基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

張方伙

（廣東南海電力設(shè)計院工程有限公司，廣東南海 528200）

雷擊作為一種常見的自然災(zāi)害，發(fā)生時會產(chǎn)生高電壓、大電流、超高溫度等現(xiàn)象。每次雷擊的程度都是不同的，等級高的雷擊會導(dǎo)致嚴(yán)重的自然災(zāi)害，而非常嚴(yán)重的雷擊災(zāi)害已經(jīng)被列為了最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一［1］。當(dāng)雷擊災(zāi)害產(chǎn)生巨大電流時還會影響各種電子設(shè)備，例如區(qū)域性停電、線路跳閘、通信設(shè)備信號減弱等。雷擊災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重地影響到了輸電線路的安全問題，現(xiàn)有的雷擊預(yù)警系統(tǒng)雖然可以起到預(yù)警作用，但是因為它的傳感器設(shè)計不精確，定位系統(tǒng)也易出現(xiàn)問題，導(dǎo)致預(yù)警不準(zhǔn)確，容易發(fā)生誤判，造成一些人力、物力、財力上的損害與傷亡。為此本文設(shè)計了一種新的基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，以提高雷擊預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，使災(zāi)害發(fā)生前能夠及時有效地作出應(yīng)對措施。

1 硬件設(shè)計

1.1 雷擊預(yù)警傳感器設(shè)計

在系統(tǒng)的前端部分設(shè)計360°雷擊預(yù)警傳感器，使傳感器范圍性接收雷擊信號并做出初步的傳輸工作。利用LED 數(shù)據(jù)，感受雷擊強(qiáng)度，使雷擊預(yù)警傳感器對雷擊預(yù)警觸發(fā)點進(jìn)行判斷，并輸出雷擊信號。設(shè)計雷擊預(yù)警感受器要設(shè)計感受器探測天線，感受器探測天線的長度受電磁波影響，當(dāng)電磁波的長度是感受器探測天線長度的4 倍時，感受器探測天線會達(dá)到最高的信號轉(zhuǎn)換率，效果最好［2］。所以感受器探測天線的長度的計算公式如下所示：

式中，L 為感受器探測天線的長度；S 為電磁波長度；n 為電磁波的頻率。

雷擊預(yù)警傳感器為達(dá)到360°接收雷擊信號，設(shè)計兩根天線，全方位接收信號，雷擊預(yù)警傳感器天線使用防水結(jié)構(gòu)設(shè)計，在蓋板處使用CRE 全銅鍍金材料，讓天線堅固防水。雷擊預(yù)警傳感器天線的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

雷擊預(yù)警傳感器的控制器內(nèi)核使用了ARMCortex 核心器件，其最大工作效率達(dá)72MHz。而該器件中的高速存儲器，最大可達(dá)128K 字節(jié)［3］。還設(shè)置了兩個PWM 定時器與四個通用型的TRT 定時器。來控制雷擊預(yù)警傳感器的內(nèi)部組件工作，維持雷擊預(yù)警傳感器對雷擊信號的接收與輸出工作。

1.2 信息采集器設(shè)計

將信息采集器用微處理器與轉(zhuǎn)換電路組建起來，利用AT89C51 采用ATMEL 技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 單片機(jī)的指令集和輸出管相融合［4］。使采集器可以通過按鍵采集到氣壓、氣溫、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、地溫、日照、蒸發(fā)一系列信息，并且通過MCS-51單片機(jī)儲存三天以上任何時間整點的信息數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)計

選擇大品牌通用服務(wù)器，與地面氣象觀測業(yè)務(wù)相連接，在其控制引導(dǎo)下，通過雷擊預(yù)警傳感器傳入接口，再收集信息采集器的各項數(shù)據(jù)，顯示觀測結(jié)果、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、編輯并輸出結(jié)果［5］。

2 軟件設(shè)計

2.1 建立多源數(shù)據(jù)融合模塊

將NPE 算法與KNN-SVM 算法數(shù)據(jù)融合到輸電線路雷擊預(yù)警中。使用KNN-SVM 算法中的k近鄰法，與NPE 中的歐氏空間結(jié)合，得到在歐氏空間中的最小的k 個點為近鄰點，確定第i 個樣本點xi的最小近鄰點k 個近鄰點公式如下所示：

根據(jù)公式（2）重新構(gòu)造各數(shù)據(jù)點，并保證其誤差最小化。重新構(gòu)造的系數(shù)矩陣公式如下所示：

式中，W為重新構(gòu)造的系數(shù)矩陣；Wij為xi在k中，樣本點xi對重新構(gòu)造xj的貢獻(xiàn)。當(dāng)，每個數(shù)據(jù)點都只是被最近鄰點重新構(gòu)造；當(dāng)xi不在xj的附近時，Wij＝0。

公式中xnew采集的新數(shù)據(jù)，g 和h 為χ2的分布參數(shù)，I 為數(shù)據(jù)總和。

根據(jù)公式（6）得到的SPE 統(tǒng)計量，判斷輸電線路是否遭受雷擊并作出相應(yīng)預(yù)警。其具體公式如下所示：

式中，ynew為xnew的重新構(gòu)造向量。根據(jù)公式可預(yù)測出是否會遭受雷擊災(zāi)害。

2.2 構(gòu)建系統(tǒng)定位模塊

根據(jù)上述模塊判斷是否會遭受雷擊災(zāi)害進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計，提取系統(tǒng)定位。定位模塊主要提取系統(tǒng)中的時間和地點，讓系統(tǒng)的各項信息同步，使傳感器進(jìn)行接收傳輸信號，進(jìn)行定位。以D303 芯片作為定位系統(tǒng)的核心，開放BN2B1／GPSLI 雙頻率下的導(dǎo)航定位系統(tǒng)模式，同時使用BN2B1、GPSLI單核系統(tǒng)和雙向雙核系統(tǒng)三種模式。定位系統(tǒng)內(nèi)的模塊大小為16mm×12.5mm×2.2mm［6］。定位模塊的電源輸入端為CVV、V-BCKO 和V-ANT，電源的輸出端為PCC-RG。CVV 是定位模塊的主供電，VBCKO 和V-ANT 是定位模塊的后備供電。將天線供電輸入端的V-ANT 與電源輸出端相連接，可以使電源輸出端給預(yù)警感受器供電。定位模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 定位模塊電路結(jié)構(gòu)圖

定位模塊檢測雷擊預(yù)警傳感器的天線是否正常運轉(zhuǎn)、正常接收信號、進(jìn)行線路保護(hù)；外面的電源天線可以給定位模塊供電。雷擊預(yù)警傳感器在外界接收到信號后通過電磁波傳輸給定位模塊中的雙模射頻芯片，進(jìn)行數(shù)據(jù)放大、過濾處理。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理再轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給雙模基帶芯片，再進(jìn)行數(shù)據(jù)拆分，形成標(biāo)準(zhǔn)信號。最后分析標(biāo)準(zhǔn)信號的信息，將信息詳細(xì)化，得到傳感器接收到的信號位置，進(jìn)行定位。

2.3 設(shè)計預(yù)警功能模塊

通過系統(tǒng)定位模塊確定雷擊地點，對雷擊地點進(jìn)行預(yù)警，設(shè)置報警閾值，當(dāng)傳感器采集的信息數(shù)據(jù)超過報警閾值，就會發(fā)出聲音警報。報警流程如圖2 所示。

圖2 聲音報警流程

將雷擊預(yù)警傳感器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、提取，當(dāng)數(shù)據(jù)信息大于報警閾值時，系統(tǒng)會直接報警；當(dāng)數(shù)據(jù)信息小于報警閾值時會和數(shù)據(jù)顯示一起進(jìn)入信息庫。為了區(qū)分不同程度的報警，將不同頻率的聲音報警設(shè)置成不同預(yù)警聲音，并且系統(tǒng)設(shè)置開關(guān)可以選擇開啟或關(guān)閉雷擊預(yù)警系統(tǒng)。

3 實驗對比分析

為了驗證基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將其與兩種其他預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行對比，另外兩種分別為L21 雷電預(yù)警系統(tǒng)和LPS-1000 雷電預(yù)警系統(tǒng)。

3.1 實驗準(zhǔn)備

進(jìn)行實驗需要讓三種方法在同樣的時間、地點、方位、數(shù)量上進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)行對比，為了減小誤差要使其保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行實驗，實驗的環(huán)境相對參數(shù)如表2 所示。

表2 實驗環(huán)境參數(shù)

根據(jù)實驗環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，在區(qū)域內(nèi)選取5個位置進(jìn)行預(yù)警，將5 個位置分別進(jìn)行編碼，編碼為地點1、地點2、地點3、地點4、地點5，在相同的時間進(jìn)行預(yù)警。

3.2 實驗對比

將本文的基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)與L21 雷電預(yù)警系統(tǒng)和LPS-1000雷電預(yù)警系統(tǒng)分別對這5 個地點進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表3 所示。

表3 實驗預(yù)測結(jié)果

由表3 可知，本文基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率大概為80%，L21 雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率為60%，而LPS-1000 雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率只達(dá)到了40%。本文基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)比L21 雷電預(yù)警系統(tǒng)和LPS-1000 雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率分別高了20%和40%。實驗證明了本文基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確度比傳統(tǒng)的L21 雷電預(yù)警系統(tǒng)和LPS-1000 雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確度要高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)預(yù)警雷擊是否會發(fā)生，并對其進(jìn)行定位。進(jìn)行實驗對比分析結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確度很高，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的雷擊預(yù)警系統(tǒng)，可以達(dá)到有效預(yù)警，提前進(jìn)行相應(yīng)準(zhǔn)備措施。說明本文設(shè)計的基于多源數(shù)據(jù)融合的10kV 輸電線路雷擊預(yù)警系統(tǒng)對于雷擊災(zāi)害預(yù)警有著很高的使用價值。