一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法及装置与流程

本发明属于电气火灾预警领域，特别涉及一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法及装置。

背景技术：

近年来发生了多起大型火灾，造成一定的人员伤亡和巨大的经济损失，除违规储存、施工、危化品之外，电气火灾占据一大部分。在电气火灾中又以居民配电火灾占比比较大，且呈逐年上升趋势。配电火灾一般比较隐蔽，其早期特征信号微弱、不明显，因此，探索其发生机理，抑制和减少其发生机率，是当前急需解决的研究课题。

传统的国内电气火灾预警系统，主要包括监控主机、安装在监测对象上的漏电流探测器、测温式探测器、数据集中器及软件等。采用一回路一机的安装方式，通过总线或无线传输方式完成漏电流和温度数据的接收和上传。

但是，现有的电气火灾预警系统存在以下问题：漏电电流因误报太多导致实用性不够，且漏电保护器已成为电气安全的标准配置，由漏电产生的火灾目前也鲜有报道；对测温而言，电气火灾发生的部位可能是线路的某一段，也可能是用电设备，存在测温点与着火点不一致的问题。因此，如何准确的判断电气火灾着火点，以此提高火灾判断的准确性成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法及装置。

一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法，包括以下步骤：

采集用电支路的用电数据；

对用电支路的用电数据进行预处理；

根据预处理后的用电数据，提取用电支路的用电数据特征量；

分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振，并找出会发生的破坏性谐振的用电支路；

查找会发生破坏性谐振的用电支路上的隐患点。

优选的，所述用电数据包括用电支路的电压、电流及漏电电流；

和/或所述用电数据特征量包括用电支路的电网异常过电压、异常过电流、异常谐波、漏电电流、有功功率及无功功率。

优选的，所述对用电支路的用电数据进行预处理，包括以下步骤：

对用电支路的用电数据进行除噪，得到标准模拟信号；

将所述标准模拟信号转换为离散化后的数字信号。

优选的，所述对用电支路的用电数据进行除噪，包括：

依次对所述用电支路的用电数据进行滤波、放大和电平抬升处理。

优选的，所述根据预处理后的用电数据，提取用电支路的用电数据特征量包括如下步骤：

对预处理后的数据进行数字滤波；

对数字滤波后的信号进行fft处理，获得用电支路的用电数据特征量。

优选的，所述分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路，包括：

根据用电支路的用电数据特征量，分析用电支路的数据异常，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路；

和/或根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的能耗进行分析；

和/或根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的漏电电流进行分析。

一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警装置，包括：

采集模块，用于采集用电支路的用电数据，并将其转换为弱电信号；

预处理模块，用于对转换为弱点信号的用电数据进行预处理；

用电数据特征量提取单元，用于根据预处理后的数据，提取用电支路的用电数据特征量；

分析判断模块，用于分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路；

隐患点定位模块，用于找出发生破坏性谐振的用电支路上的隐患点。

优选的，所述预处理模块包括：

除噪单元，用于对用电支路的用电数据进行除噪，得到标准模拟信号,

模数转换单元，用于将所述标准模拟信号转换为离散化后的数字信号；

和/或所述用电数据特征量提取单元包括：

数字滤波单元，用于对预处理后的数据进行数字滤波，

fft处理单元，用于对数字滤波后的信号进行fft处理，获得用电支路的用电数据特征量；

和/或所述分析判断模块包括：

谐振分析单元，用于根据用电支路的用电数据特征量，分析用电支路的数据异常，

判断单元，用于判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路。

优选的，所述分析判断模块还包括：

能耗分析单元，用于根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的能耗进行分析；

和/或漏电电流分析单元，用于根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的漏电电流进行分析。

优选的，所述预警装置还包括：

无线传输模块，用于分析判断模块与云服务平台模块之间数据交互；

所述云服务平台模块，用于接收分析判断模块对用电支路的用电数据特征量的分析处理结果及用电支路的分析判断结果，并将所述分析处理结果及分析判断结果推送给管理人员，还用于管理人员查看用电支路的相关数据。

本发明所述的电气火灾预警方法，其原理有别于传统电气设备过负荷以及漏电引起的电气火灾，而是实现对在极低负荷工况下由谐振产生的过电压导致的电气火灾的预警，能够准确的判断着火点，提高火灾预警的准确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的用电支路的等效电路图；

图2为具体实施方式中示例性某办公场所的谐振数据折线图；

图3为本发明所述的基于串联谐振机理的配电电气火灾预警装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中通常认为是电流导致火灾，而忽略过电压对线路和设备的影响。

而本发明考虑到过电压对线路和设备的影响，即过电压冲击可能使设备绝缘击穿或产生电火花，提出了一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法及装置。

在低压配电网中，每个电器设备可等效成由电源、电阻、电感和电容元件组成的支路，如图1所示，当容抗(xc)与感抗(xl)相等时，电压(u)与电流(i)相位相同，电路呈纯阻性，此时电路发生串联谐振，在电感和电容元件上将产生很大的过电压。

具体的，电容上的电压有效值为：

电感上的电压有效值为：

式(1)、式(2)中：ω为信号的角频率，q为品质因数。

从式(1)、式(2)可以推出：

对于配电系统来说，由于非线性电气设备的大量存在，会引起电网中电压电流波形发生不同程度的畸变，这些非线性电气设备有的呈感性，有的呈容性，每一个电器设备在电网中相当于一个用电支路存在。从式(3)可知，当支路发生谐振时，品质因数q越大，在谐振段设备上产生的过电压就越大。

对于供电系统来讲，在一天中的22:00～次日凌晨6:00时间段，由于大量的用电设备切出，使电网负荷由重转轻，此时会较大概率的发生无功过补偿，无功过补偿会抬高电网电压、以发热形式增加有功耗损，同时也容易诱发lc支路谐振，使谐振段感性、容性电气负载(包括电网电力设备和用户电气设备)局部过电压、过电流。经多次作用积累，当设备存在薄弱点时，则该过电压冲击有可能使设备绝缘击穿或产生电火花，此时外界条件如可燃物存在、氧气充足则极易形成火灾。

基于过电压引起火灾的原理，本发明公开了一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警方法，包括以下步骤：

s1：采集用电支路的用电数据。其中，所述用电支路的用电数据包括用电支路的电压、电流及漏电电流。具体的，采用电压互感器和电流互感器采集用电支路的用电数据。所述电压互感器和电流互感器采集用电支路的电压、电流及漏电电流这些用电数据为强电信号，因此，所述电压互感器和电流互感器还会将用电数据从强电信号转换为弱电信号。且电压互感器和电流互感器采集的电压、电压、电流及漏电电流信号均为模拟信号。

s2：对用电支路的用电数据进行预处理。

其中，所述对用电支路的信号进行预处理,包括以下步骤：

对用电支路的用电数据进行除噪，得到标准模拟信号；

将所述标准模拟信号转换为离散化后的数字信号。

需要说明的是，本发明所述的标准模拟信号是指易于模数模块进行转换的标准信号。所述模数模块用于将模拟信号转换为数字信号。

其中，所述对用电支路的用电数据进行除噪，即对用电支路的电压、电流、漏电电流的模拟信号进行除噪，包括以下步骤：

依次对所述用电支路的电压、电流、漏电电流的模拟信号进行滤波、放大和电平抬升处理。

s3：根据预处理后的数据，提取用电支路的用电数据特征量。

具体的，所述根据预处理后的数据，提取用电支路的用电数据特征量，包括如下步骤：

对预处理后的数据进行数字滤波，即，调用cpu模块的数字滤波函数对转换后的数字信号进行数字滤波；

对数字滤波后的信号进行fft处理，获得用电支路的用电数据特征量。

其中，本实施例所述的用电数据特征量包括用电支路的电网异常过电压、异常过电流、异常谐波、漏电电流、有功功率及无功功率。

s4：分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路。

所述分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路，包括：

根据用电支路的用电数据特征量，即根据fft处理后的数据，所述根据fft处理后的数据包括用电支路的电网异常过电压、异常过电流及异常谐波，分析用电支路的数据异常，即分析用电支路的异常过电压、异常过电流、谐波异常及负荷变化，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路。

对于低压供电系统，过电压大多由谐振引起，且持续时间较长，如果没有外部因素介入，谐振将一直持续，直到最薄弱点的绝缘被击穿，造成线路或设备故障。通过分析用电支路的系统的电压、电流异常变化，判断用电支路是否发生了谐振。当发现有小的串联谐振频繁发生时，结合用电设备的属性，判断出可能产生谐振的用电支路。

其中，所述分析处理用电支路的用电数据特征量，还包括：

根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的能耗进行分析，即，根据用电支路的有功功率、无功功率，对所述用电支路的能耗进行分析；

根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的漏电电流进行分析，即，根据用电支路的漏电电流，对所述用电支路的漏电电流进行分析。

根据用电支路的用户电器设备属性和工作方式以及对能耗的分析，提出合理化的能源管理方案，帮助用户节能降耗与安全用电。节能降耗也是降低火灾隐患的措施之一。根据有功、无功、谐波的波动，可以判断是否有其它外部大负荷接入。同时还可以实现对过负荷运行进行监测，出现长时间过负荷运行时，进行告警。其中，过负荷的门槛值，由供电线路的直径决定。

根据用电支路的用电数据特征量，对所述用电支路的老化进行分析，包括实时分析用电支路的漏电电流。结合固定时间端的漏电特性，衡量线路与设备的老化程度，降低因线路与设备老化造成电气火灾的概率。

s5：查找会发生破坏性谐振的用电支路上的隐患点。所述隐患点，即可能发生火灾的电器设备与线路。具体的，可以采用便携式的谐振分析仪来找出线路的隐患点，给出解决方案，达到电气火灾预警的目的。

为了保证火灾预警的实效性，本发明所述的火灾预警方法还可以采用4g的无线传输方式，将发现的火灾隐患可实时发送至系统平台。

请参照图2，本发明示例性的给出了某办公场所根据其用电情况分析出的谐振数据，从图2可知，凌晨1：17分左右，该支路产生串联谐振，谐振点在150hz及250hz，3次及5次谐波分别被放大了8倍和5倍。依据串联谐振机理，此支路中的等效l和c两端产生了短时谐振过电压，数据系统报警后的线路检查，发现所带负荷之一的空调电路主板损坏。这也佐证了用电支路串联谐振可能导致电气火灾的成因论证。

本发明所述的电气火灾预警方法，其原理有别于传统电气设备过负荷以及漏电引起的电气火灾，而是实现对在极低负荷工况下由谐振产生的过电压导致的电气火灾的预警，能够准确的判断着火点，提高火灾预警的准确性。

请参照图3，本发明还公开了一种基于串联谐振机理的配电电气火灾预警装置，包括：

采集模块，用于采集用电支路的用电数据，并将其转换为弱电信号，所述用电支路的用电数据包括用电支路的电压、电流及漏电电流。需要说明明的是，本发明可以采用电流互感器和电压互感器作为采集模块采集用电支路的电流数据、电压数据及漏电电流这些数据，但不限于电流互感器和电压互感器作为采集模块，所述电流互感器和电压互感器还将采集的用电支路的电压、电流及漏电电流这些强电信号转换为弱电信号；

预处理模块，用于对所述用电支路的用电数据进行预处理；

用电数据特征量提取单元，用于根据预处理后的用电数据，提取用电支路的用电数据特征量，本实施例所述的用电数据特征量包括用电支路的电网异常过电压、异常过电流、异常谐波、漏电电流、有功功率及无功功率；

分析判断模块，用于分析处理用电支路的用电数据特征量，判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路；

隐患点定位模块，用于找出发生破坏性谐振的用电支路上的隐患点。

其中，所述预处理模块包括：

除噪单元，用于对用电支路的弱电信号进行除噪，得到标准模拟信号。需要说明的是，本发明所述的标准模拟信号是指易于模数模块进行转换的标准信号。所述模数模块用于将模拟信号转换为数字信号。其中，所述对用电支路的用电数据进行除噪，包括：依次对所述用电支路的用电数据进行滤波、放大和电平抬升处理。

模数转换单元，用于将所述标准模拟信号转换为离散化后的数字信号，具体的，所述模数转换单元可以采用ad模块。

具体的，所述用电数据特征量提取单元包括：

数字滤波单元，用于对预处理后的用电数据进行数字滤波，即对模数转换后的用电数据进行数字滤波；

fft处理单元，用于对数字滤波后的信号进行fft处理，获得用电支路的用电数据特征量。

具体的，所述分析判断模块包括：

谐振分析单元，用于根据用电支路的用电数据特征量，分析用电支路的数据异常，即分析用电支路的即分析用电支路的异常过电压、异常过电流、谐波异常及负荷变化；

判断单元，用于判断各用电支路是否会发生破坏性谐振并找出会发生的破坏性谐振的用电支路。

具体的，所述分析判断模块还包括：

能耗分析单元，用于对所述用电支路的能耗进行分析。其中，对所述用电支路的能耗进行分析，包括分析实时电流数据，并记录每天的电流最大值与最小值以及负荷的突变。根据用电支路的用户电器设备属性和工作方式以及对能耗的分析，提出合理化的能源管理方案，帮助用户节能降耗与安全用电。节能降耗也是降低火灾隐患的措施之一。根据有功、无功、谐波的波动，可以判断是否有其它外部大负荷接入。同时还可以实现对过负荷运行进行监测，出现长时间过负荷运行时，进行告警。其中，过负荷的门槛值，由供电线路的直径决定。

其中，所述分析判断模块还包括：

漏电电流分析单元，用于对所述用电支路的漏电电流进行分析。对所述用电支路的漏电电流进行分析，包括实时分析用电支路的漏电电流。结合固定时间段漏电特性，衡量线路与设备的老化程度，降低因线路与设备老化造成电气火灾的概率。

本发明为了保证火灾预警的时效性，所述的基于串联谐振机理的配电电气火灾预警装置还包括无线传输模块，

所述无线传输模块，用于分析判断模块与云服务平台模块之间数据交互；

所述云服务平台模块，用于接收分析判断模块对用电支路的用电数据特征量的分析处理结果及用电支路的分析判断结果，并将所述分析处理结果及分析判断结果推送给管理人员，还用于管理人员查看用电支路的相关数据。

具体的，所述无线传输模块是基于4g的传输模块，实现分析判断模块与云服务平台模块之间的数据交互。将火灾预警情况及时传送至所述云服务平台模块，由云服务平台模块及时推送给管理人员，降低损失。同时，管理人员可以通过云服务平台模块实时查看用电支路的相关数据，即：管理人员随时、随地主动查看用电线路的运行状态、做到及时掌握现场情况，提高管理水平。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。