鄭少華，許志浩，康 兵，丁貴立，曾 兵

（南昌工程學(xué)院，江西 南昌330099）

雷電是自然界頻繁發(fā)生的一種高強(qiáng)度的電磁脈沖現(xiàn)象，因其影響面大，受到了氣象、航天、航空、電力、石油諸多部門(mén)的廣泛關(guān)注，其中，電網(wǎng)因其具有廣域分布特征、幾何尺度達(dá)數(shù)千公里，更易受到雷電的沖擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高壓輸電線(xiàn)路由于雷擊引起的跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的40%～70%，由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失或間接經(jīng)濟(jì)損失也越來(lái)越多，雷電已經(jīng)成為嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素[1]。

目前，我國(guó)雷擊監(jiān)測(cè)主要依靠電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)LLS，在采集信號(hào)方面，電網(wǎng)的雷電定位系統(tǒng)LLS主要手段是偵測(cè)電磁輻射場(chǎng)的信號(hào)，但是該方法無(wú)法直接得到雷擊電流的波形參數(shù)，測(cè)量的精度有限，而且易受到外界環(huán)境干擾，捕捉雷電信號(hào)的靈敏度不高，造成定位不準(zhǔn)確。在通信方面，電網(wǎng)的雷電定位系統(tǒng)LLS廣泛采用光纖、微波、衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)及電信ADSL和移動(dòng)GPRS多種通信手段[1-4]。利用這些通信方式通信功耗高、價(jià)格昂貴，而且易受到地理位置和氣候的影響[5-7]。

在此現(xiàn)狀下，研究出一套能實(shí)時(shí)定位雷擊點(diǎn)、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)施成本低且能免維護(hù)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-10]。本文采用在輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)的各個(gè)鐵塔下安裝接地引下線(xiàn)電流監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集輸電鐵塔雷擊泄露電流，通過(guò)LoRa物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，運(yùn)用后臺(tái)數(shù)據(jù)分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)的精準(zhǔn)定位并向巡檢人員發(fā)送實(shí)時(shí)位置。

1 基于羅氏線(xiàn)圈傳感器雷擊泄露電流測(cè)量方法

1.1 羅氏線(xiàn)圈傳感器原理

羅氏線(xiàn)圈傳感器原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，一種空心環(huán)形的線(xiàn)圈，有柔性和硬性?xún)煞N，可以直接在被測(cè)量的導(dǎo)體上測(cè)量交流電流，羅氏線(xiàn)圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測(cè)電流沿軸線(xiàn)通過(guò)羅氏線(xiàn)圈中心時(shí)，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場(chǎng)[11]，強(qiáng)度為H，由安培環(huán)路定律可得：

圖1 羅氏線(xiàn)圈傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 羅氏線(xiàn)圈傳感器測(cè)量電流等效電路分析

圓環(huán)形羅氏線(xiàn)圈（等效電路見(jiàn)圖2）的輸出端接入一個(gè)小的信號(hào)電阻R1，線(xiàn)圈的匝數(shù)為N，自感系數(shù)為L(zhǎng)，線(xiàn)圈的內(nèi)阻為r，雜散電容為C0，輸出電壓為u0，在理想的條件下：根據(jù)理想條件計(jì)算：

圖2 羅氏線(xiàn)圈傳感器等效電路圖

由公式可以看出被測(cè)電流i1正比于u0。設(shè)（N/ra）=S，則：

這里S為線(xiàn)圈靈敏度。

2 雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整合了輸電線(xiàn)路及桿塔在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、過(guò)程處理數(shù)據(jù)等，通過(guò)對(duì)雷擊電流數(shù)據(jù)的采集以及深入挖掘分析，建立相關(guān)計(jì)算模型對(duì)雷擊點(diǎn)的故障進(jìn)行定位，為確定雷擊故障點(diǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

2.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)中，監(jiān)測(cè)裝置安裝在架空塔接地導(dǎo)體上，每個(gè)架空塔安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)終端可根據(jù)用戶(hù)需求安裝在指定位置。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)工作方式流程圖

綜合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電流監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)電流，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程為“觸發(fā)為主，定時(shí)為輔”[12]，確保所有異常數(shù)據(jù)均被記錄，同時(shí)也兼顧設(shè)備功耗。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

2.3 系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)分為電流監(jiān)測(cè)單元[13]、通信中繼器、監(jiān)控終端三大模塊。

3 雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信

3.1 數(shù)據(jù)的傳輸方式

數(shù)據(jù)的傳輸方式分為有線(xiàn)傳輸和無(wú)線(xiàn)傳輸，由于輸電線(xiàn)路分布區(qū)域廣，且呈線(xiàn)性分布，不易采用有線(xiàn)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，LoRa技術(shù)不需要建設(shè)基站，一個(gè)網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活，可大幅度降低建設(shè)成本?？偟膩?lái)說(shuō)，LoRa在信號(hào)接收的靈敏度方面更好，能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸，具有較強(qiáng)的鏈路預(yù)算，適用于電池供電的終端設(shè)備。本項(xiàng)目在通信這一環(huán)節(jié)選擇LoRa通信技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控終端的橋梁。在輸電線(xiàn)路或中桿塔正常運(yùn)行情況下，LoRa芯片以低功耗的模式運(yùn)行。

3.2 LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信的組網(wǎng)方式

鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)一般在傳輸網(wǎng)絡(luò)的一端，子節(jié)點(diǎn)依次排布向一端逐漸延伸，直至到達(dá)末端節(jié)點(diǎn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)需要相互配合完成網(wǎng)絡(luò)的傳輸，同時(shí)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能和組網(wǎng)管理功能[14]，鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)方式的示意圖如圖5所示。

圖5 鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)方式示意圖

在本文中每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的通信LoRa模塊相當(dāng)于一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，在一定區(qū)域內(nèi)按照分布情況對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行人工編號(hào)，編號(hào)是按照位置以此排布。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間能夠相互發(fā)送消息。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雷擊點(diǎn)定位依據(jù)

通過(guò)對(duì)輸電鐵塔和輸電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)輸電鐵塔接地引下線(xiàn)電流的分析，我們可以確定在發(fā)生雷擊時(shí)，輸電鐵塔接地引下線(xiàn)電流會(huì)發(fā)生突變。依此原理當(dāng)輸電鐵塔遭受雷擊時(shí)，從變電站沿線(xiàn)開(kāi)始的第n號(hào)及之前的所有輸電鐵塔，接地裝置電流由于空間磁場(chǎng)及電場(chǎng)的突變會(huì)發(fā)生明顯的電流突變升高，而n+1號(hào)及之后的桿塔接地裝置電流從正常值下降，則可根據(jù)電流的變化狀態(tài)將雷擊定位于n及n+1號(hào)桿塔附近的區(qū)域[15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)于輸電鐵塔設(shè)計(jì)出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集輸電鐵塔接地引下線(xiàn)雷擊泄露電流，并且對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)的分析向運(yùn)維人員發(fā)出預(yù)警，能夠?qū)崟r(shí)發(fā)送雷擊點(diǎn)的位置，幫助運(yùn)維人員迅速確定雷擊點(diǎn)的具體位置，同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)來(lái)分析來(lái)預(yù)判輸電線(xiàn)路雷擊點(diǎn)的故障情況。本文所研究的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上融合了低功耗通信、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以“云管邊端”為系統(tǒng)架構(gòu)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

輸電鐵塔雷擊點(diǎn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)切合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代要求，可對(duì)輸電線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)輸電鐵塔或輸電線(xiàn)路遭受雷擊時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在一定程度上減少了維修人員排查故障的時(shí)間，同時(shí)節(jié)省了大量的人力物力，減少了系統(tǒng)的停電風(fēng)險(xiǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于輸電線(xiàn)路雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)程定位。