一种面向智慧城市的电气故障监测系统的制作方法

本发明涉及边缘计算领域，具体为一种面向智慧城市的电气故障监测系统。

背景技术：

1、随着智慧城市的迅速发展，社会运行的效率大幅提高，然而电气安全依然是一个重要挑战，它不仅关乎公共设施的正常运作，还直接影响居民的生活品质和城市的可持续发展。随着技术的进步，电气安全领域积极融合物联网、大数据和人工智能等现代技术，确保供电系统在各种环境条件下的正常运作，减少因电气故障引发的事故和灾害。

2、线路接口在潮湿环境中易发生电化学腐蚀，这一过程主要体现在电阻的变化和温度的升高。当电化学腐蚀发生时，电阻r逐渐增大，导致电流通过接口时产生的热量𝑄随之增加。随着时间推移，腐蚀加剧，电流引起的热量不仅超过了接口的散热能力，进而使接口温度持续升高，增加了火灾发生的风险。接口温度的持续升高不仅影响电气设备的性能，也会加速材料的老化与破坏，形成恶性循环。例如：线路电化学腐蚀还会导致接触不良，引发局部过热和电弧放电现象，导致线路的额外损耗和不稳定，进一步损害设备的正常运行。因此，及时监测和评估线路接口的电化学腐蚀状况，显得尤为重要。

3、目前，市场上已有一些面向智慧城市的电气故障监测技术。例如，中国专利cn202410391517.1公开了一种智慧城市火灾探测方法、装置及可读存储介质，通过预先训练的火灾检测模型对微小火焰及烟雾进行识别处理，达到火灾早期预警的技术效果，提升消防安全监管的实时检测及应急需求。然而基于图像判别的方法具有明显的弊端，具体为：1.准确度低：摄像头的精度有限，很难采集线路在潮湿空气中的退化过程，不能准确的衡量线缆直径的变化趋势；2.该方案不适用于狭小空间：为了获取高清晰度图像，图像采集过程需要搭配光源模块、供电模块和图像传输模块，然而线路发生火灾的位置一般位于电源控制箱，其空间不能有效地容纳拍照系统；3.时效性差：该方案只能对火灾发生后进行补救，通过物联网等技术及时将火灾信息告知管理人员，核心的目的并不是避免损失，而是如何减小损失，整体的实用性有限。

4、为了降低电气故障和火灾风险，我们研发了一种面向智慧城市的电气故障监测系统，结合先进的传感技术与智能算法，实时监测接口的腐蚀状态和温度变化。通过分析电阻与温度的动态变化，该系统能够及时预警潜在的危险，大幅提升线路的安全性，显著减少因电化学腐蚀引发的火灾风险。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种面向智慧城市的电气故障监测系统，利用电流传感器捕捉线路的负载特性，建立数学模型实时预测线路的温度变化，对线路退化引起的火灾进行预测，后续通过数字孪生技术进行可视化，其特征在于，包含：电气采集盒、边缘网关、物联网平台和本地大模型：

2、所述电气采集盒包含传感采集模块、电源管理模块、微控制器、通讯模块、信号调理电路和adc模块；所述传感采集模块包含环境采集模块和电流采集模块；所述环境采集模块包含温度和湿度传感器；所述电气采集盒能够支持锂电池和type-c两种供电模式，电源管理模块具备升压电路，能够将锂电池3.7v电源转换为5v；所述微控制器采用stm32l低功耗芯片；所述通讯模块采用485接口，将传感采集模块获取的数据上传到边缘网关；所述信号调理电路包含二阶滤波电路，有效消除高频噪声；所述adc采用24位芯片；

3、所述边缘网关包含微型计算机和通讯模组；所述微型计算机具备485接口，能够接收电气采集盒上传的数据，获取环境温度、湿度和电流幅值；建立数学模型来量化线路的退化过程和温度变化趋势，预测线路的寿命周期；所述线路的退化过程表述线缆接口在潮湿空气中发生电化学腐蚀，其直径变细、电阻和发热量增大；随着时间的推移，电化学腐蚀进程不断演化，导致线缆接口产生的发热量大于散热功率，使得整体结构的温度升高，最终引发火灾，具体过程为：

4、

5、其中为线缆接口的实时温度；为比热容；为散热功率，为线缆接口的发热量，具体为：

6、

7、其中为工作电流；为工作时间；为线缆接口的电阻，具体为：

8、

9、其中为线缆材料的电阻率，为线缆接口的长度，为线缆接口的截面积，具体为：

10、

11、为线缆接口直径，为线缆材料的密度，表述线缆发生电化学腐蚀后的质量，具体为：

12、

13、为初始质量，为电化学腐蚀引起质量损失的变化量，具体为：

14、

15、其中为电化学腐蚀的模型系数，表征线缆接口质量损失速率的物理量，表示温度，表示环境湿度，为线缆接口直径；为工作时间；散热功率可以表述为：

16、

17、其中是散热系数；为线缆接口的截面积；是环境温度；

18、所述物联网平台通过 mqtt 协议与边缘网关进行双向交互；物联网平台能够对接收的数据进行分析、聚合和永久化存储；所述物联网平台集成有数据可视化模块，能够通过三维的方式展示线缆接口的电化学腐蚀过程，通过数据大屏与用户进行动态交互；所述数据大屏包含线路的负载电流、环境的温度、湿度、线缆接口截面积、电阻值和预测的实时温度；本地物联网平台可以下发指令，主动查询线缆接口的状态数据；

19、所述本地大模型可以与物联网平台进行双向数据交互；物联网平台将电气采集盒获取的环境温度、湿度、时间戳和线缆物理尺寸参数、历史负载数据传递给本地大模型，获取电化学腐蚀的模型系数，最终通过物联网平台ota模块下发到边缘网关，实现线路退化过程的智能监测；所述本地大模型采用开源大模型，通过参数微调-量化-部署得到面向智慧城市电气故障监测的本地大模型；所述的参数微调基于线缆电化学腐蚀数据集。

20、进一步，所述线缆电化学腐蚀数据集的制作步骤为：

21、s1：通过标准实验获取不同温度和湿度时，线缆的性能退化过程，获取对应的模型系数；

22、s2：建立数值仿真模型，通过s1获取的实验结果拟合有限元模型的材料参数；

23、s3：编写脚本信息，通过批任务的方式获取不同温度、湿度下线缆的性能退化过程；

24、s4：针对线缆性能退化过程制作一个标准数据库，包含环境温度、环境湿度和电化学腐蚀速率，通过人工标注的方式，建立数据标签，具体的格式为：[ { "timestamp":1694505600, "temperature": 35, "humidity": 65, "load_current": 5.5, "interface_diameter": 2.5, "resistance": 0.125, "interface_temperature": 45 }，......， { "timestamp": 1694516400, "temperature": 38, "humidity": 60, "load_current":4.5, "interface_diameter": 2.5, "resistance": 0.126, "interface_temperature":48 }]。

25、本发明的优点在于：

26、1. 适应性强：本发明利用电流传感器捕捉线路的负载特性，建立数学模型实时预测线路的温度变化，整体方案不需要进行现有的电气线路进行改造，具有极强的适用性和优异的性价比；

27、2. 火灾隐患低：本方案能够对火灾风险进行提前预测，通过线缆接口的实时电阻和线路的负载情况预测温度变化趋势，有效的降低了火灾风险；

28、3. 成本低：本方案相较于摄像头监测线路的退化过程，具有精度高、系统简洁和性价比高等优点，能够适用于狭小空间和微弱光源下的火灾监测；

29、4. 便捷性：本发明提供了一种线缆电阻在线测量技术，能够在通电情况下获取线缆接口电阻的变化趋势，避免了停电对居民生活质量的影响。