淺談智能物聯技術在雷電預警監測系統中的應用

周宗國 胡彬 楊時寬

摘 要： 雷擊是自然界的一種放電現象，巨大的雷擊電流足以瞬間擊穿絕緣體，使設備發生短路，甚至導致燃燒、爆炸等直接災害，從而嚴重影響了電力系統的穩定性和可靠性。同時，由于傳統的雷電計數儀存在巡線難，實時難，統計難等問題，在此本文介紹了新一代的智能雷電計數儀。從智能雷電預警監測系統的發展角度，系統介紹了智能物聯技術在新一代的智能雷電計數儀上的應用。

關鍵詞： 智能；物聯；LORA；無源

1 引言

1.1研究雷電計數儀的目的

在電力系統中，雷電放電產生的雷電過電壓或大氣過電壓，會造成輸電線路和發電廠、變電站配電裝置等的絕緣發生故障，從而引發停電事故[1]，對人們的生產生活帶來諸多不便和巨大財產損失。據有關資料顯示，全世界每年由于雷電災害造成的經濟損失高達數百億美元。因此，在現代電網建設中[2]，配備了大量的防雷設備和實施，比如接閃器、波阻器、波阻隔離器、復合絕緣橫擔等防雷產品，有效提高了電網運行的穩定性和可靠性。

為了掌握這些防雷設備設施在電網中運行的有效性，就需對電網運行狀態和雷擊數量、時間等信息進行實時采集和分析。因此就有了記錄雷擊數量、時間、落點等信息的設備——雷電計數儀。

1.2 智能雷電計儀在電網防雷領域中的優勢

伴隨著中國電力發展步伐不斷加快，中國電網也得到迅速發展，電網系統運行電壓等級不斷提高，網絡規模也不斷擴大。但同時，隨著線路的增長和桿塔數量的增多，每次巡線都需要人工逐項檢查每級桿塔的雷電計數器的數據，效率低下，繁雜異常。

傳統的雷電計數儀是直接安裝在避雷器的下引線上，用指針計數雷擊，無法記錄雷擊時間，最大的計數也只有9次。需要讀取雷擊數據時，須用望遠鏡或者上桿塔去讀取數據，極大的浪費了人工。

而新型的智能雷電計數儀擺脫了傳統的雷電計數儀的設計，基于433M無線通信方式并且采用了智能雷電計數儀（塔上機）的雷電感應端與的主機之間采用分體式設計，并且不需要上塔讀取數據，只要在主機的通信范圍內，用手持機與塔上機進行通信，即可收集相應的雷擊信息，解決了工人巡線難的問題。

1.3 現代智能雷電預警監測系統

現代智能雷電預警監測系統基于現代物聯網技術[3]，如圖1所示。利用智能雷電計數儀（塔上機）監測和記錄被監測桿塔被雷擊參數（雷擊地點、雷擊時間、雷擊數量等），智能雷電計數儀（手持機）作為交換信息載體，通過上位控制計算機上將雷擊信息上傳到云服務器，便于管理者在手機APP上進行監管和查詢，提高決策的時效性和科學性。

2 技術方案

2.1智能雷電計數儀（塔上機）的原理框圖（如圖2所示）

2.1.1 智能雷電計數儀工作原理

雷電的放電都是瞬時放電，放電時間時間短、電流大，直接耦合會帶來很大的破壞。雷電波形如圖2.1所示。

智能雷電計數儀（塔上機）的雷電感應端通過非物理接觸——電磁感應的方式形成感應電流，再經過電路整形、編碼，然后通過通訊模塊傳送出去。

智能雷電計數儀（塔上機）的主機接收到感應端的通訊信號后，經解碼電路，解析出相應的雷擊信息，并由MCU進行解模糊和恒虛警處理后保存到存儲器中。當主機收到來自手持機的查詢及控制請求時，及時將存儲器中的雷擊信息發送到手持機上并響應手持機的控制操作。

2.1.2智能雷電計數儀（塔上機）的技術要點

（1）低功耗、脈沖收發技術

智能雷電計數器（塔上機）選用優質的、高可靠性的低功耗芯片，并在接收、發射電路設計上采用脈沖寬頻收發技術，用使能信號控制收發系統工作如圖2.2所示。這樣的設計讓設備電池使用壽命可以達到5年以上。

（2）遠距離雙無線通訊

智能雷電計數儀（塔上機）與感應端、手持機之間采用無線FSK通訊技術，抗干擾能力強，省去了各單元間的連接線纜，提高了設備的可靠性和可維修性。

采用FSK（Frequency-shift keying）通訊技術（如圖2.3所示）：頻移鍵控——用數字信號去調制載波的頻率。是信息傳輸中使用得較早的一種調制方式，它的主要優點是： 實現起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能較好。廣泛應用于中低速數據傳輸中。

感應端和主機的最大通訊距離為≥300m

塔上機與手持機的最大通訊距離為≥1.5Km

（3）具有較強的組網功能

智能雷電計數儀（塔上機）相互之間采用LoRaWAN？通訊技術。LoRaWAN？定義了網絡的通訊協議和系統架構，而LoRa？物理層能夠使長距離通訊鏈路成為可能（如圖2.4所示）。協議和網絡架構對節點的電池壽命、網絡容量、服務質量、安全性、網絡的各種應用服務質量等影響最大。LoRa？是基于線性調頻擴頻調制，它保持了像FSK調制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。LoRa？的優勢在于技術方面的長距離能力，這樣各智能雷電計數儀（塔上機）之間就具有了組網功能，實現信息共享，在不依靠公網的情況下可以將信息傳遞到盡可能遠的地方，在一定程度上組成了一個自己的雷電預警監測網絡，手持機只需與網絡中的任一塔上機連接，就可查詢和控制網絡中的任一塔上機。

（4）感應端無源設計

感應端采用人工線（如圖2.5所示）儲能技術，將感應到雷電能量儲存下來，以供編碼通訊等后續電路使用，使感應端的設計真正實現無源化，零消耗化。

2.2 智能雷電計數儀（手持機）

智能雷電計數儀（手持機）作為雷電信息傳遞的載體，將塔上機記錄的雷電信息轉移到上位計算機上，并對塔上機進行遠距離的控制和維護。智能雷電計數儀（手持機）的操作界面采用C語言開發設計，人性化程度高，具有較好的可交互性。

智能雷電計數儀具有鏈路通信和單機通信兩種通信模式。

2.2.1鏈路通信（群呼模式）

鏈路通信：表示同一條線路的塔上機可以相互通信，比如11號線有10臺塔上機，編號依次從1到10，那么在巡檢1號機的時候，就可以使用鏈路通信功能查詢1到10號機的所有信息。鏈路通信的前提是1到10號塔上機相鄰兩臺塔上機的距離必須在規定距離內，方可通信成功。

2.2.2單機通信（點名模式）

單機通信：表示使用手持機對塔上機進行點對點的通信。

3 實際測試

3.1 模擬雷擊測試

智能雷電計數儀在GIC沖擊電流控制設備實際測試情況：

模擬的電流波形如圖3-1所示。

根據大自然雷擊的不同，測試了不同電流下，塔上機對雷擊的計數。實驗結果如表3-1。

實驗結果表明，智能雷電計數儀（塔上機），經過了模擬雷擊測試，塔上機能夠準確地記錄雷擊的信息，并且具有較好的穩定性和抗干擾能力。

3.2塔上機通信測試

在塔上機設計完成以后，還需要進行相關的通信測試，測試其功能是否正常。

鏈路通信需要連續ID的塔上機，測試方式為把幾臺連續ID 的塔上機放在一定距離的位置，手持機在第一臺的塔上機旁，直接通過手持機的鏈路通信喚醒，在規定的時間內收到所有塔上機的雷擊狀況。單機通信測試的是手持機與一個塔上機的通信，輸入與之通信的塔上機ID號，就可以與之通信，獲取塔上機詳細的雷擊信息。鏈路通信測試如圖3-2，單機通信結果如圖3-3。結論為均測試成功。

4 總結與展望

智能雷電計數儀是新一代的雷電計數儀，相比于傳統的雷電計數儀，具有更準確、更詳細、更快速的數據統計分析能力。同時減少了人工成本，降低了操作風險，解決了工人巡線難的問題。

隨著智能物聯網技術的發展，智能雷電預警監測系統功能將得到不斷的豐富和發展，包括組網、測溫、定位等功能。智能雷電設備在電力系統的應用，能實時獲取桿塔線路的各項信息，從而讓電網變得更加智能化，信息化，對電力系統的穩定安全發揮著更重要的作用。

參考文獻

[1] 胡浩. 基于FPGA的閃電信號處理研究[D]. 華中科技大學， 2011.

[2] 王瑩. 雷電放電電流模型的研究[D]. 云南師范大學， 2013.

[3] 石志國，王志良，丁大偉.物聯網技術與應用.北京：清華大學出版社， 2012年8月.

作者簡介：周宗國，安順供電局，561000，工程師。