主動式雷電預警系統(tǒng)的設計與實現

劉世宇，馬磊，石濤

（1.寧夏中科天際防雷研究院有限公司，寧夏銀川750002；2.寧夏中科天際防雷股份有限公司，寧夏銀川750002）

在雷電防護措施中通常會采用主動式雷電預警系統(tǒng)，目前氣象系統(tǒng)是以多普勒雷達和衛(wèi)星提供長時間、大范圍的雷電預報，暫無成熟技術手段實現對短時小區(qū)域雷暴在何時何地發(fā)生進行準確預報，造成局部的雷電預警、預報、主動引雷處于空白階段，對文物古建筑、新能源等行業(yè)有很大的危害。

基于此，設計了可實現雷電監(jiān)測預警、遠程控制及統(tǒng)計等多元管理任務的主動式雷電預警系統(tǒng)，解決了雷電災害準確預測技術難題的現實需要，突破了無法對雷電可知、可測、可控的技術瓶頸。

該系統(tǒng)采用大氣電場偵測儀運用測量環(huán)境靜電場的原理來對雷云進行偵測分析。在任何時候，系統(tǒng)都可以根據對環(huán)境靜電場的變化來偵測15 km以內靠近的雷雨云，隨后將偵測到的雷雨云的具體結果與設定的閾值進行比較，當超過閾值即可進行報警等操作，從而探測到雷暴發(fā)生的可能性，并且迅速發(fā)出雷暴預警信息，同時也提高防雷系統(tǒng)的管控能力，保障防雷系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低運維成本。

1 雷電預警系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)的基本組成

雷電預警系統(tǒng)主要有雷電預警儀、通信控制終端、供電組件、服務端軟件、聲光報警裝置、自動升降避雷針、手機APP、微信報警等組成，系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 雷電預警系統(tǒng)圖Fig.1 Lightning warning system

雷電預警系統(tǒng)利用先進的微處理器數據系統(tǒng)，將探測電極帶電量轉換為數字形式，從而實現了信息的實時監(jiān)測與顯示，記錄地面上的靜電場值與變化率，進而實現對半徑15～20 km區(qū)域可能產生的雷電進行預測和啟動三級雷電預警報警。系統(tǒng)數據可通過4G網絡進入數據中心服務器，在網絡信息技術的支持下，技術人員可以對不同地區(qū)的雷電發(fā)生情況進行實時探測，當探測到雷電臨近狀態(tài)時，系統(tǒng)就會以聲光、短信等形式提出預警。

1.2 雷電預警儀的設計

靜電場產生的基礎是單個的電荷，人們所觀察到的雷電正是由這一個一個的電荷累積所形成，因此，能夠準確觀察到雷雨云中的靜電場變化就能掌握對雷雨云內部電荷的變化情況。

電流通過接地的金屬導體時會產生電場的變化，因此，如果想要了解電場的變化規(guī)律，只需要測量此電流的變化情況。但是，實際情況下的電場變化幅度非常微小、變化速率也比較緩慢，由動態(tài)感應原理可知，測量電流通過形成的電場的前提是需要有能夠產生靜電變化的足夠電荷量，因此，通常的測量方法是利用導體屏蔽以及去屏蔽裝置。

圖2為本文設計的雷電預警儀內部傳感結構的示意圖，該結構為場磨式結構。當轉子和定子的葉片處于相同位置時，轉子屏蔽效應會使得電力線無法到達定子葉片上，此時無法產生任何感應電荷，只有當轉子轉動露出定子葉片時，電荷才會逐漸產生。所以，定子上可以觀察到隨周期性改變的感應電荷，利用電流的變化即可測量到電場的變化規(guī)律：

圖2 傳感結構示意圖Fig.2 The schematic of sensing structure

式中：I為測量的瞬時電流；Q為通過導體橫載面的電量；t為時間；ε為真空環(huán)境中的介電常數；K為導體引入后產生的電場畸變系數[1]；E為靜電場電場強度；S為金屬導體的表面積。

需要指出的是，我們用電機產生的類似信號代替原同步信號發(fā)生器，利用電機的軸接地取代了原接地電刷，采用金屬支撐柱硬連接方式直接將電路板與外殼連接，起到了支撐和接地的作用，減少了連接線，使得雷電預警儀的穩(wěn)定性得到了大大的提升，改進后的場磨式結構和預警儀實物如圖3所示。

圖3中，左1為場磨式結構（電機及定轉子設計）細節(jié)圖，左2為改進后的場磨式結構設計圖，右1為實物圖。

該雷電預警儀具備雷電預警信號實時輸出功能，預置內部算法，預警準確率高，其主要性能參數設置如下：探測半徑15～20 km，測量范圍±300 kV/m，電場分辨率≤5 V/m，采樣速率≥200 Sample/s，屏蔽模式為非碳刷模式，系統(tǒng)功耗≤5 W。

雷電預警儀可以在單機或聯(lián)網狀態(tài)下使用，單機可以為單一場所提供雷電預警；多臺聯(lián)網使用可以組成雷電偵測網絡，使用者可以實時地對不同范圍進行探測與觀察，通過計算機軟件把按一定規(guī)律分布在各處的探頭收集到的數據進行匯總、計算及分析，掌握整個區(qū)域某一時段的帶電云層的變化資料，以此做出較為準確地推測和預報[2]。

1.3 通信控制終端設計

本文設計的通信控制終端架構圖如圖4所示。電源支持12～48 V輸入；串口RS485×3；支持無線通訊，支持4G全網通；支持三路繼電器輸出，根據雷電預警級別控制三色警示燈或電源切換裝置；系統(tǒng)有短信功能，能單獨發(fā)送預警短信，也能作為短信服務器發(fā)送預警內容，還支持接收短信指令遠程修改設置參數。

圖4 通信控制終端架構圖Fig.4 Communication control terminal architecture

通信控制終端實現主要功能：

1）數據讀取。采集大氣電場儀數據，包括實時數據、平均數據、變化率、電源電壓、電機轉速及預警等級。讀取大氣電場儀設備參數，包括通信地址、全部報警級別閾值、數據發(fā)送時間間隔、總系數、分段系數及百分比倍率等。

2）參數設置。設置大氣電場儀通信地址、全部報警級別閾值、數據發(fā)送時間間隔、總系數、分段系數、百分比倍率及大氣電場極性等。

3）工作模式設置。聲光報警、電源切換模式；自動控制升降避雷針模式；遠程控制升降避雷針模式。

4）本地調試功能。有一路獨立RS485，使用通用的RS485線連接至該接口，即可燒寫程序，模塊正常工作過程中通過該接口可輸出模塊運行信息，方便調試。該接口還支持遠程通信協(xié)議。

本地調試進行系統(tǒng)升級，流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)升級流程圖Fig.5 System upgrade process

1.4 終端設備電源防雷設計

將220 V交流電源經開關電源轉換成直流電壓24 V，12 V，3.3 V，并經過直流電源防雷器后供給大氣電場儀和通信控制終端等系統(tǒng)終端。

圖6為本文設計的雷電預警系統(tǒng)中的終端設備電源防雷電路。

圖6 終端設備電源防雷電路Fig.6 Lightning protection circuit of terminal power supply

表1為電源輸入部分以及輸出部分的元器件名稱及其功能[3]。

表1 電源輸入/輸出部分的元件名稱及功能Tab.1 Component name and function of power input/output part

2 終端設備的防雷能力試驗

所謂終端設備的防雷能力測試試驗，通常為8/20沖擊電流試驗，進行該試驗的目的是檢查本文雷電預警系統(tǒng)的終端設備能否在大電流的工作狀態(tài)下依舊維持良好的電性能。在進行沖擊電流試驗過程中，通常選擇單極性的電流試驗波形，當然，有的時候也可以選擇比較常見的振蕩波形，利用上述試驗波形可以實現對雷電放電過程中產生的雷電沖擊電流的模擬，同時也可以在一定程度上模擬電力系統(tǒng)開關開/閉過程中的沖擊電流。利用上述沖擊電流試驗可以檢測出本文設計的預警系統(tǒng)設備的防雷擊能力是否能夠滿足實際雷電預警的應用需求[3]。

被測樣品在沖擊電流為100 kA試驗下波形圖如圖7所示。

圖7 100 kA沖擊電流試驗波形Fig.7 The test waveforms with 100 kA impulse current

在被測樣品加220 V工頻電壓的條件下做8/20電流沖擊試驗，依次增大沖擊電流值，當沖擊電流值達到100 kA時，電流波形和電壓波形仍正常，說明被測樣品正常通電工作時也具有較強的防雷能力。

3 直流電場試驗設計

本文利用可以達到0～120 kV的直流微電流高壓發(fā)生器（模擬雷電發(fā)生器）進行直流電場試驗設計。

首先將不銹鋼板以懸掛式的方式固定，進行必要的隔離絕緣操作。

其次，向不銹鋼板上引入一個可調的高壓電流，從而模擬出一個電場環(huán)境來對雷電預警儀進行測試和標定。

直流電場試驗示意圖如圖8所示。

圖8 直流電場試驗示意圖Fig.8 DC electric field test

為達到要求，按以下要求進行了試驗：

1）試驗樣品安裝在測試板下面，確保其下方中心區(qū)域的電場是均勻的（附近線性電場的變化小于2%，可以通過仿真或測量進行確認）。為達到電場均勻的要求，應考慮測試板邊緣的電場效應。

2）應按照正常使用方式組裝試品，其最高點高于測試板下方的接地板1 m。可以使用木質支架以達到該高度。

3）測試板宜設置在2 m高位置（確保高于傳感器最高點1 m），公差為±1 cm。

4）施加在測試板的電壓宜為直流高壓（負極性），從而使得試品探頭獲得0.1～15 kV/m的電場。

5）增減電壓使試品探頭獲得0.1～15 kV/m線性分布的多個值。

大氣電場儀所測的電場強度因為線性關系，可以用軟件修正測試標定值，經過試驗，測試標定值表如表2所示。

表2 測試標定值表Tab.2 Test calibration value

4 雷電預警系統(tǒng)軟件平臺設計

4.1 軟件平臺結構模型

現階段基于分布式對象的物聯(lián)網軟件體系中，為物理數據與真實世界提供交互功能的主要是有利于物端的各類服務組件，但是，這部分的服務組件不能脫離云服務或者用戶指令而獨立執(zhí)行任務。鑒于此，基于智能體的概念，我們提出了一種新的物聯(lián)網軟件體系結構設計，其中，物理實體服務被重新地定義為可以執(zhí)行目標任務的軟件實體，該軟件實體還能夠完成與周圍環(huán)境的交互任務，并且，不同智能體之間以物聯(lián)網的形式“互聯(lián)互通”。

軟件平臺智能體體系結構參考模型由意大利卡拉布里亞大學的研究人員提出，該體系結構的基礎是無線感知與執(zhí)行網絡（wireless sensor and actuator network，WSAN），將WSAN中節(jié)點視為智能體的執(zhí)行任務的執(zhí)行單元，網關等則為智能體之間的信息交通、用戶與外界環(huán)境之間的交互提供了相應的接口[4]。任意的WSAN智能體都可以在沒有用戶參與的前提下自主完成某些特定的任務，同時也可以接收用戶指令，完成與其他智能體的協(xié)同配合，從而形成一個整體性的物聯(lián)網體系。智能體體系結構的參考模型如圖9所示。

圖9 智能體體系結構模型Fig.9 WSAN architecture model

基于智能體體系結構的雷電預警系統(tǒng)軟件平臺具有自治性、互動性、主動性等特點。軟件平臺功能模塊如圖10所示。

圖10 軟件平臺功能模塊Fig.10 Software platform function module

4.2 雷電預警實時監(jiān)控

該功能主要是在電子地圖上實時顯示此時此地大氣電場強度值（以s為單位）。在嵌入式軟件中，增加了數據預處理功能，使周邊的環(huán)境電場對探測所造成的影響降至最低限度，保證了所測數據的有效性，同時在某種程度上，降低了對安裝點的要求。實時監(jiān)控流程圖如圖11所示，其運行界面如圖12所示。

圖11 實時監(jiān)控流程圖Fig.11 Real time monitoring process

圖12 程序運行界面Fig.12 Program running interface

4.3 雷電預警數據分析

4.3.1 雷電預警系統(tǒng)的雷擊過程數據分析

圖13為2019年6月25日雷擊時序圖，圖中展示了一次雷擊隨時間變化的完整過程。由圖13可知，整個雷電過程對于大氣電場強度會產生非常顯著的影響。圖13中，雷擊過程劃分為6個不同的階段[5]，本文的研究重點在于雷電形成的預警階段。

圖13 雷擊時序圖Fig.13 Lightning sequence

4.3.2 雷電預警系統(tǒng)的預警臨界值的分析

接下來將以2019年6月25日收集到的雷電發(fā)生前的大氣電場數據為例，如圖14所示，當天氣晴朗時，大氣電場的數值基本在0附近微弱波動，此時當地地面的電場值也基本維持穩(wěn)定，即帶電云層的電荷擾動的影響效果非常微弱。

圖14 晴天電場值折線圖Fig.14 Line chart of electric field value in sunny days

2019年6月25日15點40分，目標區(qū)域內第一次出現雷電，整個雷暴一共持續(xù)約20 min，圖15展示了利用本文設計的雷電預警系統(tǒng)所收集到的實驗數據。

圖15 15點32分至15點50分電場值折線圖Fig.15 Line chart of electric field value at about 15∶10 to 15∶50

通過圖15可以明顯看出雷暴對于大氣電場具有較為顯著的影響，其中，在雷云初步形成時期：大氣電場值出現了小幅度的波動，一般情況下，獨立雷雨云或雷雨云群的產生需要至少約20 min。

預警階段：從15時32分開始，大氣電場的數值在非常短暫的時間內就迅速到達報警閾值附近，隨后觸發(fā)報警信號。在這個過程中，電場值的大小直接決定了報警級別的不同，目前初步將報警級別設定為3個。

雷擊階段：到15時40分第一次出現雷擊現象，當發(fā)生雷擊時電場值迅速達到15.43 kV/m，此后雷擊多次發(fā)生，電場值在整個雷暴天氣發(fā)生的過程中一度高達19.32 kV/m。

雷擊減弱階段：電場值的大小在短時間內迅速減弱至平穩(wěn)狀態(tài)。

雷云消退階段：電場值的大小基本恢復到雷擊發(fā)生前的初始狀態(tài)。

通過長時間對于雷擊數據的全面系統(tǒng)性分析，本文提出了3個不同的雷擊預警等級。

一級黃色警報：閥值的默認值為3.4 kV/m；對正在接近的雷電或在本地生成的雷電進行報警，一般提前時效為20～30 min。

二級橙色警報：默認的閥值為4.7 kV/m，此時雷電正逐漸逼近。

三級紅色警報：閥值的默認值為7 kV/m，此時雷電隨時發(fā)生[5]。

5 雷電臨近主動防護設計

當接受到雷電預警信號后，系統(tǒng)平臺發(fā)送指令提前啟動自檢程序使得自動升降避雷針、雙回路電源自動切換裝置等達到最佳的避雷狀態(tài)，必要時關口前移，在雷電攔截區(qū)提前升起主動放電接閃裝置（自動升降避雷針），由保護物被動接閃變成異地攔截放電，拒雷于本體之外，同時在雷電保護區(qū)LPZ1，自動切換供電回路，有效阻斷線路引雷入室。

雷電預警系統(tǒng)復用了3路繼電器，單路繼電器控制電路如圖16所示，可支持雙回路電源自動切換、遠程實時控制升降避雷針、三色聲光報警燈。

圖16 繼電器控制原理圖Fig.16 Relay control principle

現有的部分廠家都安裝雙路供電電源，從而避免雷暴對用電設備造成影響，而目前用于雙路電源的切換開關經常會被大電流燒毀，此時整體便無法實現切換功能。為了實現常用電源切換至防雷效果更好的備用電源，同時整個雙電源切換開關在損壞時更換方便，設計開發(fā)了一種雷電臨近預警電源自動切換裝置，裝置結構如圖17所示。

圖17 雷電臨近預警電源自動切換裝置結構圖Fig.17 Structure of automatic switching device for lightning proximity warning power supply

由圖17可知，雷電臨近預警電源自動切換裝置，主要包括常用電源、備用電源、防雷器以及雙電源切換開關，雙電源切換開關上設有用于供電切換的切換旋鈕，通過轉動切換旋鈕實現常用電源和備用電源的選擇[6]。當監(jiān)測到有雷電臨近時，伺服電機在驅動作用下，夾具帶動切換旋鈕轉動切換，從而實現常用電源切換至防雷效果更好的備用電源，這樣有助于被保護物的保護，同時整個雙電源切換開關在損壞時更換方便，而伺服電機不受雙電源切換開關的影響，因此后期更換雙電源切換開關成本更低。

6 結論

主動式雷電預警系統(tǒng)除實現了雷電監(jiān)測、預警、臨近主動防護等功能，還具有自動分析、學習、評判防雷效果、實時告警及維護故障等功能，防雷系統(tǒng)運維由靜態(tài)管理提升為動態(tài)管理，全面、主動、智能，構筑全維立體防線。該系統(tǒng)在工程應用方面具有很好的前景和推廣價值，已在四川合江縣堯壩古鎮(zhèn)、寧夏文物保護中心等處得到了很好的應用，達到了預期的效果。

雷電預警系統(tǒng)的誤報率一直是雷電預警系統(tǒng)的一項重要指標，目前雷電預警系統(tǒng)已通過大氣電場儀與閃電定位儀數據相結合的方式將誤報率由10%降低至5%，后期將繼續(xù)接入雷電云雷達、將回波數據進行科學、有效地融合，實現更準確的雷電臨近預警，進而降低誤報率，同時保證預警成功率。