漏電防火報(bào)警系統(tǒng)中連續(xù)過(guò)載電流調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)

摘要：漏電防火報(bào)警系統(tǒng)又稱剩余電流報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)探測(cè)線路中漏電流的大小來(lái)判斷火災(zāi)的發(fā)生的可能性，從而能夠提早預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，起到與現(xiàn)有消防系統(tǒng)相互補(bǔ)充的重要作用。針對(duì)供電系統(tǒng)實(shí)際情況，提出基于比例因子的連續(xù)過(guò)載電流調(diào)度算法，考慮到過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)，過(guò)載短延時(shí)以及短路情況的不同，進(jìn)一步改進(jìn)控制算法，使得這種控制算法比較適合在該系統(tǒng)中推廣。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和時(shí)間驗(yàn)證，這種對(duì)多規(guī)格延時(shí)的過(guò)載電流的調(diào)度算法能夠反映實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，較為滿意地實(shí)現(xiàn)過(guò)載電流的控制。
關(guān)鍵詞：AVRmega128單片機(jī)；指數(shù)發(fā)熱；散熱模型；電流反時(shí)限

0 引言
當(dāng)今社會(huì)高層建筑不斷增多，對(duì)火災(zāi)監(jiān)控、預(yù)警和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的需求不斷提高。根據(jù)公安部消防局公布的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，近年來(lái)，中國(guó)城市火災(zāi)發(fā)生率呈上升趨勢(shì)。一旦發(fā)生火災(zāi)，不但對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的危害，而且會(huì)對(duì)每一個(gè)家庭帶來(lái)災(zāi)難性打擊。現(xiàn)代建筑的發(fā)展普遍帶有智能系統(tǒng)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)正是適應(yīng)現(xiàn)在樓宇建筑智能系統(tǒng)的配套硬件設(shè)施，對(duì)火災(zāi)漏電監(jiān)控，肩負(fù)起安全防范重大責(zé)任，在現(xiàn)代智能建筑中起著非常重要的安全保障作用。在工業(yè)和民用建筑、賓館、圖書(shū)館、科研和商業(yè)部門，漏電火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已成為必須的裝置。
對(duì)過(guò)載電流的監(jiān)控是漏電火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，隨著工業(yè)、民用用電量的不斷增加，過(guò)載電流引發(fā)的事故也在不斷增加，但過(guò)載電流不同于漏電，所以對(duì)過(guò)載電流處理原則是既不能影響工業(yè)生產(chǎn)和民建用電，又要對(duì)過(guò)載所引發(fā)的事故進(jìn)行預(yù)防。本文在分析過(guò)載電流特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)復(fù)合過(guò)載電流所引發(fā)的跳閘的新型調(diào)度算法。

1 過(guò)載電流分析以及處理方法
在實(shí)際工作生活中，引發(fā)電流過(guò)載的情況復(fù)雜，例如電器設(shè)備的數(shù)量不斷增長(zhǎng)引發(fā)的緩慢電流過(guò)載，也有瞬間達(dá)到額定電流的3～7倍，特殊情況下達(dá)到10倍引發(fā)的電流快速過(guò)載以及大電流過(guò)載情況或者短路。過(guò)載電流不會(huì)立即危害電器設(shè)備，但如果不加以控制，時(shí)間越長(zhǎng)，在線路上很難起到累計(jì)效應(yīng)從而給電器設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的破壞，更有可能造成火災(zāi)事故的發(fā)生。
目前對(duì)電流過(guò)載多采用三段式過(guò)載保護(hù)特性：比較長(zhǎng)延時(shí)過(guò)載保護(hù)、短延時(shí)過(guò)載保護(hù)以及短路保護(hù)。
(1)對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)電流過(guò)載的保護(hù)方法
長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，過(guò)載保護(hù)現(xiàn)有基本方法分為：
①基于過(guò)載電流長(zhǎng)延時(shí)的斜波特性，即I2t特性建立的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：IL為過(guò)載電流值；TL為跳閘動(dòng)作時(shí)間；k1為常數(shù)；Ir為電流整定值；tL為長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作時(shí)間整定值。在式(1)的等號(hào)右邊是已知的常量通常用K表示。根據(jù)式(1)可以判斷當(dāng)跳閘動(dòng)作時(shí)間與發(fā)生過(guò)載的電流成反比，也就是說(shuō)當(dāng)電流過(guò)載的時(shí)候，過(guò)載電流值越大那么發(fā)生跳閘的時(shí)間將會(huì)越短，這種特性通常叫做反時(shí)限特性。這種數(shù)學(xué)模型是在物理上模擬了斷路器出頭的發(fā)熱過(guò)程，當(dāng)熱量累計(jì)到一定程序的時(shí)候跳閘。
②基于時(shí)間常數(shù)的指數(shù)發(fā)熱與散熱模型，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

這種模型的物理特性是模擬電機(jī)發(fā)熱，并將其作為一個(gè)均勻等溫體，根據(jù)熱平衡原理：蓄熱+散熱=發(fā)熱。式(2)微分方程的解為：

式中：為電機(jī)的穩(wěn)態(tài)升溫；電機(jī)的熱時(shí)間常數(shù)；τ0為電機(jī)的初始溫升。其中P為電機(jī)功率，KT為散熱系數(shù)，A為散熱體面積，C為比熱，M為散熱體體積。
為了對(duì)時(shí)間常數(shù)的指數(shù)發(fā)熱方程進(jìn)行曲線擬合，上述方程變化為：

式中：x1，x2，x3是數(shù)學(xué)模型參數(shù)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量升溫τ和時(shí)間t在不同過(guò)載情況下的對(duì)應(yīng)個(gè)多組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法原理和高斯一牛頓下降法，在一定誤差容限ε下，估算出函數(shù)的參數(shù)，并以在不同過(guò)載情況下的函數(shù)計(jì)算升溫τ，當(dāng)升溫達(dá)到過(guò)載保護(hù)要求的時(shí)候跳閘。
考慮到自動(dòng)合閘的情況，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)散熱到一定溫度下，要求能過(guò)自動(dòng)回復(fù)正常工作，所以對(duì)單時(shí)間常數(shù)冷卻方程同樣要做擬合模型。