用递归法和回朔法标记目标边界，并记录各个边界点的坐标码；然后根据坐标链码判断各个目标边界点是否为顶点，并且与左右邻域能否构成尖角；火焰边缘的尖角类似于三角形，顶点就是火焰边缘y坐标的极大值点，根据逐一遍历目标边界的坐标链码，比较其I坐标是否比左右5、10、15个像素的y坐标值都大；如果满足条件，则认为这些像素点构成一个尖角；当目标边缘发生微小变动时，还要判断尖角的高度是否符合火焰尖角的特征，当尖角顶点确定后，顶点、顶点左边第15个边界像素点和右边第15个边界像素点之间的连线构成一个三角形，将此三角形的高度记为尖角的高度；三角形边长a，b, c可以通过距离公式获得
权利要求
1.一种电气开关柜自动灭火系统，其特征在于，包括安装于电气开关柜内的灭火剂喷头，灭火剂喷头通过管道与储藏有不导电灭火剂的储藏器相连接，管道上设有由中央控制器控制的电磁阀； 电气开关柜内还设有光电传感器，光电传感器包括摄像镜头和光电转换器，摄像镜头上设有透红外滤光片，摄像镜头拍摄形成黑白图像经光电转换器转换为图像数字信号，黑白图像中的白色部分为火焰，黑色部分为背景，光电传感器将检测信号输出到中央控制器； 中央控制器根据检测信号当中的火焰动态特征和静态特征来识别火灾，动态特征表征火焰的闪动频率，静态特征表征火焰的不规则形状，用圆形度来进行判别C = P2/4 S，其中C为圆形度，P为周长，S为面积；当检测到闪动频率在7 12HZ、圆形度大于I. 8的发光体时，判定其为火灾，中央控制器控制电磁阀打开释放不导电灭火剂。
2.如权利要求I所述的电气开关柜自动灭火系统，其特征在于，所述的灭火剂喷头设有多个，分别通过设有电磁阀的管道与储藏器相连接。
3.如权利要求I所述的电气开关柜自动灭火系统，其特征在于，所述的储藏器为储压式灭火剂储藏器，其压力为I 4Mpa ； 所述的不导电灭火剂为七氟丙烷或超细干粉灭火剂。
4.如权利要求I所述的电气开关柜自动灭火系统，其特征在于，所述的电气开关柜内还设有与中央控制器控制相连接的温度探测器。
5.如权利要求4所述的电气开关柜自动灭火系统，其特征在于，所述的温度探测器为光纤温度传感器或红外温度传感器，光纤温度传感器以接触式的方式、红外温度传感器以非接触式的方式设置在电气开关柜内。
6.一种电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，其特征在于，包括以下步骤 1)设置在电气开关柜内的光电传感器拍摄图像并传输信号，光电传感器的摄像镜头上设有透红外滤光片，摄像镜头拍摄形成黑白图像经光电转换器转换为图像数字信号，黑白图像中的白色部分为火焰，黑色部分为背景； 2)中央控制器接收检测信号，对图像数字信号进行预处理后提取火焰区别于光干扰源的静态特征和动态特征，并将其量化形成火灾判据向量，通过分析判据向量排除光干扰源并识别火灾； 所述的静态特征提取通过单帧图像运算提取包括尖角、圆形度和梯形特征的目标特征 尖角特征火焰边缘会出现一些朝上的尖角，火焰尖角数目的不断变化是火焰边缘抖动的表现，采用基于目标边缘提取尖角个数； 圆形度特征火焰的形状是不规则的，通过圆形度描述其形状的规整性，圆形度的计算为C = p2/4 S，其中c为圆形度，P为周长，s为面积； 梯形特征火焰底部靠近燃烧物，使火焰的上部宽度小于底部宽度，通过区域重心与中心纵坐标的距离来描述此特征； 动态特征是通过多帧图像运算提取包括跳动、边缘扩大特征的目标特征 跳动特征在视觉上，火焰闪烁表现为火焰不停地跳动，提取25帧图像中目标的高度，记为x[n]，n=0，l，2…24，根据x[n]绘制帧数-高度波形图，然后对波峰个数进行计数，只有当波峰值比两侧的波谷值都大4个像素高度时，才进行频率计数，将波峰个数记为目标跳动频率； 边缘扩大特征在火灾发生初期，火焰主体逐渐增大，通过目标区域的周长逐渐增大来描述此特征； 3)得到火焰的特征向量数据后，对这些特征综合处理先将静态特征和动态特征向量输入到BP神经网络；将输出层输出值与理想值比较得到输出误差；根据输出误差反向传播，逐层向前计算隐层各单元的误差，并用此误差修正前层权值；如此重复多次样本信息正向输入和误差反向传播的过程，一直进行到输出误差达到可以接受的程度，或达到预先设定的学习次数为止；输入层为提取的红外光源的特征向量，输出层的输出值做归一化处理，根据输出值对现场情况作出火灾状态、危险状态和正常状态的判断。
7.如权利要求6所述的电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，其特征在于，所述的对图像数字信号的预处理包括 1)二值化处理，按照以下二值化算法进行处理
8.如权利要求6所述的电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，其特征在于，所述的尖角特征的提取是基于目标边缘提取尖角个数，利用递归法和回朔法标记目标边界，并记录各个边界点的坐标码；然后根据坐标链码判断各个目标边界点是否为顶点，并且与左右邻域能否构成尖角； 火焰边缘的尖角类似于三角形，顶点就是火焰边缘y坐标的极大值点，根据逐一遍历目标边界的坐标链码，比较其I坐标是否比左右5、10、15个像素的y坐标值都大；如果满足条件，则认为这些像素点构成一个尖角； 当目标边缘发生微小变动时，还要判断尖角的高度是否符合火焰尖角的特征，当尖角顶点确定后，顶点、顶点左边第15个边界像素点和右边第15个边界像素点之间的连线构成一个三角形，将此三角形的高度记为尖角的高度； 三角形边长a，b, c可以通过距离公式获得 D=^j (yi-yZ)2 +(.t1-t2)2(2) 再根据海伦公式求三角形的面积 S=、l-a){q~b){cj-c)( 3) q=(a+b+c)/2(4) 将面积公式S = c*h/2代入公式(3)得^ 25' 2」q(q — a)(q -b、(q- c) yl(a + b + c)(b + c-a)(a-b + c)(a+b-c) cc2c(5) 当h超过设定的阈值时，将此目标的尖角个数加1，并将尖角顶点像素灰度值置为255 ；此时遍历边界像素时，需跳到此顶点后边的第16个边界像素点继续进行判断； 所述的圆形度特征提取时，周长P的计算为 ①采用递归法和回朔法标记目标边界； ②对边界进行Freeman8方向链码编码； ③周长初始化为0，如果链码为奇数，周长加1，否则周长加万； 面积S的计算为利用非递归区域增长法标记各个亮区域，遍历整幅图求不同标记值对应的像素个数作为各个标记区域的面积； 梯形特征的区域重心与中心纵坐标的距离的计算为 区域重心的纵坐标为= ^乏>’(7) VGR 其中gy为重心纵坐标，S为目标区域面积，R为目标区域，y为目标区中各个像素的纵坐标； 根据边界点的类别和边界坐标计算重心纵坐标 a、利用基于边界点类别的目标面积计算方法计算面积S； b、令y= 2^V’初始化Y = 0 ； V€i C、遍历目标边界点分类码，如果边界点(xn，yn)为下边界点，r =如果边界点 O(Xn, yn)为上边界点，+ ，如果边界点(Xn, yn)为水平方向顶点，Y=Y+yn ;其中n=0、l、 O2…h-l，h代表图像的高度； d、将Y的最终Y结果代入到(7)式，得到重心纵坐标； e、根据目标边界点纵坐标最大和最小值，计算出目标中心纵坐标y。Ymin=Min(y) ；ymax=Max(y) ；y G R;
9.如权利要求6所述的电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，其特征在于，采用Sigmoid类型输出函数的反向传播为 (1)选定权系数初值； (2)重复下述过程直至收敛，将样本特征量依次输入网络 ①从前向计算各层单元输出Oj ②计算输出层各单元误差Sj
10.如权利要求6所述的电气开关柜自动灭火系统的火灾识别方法，其特征在于，当采用三层前馈网络进行火灾状态、危险状态和正常状态的分类时，输入层节点数为特征向量的维数；隐藏层节点数为log 向上取整，其中P为输入层节点数；输出层节点数为分类数；正向过程中，权值初始值通常选取±0. 3区间的随机数；反向传输法中，步长n在0. I 3之间试探；惯性项系数a在0. 9 I之间选择。
全文摘要
本发明公开了一种电气开关柜自动灭火系统及火灾识别方法，包括安装于电气开关柜内的灭火剂喷头，灭火剂喷头通过管道与储藏有不导电灭火剂的储藏器相连接，管道上设有由中央控制器控制的电磁阀；电气开关柜内还设有光电传感器，光电传感器将检测信号输出到中央控制器，由其来判定是否打开电磁阀。它能应对突发性电气火灾，降低由此带来的损失。采用七氟丙烷、超细干粉灭火剂，这些灭火剂是不导电的，因此不会由于灭火剂导电造成二次危害。这些灭火剂是环保的，因此不会由于灭火剂导对环境造成危害。采用光电传感器，能够快速、准确检测到开关柜内的火灾，如电弧等。
文档编号A62C3/16GK102743830SQ201210237440
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者岳青, 张黎明, 王冰, 赵跃进, 钱永强 申请人:西安交通大学