賈振國(guó) 許琳 楊忠亮

摘 要：配電柜是電力系統(tǒng)及工礦企業(yè)重要的配電設(shè)備之一，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到企業(yè)的正常生產(chǎn)和人們的日常生活。配電柜電氣火災(zāi)是配電柜運(yùn)行過程中的重要安全隱患。針對(duì)配電柜電氣火災(zāi)的成因，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警模型。該模型在考慮常規(guī)電氣火災(zāi)誘發(fā)因素如弧光、煙霧、溫度等的同時(shí)，融合了電壓、電流和電能質(zhì)量等電氣參量作為電氣火災(zāi)成因的特征量。該模型具有自學(xué)習(xí)、記憶和推理判斷的特點(diǎn)，能夠有效提高預(yù)警的可靠性。采用MATLAB仿真驗(yàn)證了模型預(yù)警的效果。

關(guān)鍵詞：配電柜；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；電氣火災(zāi)；預(yù)警；模型

中圖分類號(hào)：TP216+.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）10-0091-03

Abstract： Distribution cabinet is one of the important distribution equipment in power system and industrial and mining enterprises. Its safe and stable operation is directly related to the normal production of enterprises and people's daily life. Electrical fire of distribution cabinet is an important safety hazard in the operation of distribution cabinet. In view of the causes of electrical fire in distribution cabinets， an electric fire warning model of distribution cabinets based on neural network is proposed. In this model， the electrical parameters， such as voltage， current and power quality， are considered as the characteristics of electrical fire caused by conventional electrical fire inducing factors， such as arc， smoke， temperature and so on. The model has the characteristics of self-learning， memory and reasoning and judgment， and can effectively improve the reliability of early warning. The effect of model warning is verified by MATLAB simulation.

Keywords： distribution cabinet； neural network； electrical fire； prewarning； model

引言

配電柜是電力系統(tǒng)和企事業(yè)單位供配電的重要設(shè)備之一。配電柜的安全運(yùn)行直接關(guān)系到電能的連續(xù)供給和用戶負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。配電柜運(yùn)行過程中的潛在隱患是電氣火災(zāi)，據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，2016年國(guó)內(nèi)共發(fā)生電氣火災(zāi)9.4萬起，占火災(zāi)總數(shù)的30.4%；2017年第一季度國(guó)內(nèi)共發(fā)生電氣火災(zāi)2.4萬起，占火災(zāi)總數(shù)的29.8%[1]。在這些電氣火災(zāi)中，由配電柜或配電柜外供線路引起的火災(zāi)占有相當(dāng)大的比例。因此，對(duì)配電柜及其外供線路進(jìn)行電氣火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文在對(duì)配電柜內(nèi)部實(shí)施溫度、煙霧、火焰等常規(guī)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)配電柜電能質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測(cè)與分析，融合多種信息構(gòu)建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警模型。采用該模型不僅可以發(fā)現(xiàn)配電柜內(nèi)部的電氣火災(zāi)隱患，還可以通過對(duì)配電柜外供線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，及早發(fā)現(xiàn)外供線路存在的電氣火災(zāi)隱患并發(fā)出預(yù)警信息，做到防患于未然。

1 配電柜電氣火災(zāi)成因

1.1 誘發(fā)配電柜電氣火災(zāi)的主要因素

（1）短路

短路是配電柜電氣火災(zāi)的主要誘發(fā)原因之一。配電柜內(nèi)相導(dǎo)體間的絕緣擊穿或絕緣破損，導(dǎo)致相線與相線、相線與零線或相線與地的絕緣電阻降低，電流突然增大，瞬間發(fā)熱量超過正常運(yùn)行發(fā)熱量，引燃絕緣或周邊可燃物，形成火災(zāi)。

（2）漏電

漏電是指由于線路絕緣降低，導(dǎo)線在某處與大地之間有一部分電流通過，漏電流較大時(shí)便會(huì)在漏電部位產(chǎn)生局部高溫、電火花或電弧，形成火災(zāi)隱患。漏電一般是由于絕緣降低造成的，通常比較隱蔽不易發(fā)現(xiàn)。因此，電氣線路漏電引發(fā)的火災(zāi)事故是電氣火災(zāi)事故中最為隱蔽和難以防范的一種，并且電氣火災(zāi)漏電又是引起短路或電氣設(shè)備故障的誘因[2]。

（3）過負(fù)荷

過負(fù)荷是指電氣設(shè)備或?qū)Ь€超過了額定載流量，過負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或?qū)Ь€溫度不斷升高，加快絕緣老化，嚴(yán)重過負(fù)荷時(shí)會(huì)引燃絕緣，形成火災(zāi)。

（4）接觸不良

接觸不良主要發(fā)生在電氣設(shè)備引出端或線路接頭部位，接觸電阻的增大，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體接觸部位額外的發(fā)熱，形成高溫，嚴(yán)重時(shí)可能使接觸部位的導(dǎo)體融化或者引燃絕緣層或周邊的可燃物，從而形成火災(zāi)。

（5）諧波

“諧波是對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量[3]”。諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。諧波可能由供電電源形成，也可能由負(fù)載中的電動(dòng)機(jī)、變壓器或非線性負(fù)載形成。諧波含量的增加會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的額外發(fā)熱，加速設(shè)備的老化，從而產(chǎn)生漏電或短路故障，形成火災(zāi)隱患。

（6）其他電能質(zhì)量問題

其他電能質(zhì)量問題主要是指電壓偏差、頻率偏差、電壓波動(dòng)和閃變及三相不平衡。其中電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備過電壓，加速設(shè)備老化，造成異常溫升。三相電壓不平衡和頻率偏差會(huì)使零線電流異常增加并產(chǎn)生諧波，形成火災(zāi)隱患。

1.2 配電柜電氣火災(zāi)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

針對(duì)上述配電柜和配電系統(tǒng)的電氣火災(zāi)誘因，需要對(duì)配電柜內(nèi)相關(guān)部位或線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括常規(guī)電氣火災(zāi)監(jiān)測(cè)和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括配電柜內(nèi)煙霧監(jiān)測(cè)、火光監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以通過配置感煙、感光、感溫和感濕傳感探頭實(shí)現(xiàn)。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括配電柜工作和外供回路電壓、電流、功率監(jiān)測(cè)和電壓偏差、頻率偏差、電壓驟升驟降及諧波監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。這些項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)可以采用ATT7022E、ADE7880、ADE9000等專用電量檢測(cè)或電能質(zhì)量監(jiān)控芯片實(shí)現(xiàn)。這些芯片具有檢測(cè)參量多，外圍電路簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

2 配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警模型

2.1 模型總體結(jié)構(gòu)

配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警屬于多輸入單輸出的結(jié)構(gòu)形式。輸入變量主要包括煙霧、溫度、濕度、光強(qiáng)、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡度、單位時(shí)間內(nèi)電壓驟升與驟降次數(shù)、三次諧波含量、總諧波畸變率等。輸出變量為電氣火災(zāi)發(fā)生的可能性，是0～1概率數(shù)據(jù)。圖1為模型的示意框圖。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從理論逐步走向應(yīng)用領(lǐng)域，出現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片和神經(jīng)計(jì)算機(jī)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4]。本文采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警模型。輸入層有9個(gè)變量，設(shè)置輸入層為9個(gè)神經(jīng)元，輸出層僅有1個(gè)變量，設(shè)置輸出層為1個(gè)神經(jīng)元。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)的設(shè)置并沒有一成不變的規(guī)則，一般采用試算法或經(jīng)驗(yàn)法來確定。本文采用參考文獻(xiàn)[5]中所描述的“三分法[5]”確定隱含層的數(shù)目為9個(gè)神經(jīng)元。圖2為配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

輸入層到隱含層的權(quán)重為Wij，？茲j為隱含層的閾值，隱含層到輸出層的權(quán)重為Wjm，？茲m為隱含層的閾值。

則有：

對(duì)圖2所示模型采用有監(jiān)督訓(xùn)練方式，首先給Wij，？茲j，Wjm，？茲m賦隨機(jī)值，通常該值不宜過大。給定樣本數(shù)據(jù)，編程通過公式（1）和（2）進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，比較輸出結(jié)果與期望值的誤差，直到誤差達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。

2.3 MATLAB仿真確定權(quán)重

取50組經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為圖2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出誤差控制值取0.001，取學(xué)習(xí)速率0.05，動(dòng)量因子0.80，當(dāng)數(shù)據(jù)收斂到誤差范圍內(nèi)時(shí)，得到如下權(quán)重值：

3 實(shí)例試驗(yàn)

經(jīng)過MATLAB訓(xùn)練取得各層權(quán)值和閾值后，采用筆者研制的變壓器風(fēng)冷控制柜進(jìn)行了5組驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中通過電網(wǎng)模擬器分別改變電網(wǎng)電壓、頻率和加入50%三次諧波用于驗(yàn)證模型對(duì)電能質(zhì)量的響應(yīng)情況。第4組通過調(diào)節(jié)柜內(nèi)加熱器使柜內(nèi)溫度升高至65℃，驗(yàn)證模型對(duì)溫度的響應(yīng)情況。第5組通過給柜內(nèi)注入煙霧，驗(yàn)證模型對(duì)煙霧的響應(yīng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，表中輸入變量和輸出結(jié)果為歸一化后的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明模型對(duì)單項(xiàng)變量的響應(yīng)基本符合實(shí)際，受試驗(yàn)條件限制，未進(jìn)行多變量融合試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文所建立的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配電柜電氣火災(zāi)預(yù)警模型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。筆者采用ADI公司ADE0000電能質(zhì)量監(jiān)控芯片和基于ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F407ZET6單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了包括FFT諧波分析運(yùn)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理的功能。但對(duì)于多變量同時(shí)變化的響應(yīng)情況尚需對(duì)模型和算法做進(jìn)一步的修改和驗(yàn)證。

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