周宗國(guó) 胡彬 楊時(shí)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(shí)，由于傳統(tǒng)的雷電計(jì)數(shù)儀存在巡線難，實(shí)時(shí)難，統(tǒng)計(jì)難等問題，在此本文介紹了新一代的智能雷電計(jì)數(shù)儀。從智能雷電預(yù)警監(jiān)測(cè)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(jì)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(jì)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(huì)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(duì)人們的生產(chǎn)生活帶來諸多不便和巨大財(cái)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(shí)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(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和雷擊數(shù)量、時(shí)間等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。因此就有了記錄雷擊數(shù)量、時(shí)間、落點(diǎn)等信息的設(shè)備——雷電計(jì)數(shù)儀。

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

伴隨著中國(guó)電力發(fā)展步伐不斷加快，中國(guó)電網(wǎng)也得到迅速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級(jí)不斷提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。但同時(shí)，隨著線路的增長(zhǎng)和桿塔數(shù)量的增多，每次巡線都需要人工逐項(xiàng)檢查每級(jí)桿塔的雷電計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)，效率低下，繁雜異常。

傳統(tǒng)的雷電計(jì)數(shù)儀是直接安裝在避雷器的下引線上，用指針計(jì)數(shù)雷擊，無法記錄雷擊時(shí)間，最大的計(jì)數(shù)也只有9次。需要讀取雷擊數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)數(shù)儀擺脫了傳統(tǒng)的雷電計(jì)數(shù)儀的設(shè)計(jì)，基于433M無線通信方式并且采用了智能雷電計(jì)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(jì)，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(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)代智能雷電預(yù)警監(jiān)測(cè)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(jì)數(shù)儀（塔上機(jī)）監(jiān)測(cè)和記錄被監(jiān)測(cè)桿塔被雷擊參數(shù)（雷擊地點(diǎn)、雷擊時(shí)間、雷擊數(shù)量等），智能雷電計(jì)數(shù)儀（手持機(jī)）作為交換信息載體，通過上位控制計(jì)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(shí)效性和科學(xué)性。

2 技術(shù)方案

2.1智能雷電計(jì)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(jì)數(shù)儀工作原理

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

智能雷電計(jì)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(jì)數(shù)儀（塔上機(jī)）的主機(jī)接收到感應(yīng)端的通訊信號(hào)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(chǔ)器中。當(dāng)主機(jī)收到來自手持機(jī)的查詢及控制請(qǐng)求時(shí)，及時(shí)將存儲(chǔ)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(jì)數(shù)儀（塔上機(jī)）的技術(shù)要點(diǎn)

（1）低功耗、脈沖收發(fā)技術(shù)

智能雷電計(jì)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(jì)上采用脈沖寬頻收發(fā)技術(shù)，用使能信號(hào)控制收發(fā)系統(tǒng)工作如圖2.2所示。這樣的設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)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(diǎn)是： 實(shí)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(jì)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(zhǎng)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(shì)在于技術(shù)方面的長(zhǎng)距離能力，這樣各智能雷電計(jì)數(shù)儀（塔上機(jī)）之間就具有了組網(wǎng)功能，實(shí)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(gè)自己的雷電預(yù)警監(jiān)測(cè)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(jì)

感應(yīng)端采用人工線（如圖2.5所示）儲(chǔ)能技術(shù)，將感應(yīng)到雷電能量?jī)?chǔ)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(jì)真正實(shí)現(xiàn)無源化，零消耗化。

2.2 智能雷電計(jì)數(shù)儀（手持機(jī)）

智能雷電計(jì)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(jì)算機(jī)上，并對(duì)塔上機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的控制和維護(hù)。智能雷電計(jì)數(shù)儀（手持機(jī)）的操作界面采用C語言開發(fā)設(shè)計(jì)，人性化程度高，具有較好的可交互性。

智能雷電計(jì)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(hào)線有10臺(tái)塔上機(jī)，編號(hào)依次從1到10，那么在巡檢1號(hào)機(jī)的時(shí)候，就可以使用鏈路通信功能查詢1到10號(hào)機(jī)的所有信息。鏈路通信的前提是1到10號(hào)塔上機(jī)相鄰兩臺(tái)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(diǎn)名模式）

單機(jī)通信：表示使用手持機(jī)對(duì)塔上機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

3 實(shí)際測(cè)試

3.1 模擬雷擊測(cè)試

智能雷電計(jì)數(shù)儀在GIC沖擊電流控制設(shè)備實(shí)際測(cè)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(cè)試了不同電流下，塔上機(jī)對(duì)雷擊的計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3-1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智能雷電計(jì)數(shù)儀（塔上機(jī)），經(jīng)過了模擬雷擊測(cè)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(cè)試

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

鏈路通信需要連續(xù)ID的塔上機(jī)，測(cè)試方式為把幾臺(tái)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(tái)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(shí)間內(nèi)收到所有塔上機(jī)的雷擊狀況。單機(jī)通信測(cè)試的是手持機(jī)與一個(gè)塔上機(jī)的通信，輸入與之通信的塔上機(jī)ID號(hào)，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(cè)試如圖3-2，單機(jī)通信結(jié)果如圖3-3。結(jié)論為均測(cè)試成功。

4 總結(jié)與展望

智能雷電計(jì)數(shù)儀是新一代的雷電計(jì)數(shù)儀，相比于傳統(tǒng)的雷電計(jì)數(shù)儀，具有更準(zhǔn)確、更詳細(xì)、更快速的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力。同時(shí)減少了人工成本，降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)系統(tǒng)功能將得到不斷的豐富和發(fā)展，包括組網(wǎng)、測(cè)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(shí)時(shí)獲取桿塔線路的各項(xiàng)信息，從而讓電網(wǎng)變得更加智能化，信息化，對(duì)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(hào)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(guó)，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(jiǎn)介：周宗國(guó)，安順供電局，561000，工程師。