一种用于光伏电站的火灾预警系统与方法与流程

本发明涉及光伏电站报警监控技术领域，尤其是涉及一种用于光伏电站的火灾预警系统。

背景技术：

随着能源危机的加深，近年来光伏产业进入快速发展期，快速发展的同时必然会带来越来越多的安全隐患，其中光伏电站的火灾问题，特别是分布式屋顶光伏电站的火灾，一旦出现，可能会造成无法估量的人身、财产损失，为了减少火灾事故的发生，一方面应提高产品质量，另一方面应增加预防措施。

目前光伏电站火灾预警大多采用的是电缆方式的温度监测技术，电缆内由两根或多根导线组成，当环境温度变化时，导线间电阻发生变化，在电阻变化达到设定的报警阈值时，探测器发出火灾报警信号。但光伏电站现场情况复杂，尤其是分布式屋顶光伏电站，采用此方法进行温度监测存在如下问题：

1)精度低，只能以某一局部线段作为报警单元，无法精确定位报警点；

2)监测范围小，一般报警单元上限长度为200m；

3)易受电磁干扰，在强电环境中经常误报。可以抵抗弱电环境的干扰，但无法在强电磁场的环境中不受任何干扰；

4)报警温度不能任意修改，只能对设定的温度进行报警，无法判断在不报警情况下的温度状况和温度发展趋势，灵活性较差，对于比较昂贵的模拟量4芯缆式感温探测器虽然报警温度可调，但是精度不高；

5)采用热敏绝缘材料，常在报警后绝缘材料的热敏特性破坏，并成短路状态，难以恢复，不可再使用，只能重新更换，维护工作量大；

6)由于采用电信号，当导线之间绝缘非常脆弱时，容易产生大电流或短路从而形成电火花并产生火灾，特别是在有强电磁场的高压电缆隧道内采用这种方式容易由于感温本身的质量问题而形成火灾，因此，现有技术本身也会对现场电缆系统的安全运行造成隐患。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于光伏电站的火灾预警系统，该系统具备：配置在光伏电站的多条感温光纤，其利用自带米标装置标定本条光纤内的所有监测点，输出光纤散射信号；多台测温主机，其间隔预设时间段采集与之连接的感温光纤输出的所述光纤散射信号，利用光时域反射和光纤后向温度效应原理，计算每个所述监测点的监测点温度信息，并根据预设的温度等级阈值组，得到每个所述监测点的监测点温度等级，输出所有监测点下的监测点温度数据组，其中，所述监测点温度数据组包括：所述监测点下的所述监测点温度信息及所述监测点温度等级；监控主机，其与多台测温主机连接，监控所有所述测温主机，接收并解析所述测温主机发送的所述监测点温度数据组，对解析结果进行数据分析处理，输出报警信息。

优选地，所述监控主机配置为单独设置的主机设备或者为任一所述测温主机集成所述监控主机功能的主机设备。

优选地，所述监控主机通过光纤环网与多台测温主机连接，所述光纤环网，其具备若干个光纤交换机以及光纤，通过所述光纤将相邻的光纤交换机连接，构成一个环形局域网；每台所述光纤交换机均与一台主机设备连接，所述主机设备包括所述测温主机或所述监控主机。

优选地，所述监测点温度信息包括同一监测点下的监测点位置数据以及监测点现场温度，所述监测点包括太阳能电池板或电缆。

优选地，进一步，所述监控主机，其利用所述测温主机的数量，并按照所述测温主机的监测范围，将所述监控主机的监测区域划分为若干个一级监测区域，其中，任一所述一级监测区域为对应所述测温主机的监测区域。

优选地，进一步，所述测温主机，其存储有一组温度等级阈值组，基于输入的新的所述温度等级阈值组，对本机对应的数据进行更新；所述监控主机，其向任一所述测温主机设置对应所述一级监测区域下的所述温度等级阈值组。

优选地，所述温度等级阈值组包括与预警和火灾报警至少两种等级分别对应的报警温度阈值和/或报警温升速率阈值，进一步，所述测温主机，其将每个所述监测点的所述监测点现场温度分别与同组内的多个报警温度阈值进行比较或者将相邻两次测得的同一监测点的所述监测点现场温度的升温速率与多个报警升温速率阈值进行比较，得到该监测点的监测温度等级。

优选地，所述监控主机，其进一步利用所述监测点温度信息、所述监测点温度等级和所有所述一级监测区域下的所述温度等级阈值组，统计所有所述监测点的报警信息以及每条所述感温光纤的温度曲线，其中，所述报警信息包括：分别处于预警等级和火灾报警等级的监测点数量、监测点位置及报警提示信号。

优选地，进一步，所述监控主机具备存储有监测点温度数据组的数据库；所述测温主机，其向所述监控主机发送关于本机的查询范围信息，并接收对应查询范围内的所述监测点温度数据组；所述监控主机，其根据输入的查询范围，从本机所述数据库中调取满足查询范围的所述监测点温度数据组。

另一方面，提供了一种用于光伏电站的火灾预警方法，所述光伏电站具备如上所述的火灾预警系统，该方法包括如下步骤：温度信息采集步骤：感温光纤标定本条光纤内的所有监测点，输出光纤散射信号，测温主机间隔预设时间段采集与所述测温主机连接的所述光纤散射信号，利用光时域反射和光纤后向温度效应原理，计算每个所述监测点的监测点温度信息，所述监测点温度信息包括同一监测点下的监测点位置数据以及监测点现场温度，进一步，所述监测点包括太阳能电池板或电缆；温度等级判定步骤：所述测温主机根据预设的温度等级阈值组，利用所述监测点温度信息，得到每个所述监测点的监测点温度等级，输出所有监测点下的监测点温度数据组，其中，所述监测点温度数据组包括：所述监测点下的所述监测点温度信息及所述监测点温度等级；报警信息输出步骤：所述监控主机接收并解析所有所述测温主机发送的所述监测点温度数据组，对解析结果进行数据分析处理，输出报警信息。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种基于感温光纤的用于光伏电站的火灾预警系统，实时监测光伏组件或电缆每一处的温度，达到在火灾发生前提早预警的目的，定位精确，监测距离长，灵活性高，抗干扰能力强，所有设置在终端完成，整个系统简单可靠。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的网络拓扑图；

图2为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的数据及信号流向图；

图3为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的实施流程图；

图4为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的网络拓扑图(测温主机集成监控主机功能)。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为了克服上述现有技术中的不足，本实施例提出了一种基于感温光纤的光伏电站火灾预警系统，利用感温光纤和光纤设备的属性，构建了火灾预警系统的网络拓扑结构和全网贯通的新的实施方式，该网络结构简单且抗干扰能力强，具备高精度的监测数据，完善的火灾预警机制，全网通信查询和个性化设置预警参数功能。

图1为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的网络拓扑图。如图1所示，该预警系统具备如下部件：监控主机、包括测温主机和若干感温光纤的测温子系统、光纤环网。下面，针对该网络拓扑结构的连接方式进行详细说明。

首先，光纤环网具备若干个光纤交换机以及光纤，通过光纤将所有相邻的光纤交换机一一连接起来，构成一个环形局域网，每台光纤交换机均与一台主机设备连接，其中，主机设备包括测温主机或监控主机，并且监控主机通过光纤环网与多台测温主机连接。

参考图1，具体地，在本申请实施例中，光纤环网由三台光纤环网交换机和光纤组成，监控主机与1#环网交换机通过网线连接，1#测温主机与2#光纤环网交换机通过网线连接，2#测温主机与3#光纤环网交换机通过网线连接；1#光纤环网交换机、2#光纤环网交换机与3#光纤环网交换机之间利用光纤两两连接。其中，1#光纤环网交换机、2#光纤环网交换机和3#光纤环网交换机组成光纤环网，将监控主机、1#测温主机和2#测温主机组成一个环形局域网。需要说明的是，本申请针对光纤环网中的光纤交换机数量不作具体限定，本申请实施人员可根据实际情况进行适当的调整；另外，本申请还针对交换机的种类不作具体限定，使用普通交换机组成普通环形网络也可实现本发明。

再次参考图1，每台测温主机均可以与若干条感温光纤连接。在本申请实施例中，该系统具备2台测温主机，每台测温主机具备四个光纤通道，每个通道接入1条感温光纤。具体地，再次参考图1，1#测温主机包含4个光纤通道，分别接入4根感温光纤，其中，通道1感温光纤长3千米，在1#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到1#测温主机的通道1，测量1#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道2感温光纤长3千米，在2#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到1#测温主机的通道2，测量2#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道3感温光纤长3千米，在3#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到1#测温主机的通道3，测量3#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道4感温光纤长3千米，在4#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到1#测温主机的通道4，测量4#屋顶太阳能电池板或电缆的温度。另外，2#测温主机包含4个光纤通道，分别接入4根感温光纤，其中，通道1感温光纤长3千米，在5#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到2#测温主机的通道1，测量5#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道2感温光纤长3千米，在6#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后，接入到2#测温主机的通道2，测量6#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道3感温光纤长3千米，在7#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后接入到2#测温主机的通道3，测量7#屋顶太阳能电池板或电缆的温度；通道4感温光纤长3千米，在8#屋顶沿太阳能电池板底部或电缆桥架内环绕敷设后接入到2#测温主机的通道4，测量8#屋顶太阳能电池板或电缆的温度。需要说明的是，在本申请实施例中，感温光纤的长度为3千米，每个测温主机具备四个通道，分别连接四条感温光纤，但本申请针对感温光纤的长度以及每台测温主机的通道数量不作具体限定，本申请实施人员可根据实际情况进行设定。

在光伏电站的现场安装过程中，其一，感温光纤利用其自带米标设备进行监测点位置的标定；其二，感温光纤需要根据实际监测设备选择铺设位置，例如，当需要测量太阳能板温度时，将感温光纤在太阳能电池板背板的四周进行敷设；若需要测量电缆温度时，将感温光纤敷设在电缆槽中。需要说明的是，在光伏电站中，监测点位置位于太阳能电池背板或电缆上，进一步地说，相邻的两个感温光纤监测点的最短距离可为0.25米。

需要说明的是，感温光纤直接接入测温主机，测温主机向感温光纤中发送激光脉冲，来进行监测点现场温度的计算及定位。具体地，感温光纤利用内部的石英介质，在一束由与之连接的测温主机发送的激光脉冲的作用下，将其输出的光纤散射信号发送至与其连接的测温主机中。测温主机具备基于光时域反射仪和光纤温度效应原理构建的测试点温度采集模型，该模型能够将接收到的光纤散射信号进行信号分析处理，输出每个监测点的位置数据以及在该监测点下的现场温度数据。进而，感温光纤完成了针对太阳能背板或电缆的温度采集过程。

进一步地说，感温光纤温度监测技术具有如下特性：1)定位精确，监测距离长，可以清晰地显示探测线路上每一监测点的实时温度值；2)灵活性高，可以通过软件任意设定报警温度值，可以设低温报警、预警及火灾报警等多级报警方式，也可以根据温升速率报警，以及根据现场实际情况调整报警值，使用非常灵活；3)抗干扰能力强，其以光信号为载体，可抵抗电磁干扰，减少误报。

在本申请实施例中，针对感温光纤的采集作用有几点需要说明。其一，在该系统中，每条感温光纤的相邻的监测点的最小间隔为0.25米。其二，测温主机的信号采集周期小于或等于5秒，不到5s就可以更新一次温度数据。其三，感温光纤的测温精度为±1℃，温度分辨率为0.1℃。

另外，下面对于感温光纤针对监测点的位置信息及温度信息的获取原理进行说明。在上述过程的完成是由于激光脉冲与光纤分子相互作用后，发生了散射现象。散射有多种，例如：瑞利(rayleigh)散射、布里渊(brillouin)散射和喇曼(raman)散射等。其中，喇曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(anti-stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(anti-stokes)光强发生变化，anti-stokes与stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

其次，光纤分布式温度监测主要是利用光时域反射(otdr)技术以及光纤的后向喇曼散射(ramanscattering)的温度效应来实现的。若由测温主机向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会沿着光纤向前传播，由于光纤中存在微观的不均匀性同时向四周发射散射光。散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，测量入射光和反射光之间的时间差t，则发射散射光的位置距入射端的距离x为：

其中，c表示光纤中的光速；n表示光纤折射率。由此，可完成对所有监测点位置的计算过程，即otdr技术。

图2为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的数据及信号流向图。如图2所示，在上述拓扑结构实施过程中，各个部件利用如下方式进行数据及信号的交互。

首先，实施人员需要在1#～8#屋顶上的太阳能背板或电缆槽中分别铺设8条感温光纤(每个屋顶铺设一条感温光纤，每条感温光纤监测区域为二级监测区域)，完成系统应用前的准备工作。1#测温主机通过脉冲半导体激光器分别向与之连接的通道1～4中的感温光纤发送激光脉冲，同时，2#测温主机通过脉冲半导体激光器分别向与之连接的通道1～4中的感温光纤发送激光脉冲。感温光纤负责现场的温度采集，在利用其自带米标装置标定本条光纤内的所有监测点后，通过光纤内部石英介质，返回各条光纤的采集结果(光纤散射信号)，并输送至相应的测温主机内。然后，测温主机间隔预设时间段采集与之连接的感温光纤输出的光纤散射信号，利用光时域反射和光纤后向温度效应原理，计算每个监测点的监测点温度信息，其中，监测点温度信息包括同一监测点下的监测点位置数据以及监测点现场温度。进一步，测温主机根据预设的温度等级阈值组，得到每个监测点的监测点温度等级，输出所有监测点下的监测点温度数据组，其中，所述监测点温度数据组包括：所有所述监测点下的所述监测点温度信息及所述监测点温度等级。

在本申请实施例中，测温主机能够监测所有与之连接的感温光纤所监测的区域，根据感温光纤所在位置、测温主机下的感温光纤数量以及测温主机的数量，并按照测温主机的监测范围，可任意将监控主机的监测区域划分为若干个一级监测区域。本发明采用每台测温主机的监测区域为一个一级监测区域并且每条感温光纤的监测区域为一个二级监测区域的区域划分方式，所有测温主机的监测区域构成监测主机监测区域，即监测主机可监测到全部监测点所在区域。每台测温主机中均具备一组预设的温度等级阈值组，温度等级阈值组包含与预警等级和火灾报警等级至少两种等级分别对应的报警温度阈值和/或报警温升速率阈值，将每个所述监测点的监测点现场温度分别与同组内的多个报警温度阈值进行比较或者将相邻两次测得的同一监测点的监测点现场温度的升温速率与多个报警升温速率阈值进行比较，得到该监测点的监测温度等级。需要说明的是，本发明可采用两种发法计算监测点的温度等级，其一，利用预设的温度等级所对应的报警温度阈值；其二，利用预设的温度等级所对应的报警温升阈值，本申请针对监测点的温度等级计算方法不作具体限定，可采用上述两种方式之一进行计算，还可采用其他方法，本申请实施人员可根据现场应用环境进行设计。

(一个示例)

若火灾预警系统的温度范围为-40℃～120℃，依靠-30℃、70℃和95℃(三个报警温度阈值)将1#测温主机的温度范围划分为低温、正常、预警以及火灾报警四个等级，在1#测温主机中，若任一温度监测点的温度低于-30℃时，则该监测点的监测点温度等级为低温等级；若任一温度监测点的温度低于70℃且大于或等于-30℃时，则该监测点的监测点温度等级为正常等级；若任一温度监测点的温度低于95℃且大于或等于70℃时，则该监测点的监测点温度等级为预警等级；若任一温度监测点的温度大于或等于95℃时，则该监测点的监测点温度等级为火灾报警等级。同时，该系统的温度范围为-40℃～120℃，依靠-20℃、75℃和100℃(三个报警温度阈值)将2#测温主机的温度范围划分为低温、正常、预警以及火灾报警四个等级，在2#测温主机中，若任一温度监测点的温度低于-20℃时，则该监测点的监测点温度等级为低温等级；若任一温度监测点的温度低于75℃且大于或等于-20℃时，则该监测点的监测点温度等级为正常等级；若任一温度监测点的温度低于100℃且大于或等于75℃时，则该监测点的监测点温度等级为预警等级；若任一温度监测点的温度大于或等于100℃时，则该监测点的监测点温度等级为火灾报警等级。

在本申请实施例中，测温主机存储有一组温度等级阈值组，基于输入的新的温度等级阈值组，对本机所属监测区域的报警温度阈值和/或报警温升速率阈值进行实时设定和更改；监控主机可针对不同的一级监测区域，向各一级监测区域所属的测温主机分别设置不同的温度等级阈值组。需要说明的是，本申请针对报警等级的数量及其各个等级的温度范围不作具体限定，本申请实施人员可以根据光伏电站所在位置、全年温度分部情况、所处环境等具体因素针对报警等级的数量和该等级所对应的报警温度阈值和报警温升速率阈值进行及时调整或实时设定。

在1#测温主机和2#测温主机得到每个监测点的温度等级后，输出所有监测点下的监测点温度数据组至监控主机中，其中，每个监测点温度数据组包括：所有监测点下的监测点温度信息及监测点温度等级。

接着，监控主机接收并解析1#测温主机和2#测温主机发送的监测点温度数据组，对解析结果分别执行数据分析、数据显示和数据存储处理，输出报警信息，其中，监控主机具备存储有监测点温度数据组的数据库。具体地，当监控主机解析出每一个监测点的监测点温度信息和该监测点所属的温度等级后，将上述数据显示在监测主机屏幕上，并将上述数据作为历史数据定时自动存储于监控主机数据库中，再次利用所有监测点温度数据以及所有一级监测区域下的温度等级阈值组，统计出所有监测点的报警信息以及每条感温光纤的温度曲线。其中，报警信息包括：分别处于预警等级和火灾报警等级的监测点数量、监测点位置及报警提示信号。(一个示例)若检测出处于预警等级的监测点数量为40个，处于火灾报警等级的监测点数量为10个时，监测主机应在预警提示信号下显示该等级下的监测点数量及位置，同时，在火灾提示信号下显示所在等级的监测点数量及位置，以提示操作人员进行现场勘查，及时进行救火或报警等后续操作。需要说明的是，本发明实施例将数据存储动作的时间间隔设置为1分钟，即监控主机每隔1分钟存储一次所有温度监测点的温度数据，本申请针对存储时间间隔不做具体限定，本申请实施人员可根据实际情况进行调整。

另外，操作人员可从任一主机设备上发起查询命令，并开启查询机制，其中，任一测温主机向监控主机发送关于本机的查询范围信息，监控主机下发满足查询范围的监测点温度数据组，最后，测温主机将上述数据进行接收并显示；另外，监控主机根据输入的查询范围，从本机数据库中调取满足查询范围的对应监测点温度数据组。(一个示例)当操作人员从监控主机上与查询1#测温主机上时间为17:00～17:10的各监测点的温度数据时，输入查询范围后，监测主机从本机数据库中调取满足查询范围信息的监测点温度数据组，并显示在监测主机屏幕上；(另一个示例)当操作人员在2#测温主机上发送查询关于2#测温主机在时间为16:20～16:30的各监测点的温度数据时，输入查询范围后，2#测温主机向监控主机传输查询命令信号并发送查询范围信息，监测主机根据上述查询范围信息从其数据库中调取满足查询范围信息的监测点温度数据组，并将符合的查询结果反馈给2#测温主机，并在其屏幕上显示查询结果。

图3为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的系统实施流程图。如图3所示，首先，由感温光纤进行温度数据采集，并输出光纤散射信号；之后，由测温主机将收集到的光纤散射信号进行温度数据处理，得到包括监测点位置、监测点温度和监测点温度等级在内的监测点温度数据组，并将上述数据组发送至监控主机；最后，由监控主机接收所有测温主机发送的监测点温度数据组，将接收到的监测点温度数据组进行数据解析，解析后的温度数据分别进行数据显示、数据储存和数据的统计判定，一方面，存储的温度数据可供后续实施的查询机制进行调用，另一方面，温度数据的统计判定根据各测温主机监测区域下的温度等级阈值组的设置值，对温度数据进行统计，输出预警和火灾报警等级的监测点数量、位置以及对应的提示信号。

需要说明的是，针对本申请的拓扑结构可以将监控主机进行单独设置(如图1所示)，还可以将任一测温主机集成监控主机功能。图4为本申请实施例的光伏电站火灾预警系统的网络拓扑图(测温主机集成监控主机功能)，如图4所示，将其中一台测温主机作为主控测温主机，其中，主控测温主机为任一测温主机，其集成监控主机的所有功能。进一步地说，本发明针对监控主机的位置不作具体限定，其可以单独设置，也可以集成于任一测温主机中。

本发明是一种基于感温光纤的光伏电站火灾预警系统，一方面，光纤测温精度高、反应快、准确定位事故点，系统可反映全厂的电缆或太阳能板的温度，实时捕捉火情，迅速发出报警，对于早期预警有很强的作用；另一方面，利用多级预警温度的设置，可任意把被测区域划分成若干个区域并分别设置报警温度，实现人性化管理；另外，环网设备的加入使得系统可以与站内局域网连接，在网内任意一台电脑上均可进行数据查询和数据设置。从现场到控制室传输线路全部以石英为工作介质，本质绝缘、抗电磁微波干扰，耐腐蚀、耐老化，一根光缆便可完成探测和信号传输，所有设置均在终端完成，没有繁多的中间环节和转换部件，大大降低了出现故障的机率以及日后的维护费用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。