目前，室内电气安全保护装置大多为低压断路器，也就是人们常使用的空气开关。当线路电流过载时，它们会自动断开。该装置功能相对简单，对许多不易发现的隐患无能为力。本文从全新的角度出发，介绍基于传感器技术、计算机网络技术、嵌入式技术等物联网技术的用电安全智能监控与诊断，针对潜在的危险问题，在常规电路保护装置进行突破，也是物联网技术和大数据处理方法在住宅用电安全监测与诊断领域的新探索。
关键词：用电安全；云计算；电路分析；智能监控诊断系统
1.引言
在家用电器安全方面，家用断路器、空气开关电路保护装置的使用非常普遍，这些装置可能发生短路，切断电源线路的电流过载，从而避免触电和消防，保障居民的人身和财产安全。在环境安全领域，随着传感器技术的发展，各种环境检测设备开始出现在普通家庭中。然而，目前的电气安全保护装置和环境检测设备都是需要单独安装，造成使用成本高。而对于目前的电力保护装置，只能粗略地解决实时安全问题，如线路电流过载时，总功率将立即被切断，无法进行更深入的电气安全分析，功能比较简单。因此随着测量技术、传感器技术、通讯技术等物联网相关技术的发展，室内安全监测产品向智能化、网络化趋势发展，基于迫切需要开发基于云电表环境的室内电路安全监控产品，它对于保障人们的生命安全和财产安全具有重要意义。
2故障电弧断路器
2.1故障电弧分类及特点
相间短路、电流过载和接地故障是户内电力消费中最常见的故障，容易引起电气火灾。目前大多数的电力保护产品都是针对这些故障的。然而，故障电弧是另一种常见的电气故障，大多数监测产品仍然无能为力。故障电弧的持续时间很短，一个很小的电流会释放大量的热量，这很容易引起电气火灾。此外，瞬间的热量和燃烧会很容易烧伤人体皮肤，甚至导致严重烧伤。
在户内居民的用电中，故障电弧可分为三类：串联故障电弧、线间电弧和线路接地电弧。输电线路发生一系列故障电弧。原因可能是线老化、断裂或接触松动，如图2.1（左）所示。线之间的电弧发生在两条导线之间，由于导线缠断而短路，如图2.1所示。线路接地电弧发生在线路和接地之间，由于线路接地故障，如图2.1（右）所示。
图2.1故障电弧产生方式
图2.2是几种故障电弧电流的波形，可以从故障电弧电流的几个主要特征图中看出：在电流波形的高频噪声；无电弧电流零前半个周期后的一段时间；电弧故障时，电流变化明显增加的电流分布率。
(b)计算机故障电弧电流波形
图2.2几种故障电弧的电流波形图
2.2故障电弧检测方法
目前国内外的方法来检测电弧故障主要有3种：第一种是比较直观，物理现象是由电弧故障检测产生的现象，如温度、电火花、声音；二是对故障电弧的数学模型，利用故障电弧的典型参数被确定的；第三个判断的故障电弧的电流波形的变化特征分析方法，这种方法比前两种方法识别更准确。例如采用自回归自回归模型分析了故障电弧的电流波形变化特征。在已知x数据的情况下，可以利用AR模型对x点后的某些数据进行预测。其目的类似于插值法，全部为了增加有效数据的个数。插值方法是用多个数据递归插入多个数据。AR模型利用x数据预测后期数据。
针对AR模型的参数主要有Burg的递归方法，修正协方差法和自相关法三种方法，不同的Burg算法和两种方法，它不是直接的AR模型的参数估计，但第一反射是公里，得出AR模型参数的莱文森表达。AR模型的阶数在很大程度上影响了信号分析的结果。高阶会导致频谱的伪峰值，而低阶则会降低频谱的分辨率，导致频谱过于平滑。一般来说，使用三阶Burg算法解决AR模型参数会有更好的效果。
3基于云电表环境的用电安全智能监控
3.1用电安全检测技术
国内目前一般使用低压断路器来保护室内用电安全，它的核心构件是一种脱扣装置，通常是利用某种物理效应，通过触发电磁装置的动作驱动机械机构来切断供电线路。例如，当线路过载或短路时，线路电流瞬间增大，发热量猛增，双金属片或者其它热敏组件发生变形，达到一定程度时会推动控制机构动作。这种断路器的最大缺点是控制机构的动作时间受电流影响，电流越大，其动作时间越短。但是，在发生故障电弧时，由于线路电流有时较小，不能达到断路器的切断条件，因此，这种保护方案有一定弊端。
与国内相比，欧美国家在智能电保护领域的研究起步较早，相关产品在市场上也比较先进。目前，除低压断路器外，居民还使用了一种智能电弧断路器，它是一种检测故障电弧的保护装置。智能型消弧装置结合了传感器技术、计算机技术和微电子技术等先进技术。控制器采用单片机作为控制核心。传统的电磁脱扣元件是精密的传感器元件。实现了故障电弧的判断和电路断开功能，取代了电子电路。此外，还通过保护装置，以防止电气火灾的残余电流。它是根据输入电器与电流从电器中流出的电流相等的原理，通过监测流入地或电路外的漏电流来进行判断。
3.2用电安全监测的发展现状
随着测量技术、传感器技术、通讯技术等物联网相关技术的发展，室内安全监测产品的发展呈下面两个趋势：
（1）智能化。得益于微处理器技术的发展，会有越来越多的用电安全保护设备以微型芯片作为控制“大脑”，具有复杂的分析、处理能力。
（2）网络化。在传统互联网的基础上，随着物联网的诞生和发展，室内监控设备将组成复杂的监控网络，用户可以远程对家中用电状况和环境信息进行实时监控。
目前市场上已经出现了一种电动智能保护装置、智能微型断路器在南京最近开发的一个公司，在小型断路器使用传统的通信控制功能，电压和电流的电力参数，可实现远程监控，取代传统的断路器的信息网络化和智能化升级。室内电力监控产品如果你除了对继电保护的基本特征有这些东西，也可以实现很多附加功能，如远程抄表、智能监控设备定期自动抄表，并上传到云端，向银行汇总后直接清云，用户进行付款操作。
总之，在室内安全监控系统的各个模块建设中，都应该借鉴设计框架和技术路线。而大数据是基于网络安全的室内安防产品开发思路，各种数据处理方法采用大数据处理方法，可以做到传统监控设备能实现更复杂的功能，并有效地从时间和空间上提高室内安全监控水平。
4电力故障诊断方法
4.1基于专家系统的诊断方法
专家系统是人工智能的一种方法。该系统中拥有大量的特定领域的专业知识和特定领域的相关知识的建议，它就是通过这些知识和经验来进行相关领域的研究与判断，这个系统主要是模拟专家的想法，解决问题的思路，决策问题的过程。系统主要解决的问题是非常复杂并需要相关的专业知识。
针对电力系统故障诊断中专家系统的应用，在许多年前，一位日本科学家第一次提出了在电力系统中的应用，并取得了良好的效果专家系统的应用效果，解决电力系统大量案例的故障。虽然专家系统已应用于电力系统故障诊断，解决了许多电力系统故障问题，但仍存在一些缺陷。
（1）专家系统的知识库具有非常庞大的信息数据储备，从中检索所需的推理数据，并在知识库中匹配相应的信息规则，以解决相应的故障问题。但由于知识库中的信息量很大，复杂搜索的速度会非常慢。在实际应用中，系统中就包括几百条规则。
（2）对ES等技术成功的关键，不同的是，该系统的主要技术和知识通过数据库，在具体的特定领域的专业知识和专家加入，从而形成只有一个更庞大的储备，这些技术是阻碍ES系统故障诊断的关键。当然，在知识库建立后，知识库的完善变得更为困难。如果维护不好，知识库中的信息会被混淆。
（3）当电源系统配置数据、结构参数和系统参数的变化，相应的修改系统的知识库，相应的电力系统后的变化，然而知识库规则修改原有的知识基础，它需要重新对规则进行制定，需要花费大量的时间，所以，一旦电力系统的变化，专家系统变得很难维持。
4.2基于Petri网络的电力系统故障诊断
Petri网是由外国科学家C. A. Petri在他的博士论文中提出的，他将利用网络通信系统，并开发了一个数学模型拟合，可以得到广泛的应用。它基于有向图模型为基础，结合数学建模起初设定抽象的模型，抽象的系统是一种特殊的数学对象的矩形算法来表达，这时Petri网已开始形成。现在人们所说的petri网不再仅仅是原来的模型，而是基于这个模型发展起来的模型。petri网故障诊断可以是静态的或动态的，而不是单个状态的分析。这种技术的主要目标是内部结构和系统的配置结构变化的动态分析的同时，对电力系统的故障后，随着循环的顺序生成所有行为符合故障或故障进行不同的分析，当故障发生时，通过重视这一变化时发生的条件以及对整个系统的影响进行诊断。因此，petri网是研究电力系统动态信息模型的有力工具，有助于电力系统故障诊断。
Petri网具有独特的故障诊断，Petri网模型的优点是不太复杂，物理信息的表达也很明确；结构、系统配置、故障定位的Petri网描述可以以图形方式表示；与其他系统不同，该系统不需要知识储备，不需要太复杂的数据信息的收集，因此在系统维护更加容易；在非静态系统故障是用来表示矩形的分析算法，该算法简单、易于实现，不需要大量的信息，不需要复杂的模式匹配；系统具有更好的适应性，容错当故障发生时，无需对整个系统进行重大改动，只需对技术作一点改动，故障查找速度就快，适合于实时故障诊断。
4.3基于遗传算法的电力系统故障诊断
遗传算法（也可以写成GA）的灵感来自生物研究模型。基于达尔文的适者生存理论，孟德尔遗传的方法，在自然的模拟和各种物种繁殖的选择过程，探讨所有问题的解决方案中的最优解。遗传编码的解决方案的要求，但编码并不是随意的，必须满足一定的要求，根据一定的规则，这个规则是按照人类进化的规则，找到可行的解决方案，但我们的目标是找到最佳的解决方案，因为我们是根据遗传学的方法解决，信息的每个个体相互交流，这是更容易找到我们需要的结果。因此通过找出所有可行的方法，不断优化，自然选择解决方案，最终获得全局最优解集或是最优解集的一部分。与其他方法不同，遗传算法同样不需要建立复杂的模型或建立知识仓库。只有用遗传方法才能得到最佳解。这是GA迅速发展的最明显的亮点。GA之所以能够判断电力系统优化中的故障，是因为它能在不完全数据基础上得出结论，确定最终结果，不需要全部数据来解决问题。然而，任何技术都有缺陷，GA也不例外。复杂系统模型的诊断结果虽然不准确，但基于一些信息可以得到最佳解。因此，如何根据系统故障的特点找出最佳的解决方案，保证系统的容错能力是遗传算法的关键。
5结论
近年来，随着居民物质生活水平的提高，居住小区出现了越来越多的安全隐患，会威胁到正常的人类生活。目前，市场上的相关监控产品可以满足一定的安全监控需求，但也存在一定的局限性和不足。通过云电表环境的室内安全监测设计方式，采用远程用电和环境数据的采集、特征提取以及即时性用电安全控制等功能，云端负责将终端上传的数据进行大数据分析，为用户提供更复杂、可定制的用电安全服务。
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