漏電防火報警系統中連續過載電流調度算法的實現

摘要：漏電防火報警系統又稱剩余電流報警系統，通過探測線路中漏電流的大小來判斷火災的發生的可能性，從而能夠提早預防火災發生，起到與現有消防系統相互補充的重要作用。針對供電系統實際情況，提出基于比例因子的連續過載電流調度算法，考慮到過載長延時，過載短延時以及短路情況的不同，進一步改進控制算法，使得這種控制算法比較適合在該系統中推廣。經過現場試驗和時間驗證，這種對多規格延時的過載電流的調度算法能夠反映實際現場情況，較為滿意地實現過載電流的控制。
關鍵詞：AVRmega128單片機；指數發熱；散熱模型；電流反時限

0 引言
當今社會高層建筑不斷增多，對火災監控、預警和預報系統的需求不斷提高。根據公安部消防局公布的一項統計結果，近年來，中國城市火災發生率呈上升趨勢。一旦發生火災，不但對人的生命財產造成極大的危害，而且會對每一個家庭帶來災難性打擊。現代建筑的發展普遍帶有智能系統，火災自動報警系統正是適應現在樓宇建筑智能系統的配套硬件設施，對火災漏電監控，肩負起安全防范重大責任，在現代智能建筑中起著非常重要的安全保障作用。在工業和民用建筑、賓館、圖書館、科研和商業部門，漏電火災自動報警系統已成為必須的裝置。
對過載電流的監控是漏電火災自動報警系統的一個重要組成部分，隨著工業、民用用電量的不斷增加，過載電流引發的事故也在不斷增加，但過載電流不同于漏電，所以對過載電流處理原則是既不能影響工業生產和民建用電，又要對過載所引發的事故進行預防。本文在分析過載電流特點的基礎上，提出對復合過載電流所引發的跳閘的新型調度算法。

1 過載電流分析以及處理方法
在實際工作生活中，引發電流過載的情況復雜，例如電器設備的數量不斷增長引發的緩慢電流過載，也有瞬間達到額定電流的3～7倍，特殊情況下達到10倍引發的電流快速過載以及大電流過載情況或者短路。過載電流不會立即危害電器設備，但如果不加以控制，時間越長，在線路上很難起到累計效應從而給電器設備帶來嚴重的破壞，更有可能造成火災事故的發生。
目前對電流過載多采用三段式過載保護特性：比較長延時過載保護、短延時過載保護以及短路保護。
(1)對較長時間延時電流過載的保護方法
長時間延時，過載保護現有基本方法分為：
①基于過載電流長延時的斜波特性，即I2t特性建立的數學表達式：

式中：IL為過載電流值；TL為跳閘動作時間；k1為常數；Ir為電流整定值；tL為長時間動作時間整定值。在式(1)的等號右邊是已知的常量通常用K表示。根據式(1)可以判斷當跳閘動作時間與發生過載的電流成反比，也就是說當電流過載的時候，過載電流值越大那么發生跳閘的時間將會越短，這種特性通常叫做反時限特性。這種數學模型是在物理上模擬了斷路器出頭的發熱過程，當熱量累計到一定程序的時候跳閘。
②基于時間常數的指數發熱與散熱模型，數學表達式為：

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

式中：為電機的穩態升溫；電機的熱時間常數；τ0為電機的初始溫升。其中P為電機功率，KT為散熱系數，A為散熱體面積，C為比熱，M為散熱體體積。
為了對時間常數的指數發熱方程進行曲線擬合，上述方程變化為：

式中：x1，x2，x3是數學模型參數，通過實際測量升溫τ和時間t在不同過載情況下的對應個多組數據，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，估算出函數的參數，并以在不同過載情況下的函數計算升溫τ，當升溫達到過載保護要求的時候跳閘。
考慮到自動合閘的情況，當電動機停止運轉時，電機散熱到一定溫度下，要求能過自動回復正常工作，所以對單時間常數冷卻方程同樣要做擬合模型。