周宗國 胡彬 楊時寬

摘 要： 雷擊是自然界的一種放電現(xiàn)象，巨大的雷擊電流足以瞬間擊穿絕緣體，使設(shè)備發(fā)生短路，甚至導(dǎo)致燃燒、爆炸等直接災(zāi)害，從而嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，由于傳統(tǒng)的雷電計數(shù)儀存在巡線難，實時難，統(tǒng)計難等問題，在此本文介紹了新一代的智能雷電計數(shù)儀。從智能雷電預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展角度，系統(tǒng)介紹了智能物聯(lián)技術(shù)在新一代的智能雷電計數(shù)儀上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 智能；物聯(lián)；LORA；無源

1 引言

1.1研究雷電計數(shù)儀的目的

在電力系統(tǒng)中，雷電放電產(chǎn)生的雷電過電壓或大氣過電壓，會造成輸電線路和發(fā)電廠、變電站配電裝置等的絕緣發(fā)生故障，從而引發(fā)停電事故[1]，對人們的生產(chǎn)生活帶來諸多不便和巨大財產(chǎn)損失。據(jù)有關(guān)資料顯示，全世界每年由于雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億美元。因此，在現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)中[2]，配備了大量的防雷設(shè)備和實施，比如接閃器、波阻器、波阻隔離器、復(fù)合絕緣橫擔(dān)等防雷產(chǎn)品，有效提高了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

為了掌握這些防雷設(shè)備設(shè)施在電網(wǎng)中運(yùn)行的有效性，就需對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和雷擊數(shù)量、時間等信息進(jìn)行實時采集和分析。因此就有了記錄雷擊數(shù)量、時間、落點等信息的設(shè)備——雷電計數(shù)儀。

1.2 智能雷電計儀在電網(wǎng)防雷領(lǐng)域中的優(yōu)勢

伴隨著中國電力發(fā)展步伐不斷加快，中國電網(wǎng)也得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級不斷提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。但同時，隨著線路的增長和桿塔數(shù)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(shù)器的數(shù)據(jù)，效率低下，繁雜異常。

傳統(tǒng)的雷電計數(shù)儀是直接安裝在避雷器的下引線上，用指針計數(shù)雷擊，無法記錄雷擊時間，最大的計數(shù)也只有9次。需要讀取雷擊數(shù)據(jù)時，須用望遠(yuǎn)鏡或者上桿塔去讀取數(shù)據(jù)，極大的浪費(fèi)了人工。

而新型的智能雷電計數(shù)儀擺脫了傳統(tǒng)的雷電計數(shù)儀的設(shè)計，基于433M無線通信方式并且采用了智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）的雷電感應(yīng)端與的主機(jī)之間采用分體式設(shè)計，并且不需要上塔讀取數(shù)據(jù)，只要在主機(jī)的通信范圍內(nèi)，用手持機(jī)與塔上機(jī)進(jìn)行通信，即可收集相應(yīng)的雷擊信息，解決了工人巡線難的問題。

1.3 現(xiàn)代智能雷電預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)

現(xiàn)代智能雷電預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]，如圖1所示。利用智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）監(jiān)測和記錄被監(jiān)測桿塔被雷擊參數(shù)（雷擊地點、雷擊時間、雷擊數(shù)量等），智能雷電計數(shù)儀（手持機(jī)）作為交換信息載體，通過上位控制計算機(jī)上將雷擊信息上傳到云服務(wù)器，便于管理者在手機(jī)APP上進(jìn)行監(jiān)管和查詢，提高決策的時效性和科學(xué)性。

2 技術(shù)方案

2.1智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）的原理框圖（如圖2所示）

2.1.1 智能雷電計數(shù)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(shù)儀（塔上機(jī)）的雷電感應(yīng)端通過非物理接觸——電磁感應(yīng)的方式形成感應(yīng)電流，再經(jīng)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(shù)儀（塔上機(jī)）的主機(jī)接收到感應(yīng)端的通訊信號后，經(jīng)解碼電路，解析出相應(yīng)的雷擊信息，并由MCU進(jìn)行解模糊和恒虛警處理后保存到存儲器中。當(dāng)主機(jī)收到來自手持機(jī)的查詢及控制請求時，及時將存儲器中的雷擊信息發(fā)送到手持機(jī)上并響應(yīng)手持機(jī)的控制操作。

2.1.2智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）的技術(shù)要點

（1）低功耗、脈沖收發(fā)技術(shù)

智能雷電計數(shù)器（塔上機(jī)）選用優(yōu)質(zhì)的、高可靠性的低功耗芯片，并在接收、發(fā)射電路設(shè)計上采用脈沖寬頻收發(fā)技術(shù)，用使能信號控制收發(fā)系統(tǒng)工作如圖2.2所示。這樣的設(shè)計讓設(shè)備電池使用壽命可以達(dá)到5年以上。

（2）遠(yuǎn)距離雙無線通訊

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

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

感應(yīng)端和主機(jī)的最大通訊距離為≥300m

塔上機(jī)與手持機(jī)的最大通訊距離為≥1.5Km

（3）具有較強(qiáng)的組網(wǎng)功能

智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）相互之間采用LoRaWAN？通訊技術(shù)。LoRaWAN？定義了網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，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(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對節(jié)點的電池壽命、網(wǎng)絡(luò)容量、服務(wù)質(zhì)量、安全性、網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量等影響最大。LoRa？是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，它保持了像FSK調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離。LoRa？的優(yōu)勢在于技術(shù)方面的長距離能力，這樣各智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)）之間就具有了組網(wǎng)功能，實現(xiàn)信息共享，在不依靠公網(wǎng)的情況下可以將信息傳遞到盡可能遠(yuǎn)的地方，在一定程度上組成了一個自己的雷電預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，手持機(jī)只需與網(wǎng)絡(luò)中的任一塔上機(jī)連接，就可查詢和控制網(wǎng)絡(luò)中的任一塔上機(jī)。

（4）感應(yīng)端無源設(shè)計

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

2.2 智能雷電計數(shù)儀（手持機(jī)）

智能雷電計數(shù)儀（手持機(jī)）作為雷電信息傳遞的載體，將塔上機(jī)記錄的雷電信息轉(zhuǎn)移到上位計算機(jī)上，并對塔上機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制和維護(hù)。智能雷電計數(shù)儀（手持機(jī)）的操作界面采用C語言開發(fā)設(shè)計，人性化程度高，具有較好的可交互性。

智能雷電計數(shù)儀具有鏈路通信和單機(jī)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(jī)可以相互通信，比如11號線有10臺塔上機(jī)，編號依次從1到10，那么在巡檢1號機(jī)的時候，就可以使用鏈路通信功能查詢1到10號機(jī)的所有信息。鏈路通信的前提是1到10號塔上機(jī)相鄰兩臺塔上機(jī)的距離必須在規(guī)定距離內(nèi)，方可通信成功。

2.2.2單機(jī)通信（點名模式）

單機(jī)通信：表示使用手持機(jī)對塔上機(jī)進(jìn)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(shù)儀在GIC沖擊電流控制設(shè)備實際測試情況：

模擬的電流波形如圖3-1所示。

根據(jù)大自然雷擊的不同，測試了不同電流下，塔上機(jī)對雷擊的計數(shù)。實驗結(jié)果如表3-1。

實驗結(jié)果表明，智能雷電計數(shù)儀（塔上機(jī)），經(jīng)過了模擬雷擊測試，塔上機(jī)能夠準(zhǔn)確地記錄雷擊的信息，并且具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3.2塔上機(jī)通信測試

在塔上機(jī)設(shè)計完成以后，還需要進(jìn)行相關(guān)的通信測試，測試其功能是否正常。

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

4 總結(jié)與展望

智能雷電計數(shù)儀是新一代的雷電計數(shù)儀，相比于傳統(tǒng)的雷電計數(shù)儀，具有更準(zhǔn)確、更詳細(xì)、更快速的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力。同時減少了人工成本，降低了操作風(fēng)險，解決了工人巡線難的問題。

隨著智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能雷電預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)功能將得到不斷的豐富和發(fā)展，包括組網(wǎng)、測溫、定位等功能。智能雷電設(shè)備在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，能實時獲取桿塔線路的各項信息，從而讓電網(wǎng)變得更加智能化，信息化，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全發(fā)揮著更重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 王瑩. 雷電放電電流模型的研究[D]. 云南師范大學(xué)， 2013.

[3] 石志國，王志良，丁大偉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社， 2012年8月.

作者簡介：周宗國，安順供電局，561000，工程師。