漏电防火报警系统中连续过载电流调度算法的实现

摘要：漏电防火报警系统又称剩余电流报警系统，通过探测线路中漏电流的大小来判断火灾的发生的可能性，从而能够提早预防火灾发生，起到与现有消防系统相互补充的重要作用。针对供电系统实际情况，提出基于比例因子的连续过载电流调度算法，考虑到过载长延时，过载短延时以及短路情况的不同，进一步改进控制算法，使得这种控制算法比较适合在该系统中推广。经过现场试验和时间验证，这种对多规格延时的过载电流的调度算法能够反映实际现场情况，较为满意地实现过载电流的控制。
关键词：AVRmega128单片机；指数发热；散热模型；电流反时限

0 引言
当今社会高层建筑不断增多，对火灾监控、预警和预报系统的需求不断提高。根据公安部消防局公布的一项统计结果，近年来，中国城市火灾发生率呈上升趋势。一旦发生火灾，不但对人的生命财产造成极大的危害，而且会对每一个家庭带来灾难性打击。现代建筑的发展普遍带有智能系统，火灾自动报警系统正是适应现在楼宇建筑智能系统的配套硬件设施，对火灾漏电监控，肩负起安全防范重大责任，在现代智能建筑中起着非常重要的安全保障作用。在工业和民用建筑、宾馆、图书馆、科研和商业部门，漏电火灾自动报警系统已成为必须的装置。
对过载电流的监控是漏电火灾自动报警系统的一个重要组成部分，随着工业、民用用电量的不断增加，过载电流引发的事故也在不断增加，但过载电流不同于漏电，所以对过载电流处理原则是既不能影响工业生产和民建用电，又要对过载所引发的事故进行预防。本文在分析过载电流特点的基础上，提出对复合过载电流所引发的跳闸的新型调度算法。

1 过载电流分析以及处理方法
在实际工作生活中，引发电流过载的情况复杂，例如电器设备的数量不断增长引发的缓慢电流过载，也有瞬间达到额定电流的3～7倍，特殊情况下达到10倍引发的电流快速过载以及大电流过载情况或者短路。过载电流不会立即危害电器设备，但如果不加以控制，时间越长，在线路上很难起到累计效应从而给电器设备带来严重的破坏，更有可能造成火灾事故的发生。
目前对电流过载多采用三段式过载保护特性：比较长延时过载保护、短延时过载保护以及短路保护。
(1)对较长时间延时电流过载的保护方法
长时间延时，过载保护现有基本方法分为：
①基于过载电流长延时的斜波特性，即I2t特性建立的数学表达式：

式中：IL为过载电流值；TL为跳闸动作时间；k1为常数；Ir为电流整定值；tL为长时间动作时间整定值。在式(1)的等号右边是已知的常量通常用K表示。根据式(1)可以判断当跳闸动作时间与发生过载的电流成反比，也就是说当电流过载的时候，过载电流值越大那么发生跳闸的时间将会越短，这种特性通常叫做反时限特性。这种数学模型是在物理上模拟了断路器出头的发热过程，当热量累计到一定程序的时候跳闸。
②基于时间常数的指数发热与散热模型，数学表达式为：

这种模型的物理特性是模拟电机发热，并将其作为一个均匀等温体，根据热平衡原理：蓄热+散热=发热。式(2)微分方程的解为：

式中：为电机的稳态升温；电机的热时间常数；τ0为电机的初始温升。其中P为电机功率，KT为散热系数，A为散热体面积，C为比热，M为散热体体积。
为了对时间常数的指数发热方程进行曲线拟合，上述方程变化为：

式中：x1，x2，x3是数学模型参数，通过实际测量升温τ和时间t在不同过载情况下的对应个多组数据，采用最小二乘法原理和高斯一牛顿下降法，在一定误差容限ε下，估算出函数的参数，并以在不同过载情况下的函数计算升温τ，当升温达到过载保护要求的时候跳闸。
考虑到自动合闸的情况，当电动机停止运转时，电机散热到一定温度下，要求能过自动回复正常工作，所以对单时间常数冷却方程同样要做拟合模型。