陳雯

摘 要：基于電子信息手段和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位置分布廣泛、地點(diǎn)零星分散的易燃易爆場所的雷電狀況和防雷裝置運(yùn)行狀況，一旦出現(xiàn)狀況，無需人工巡查，便能準(zhǔn)確定位并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警，及時(shí)封鎖遭受雷擊危害的通道，最大限度降低雷電引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，確保易燃易爆場所的安全生產(chǎn)和正常運(yùn)行?；诖耍岢隽艘兹家妆瑘鏊览自O(shè)施智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)，以及軟件與硬件支撐。

關(guān)鍵詞：雷電防御；在線監(jiān)測(cè)；雷電預(yù)警

中圖分類號(hào)：TU895 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）01–0-04

陜西是我國能源儲(chǔ)備和輸出大省，能源化工產(chǎn)業(yè)是陜西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心支柱產(chǎn)業(yè)。全省范圍內(nèi)的易燃易爆防雷重點(diǎn)單位眾多，對(duì)雷電防護(hù)的安全需求巨大。而傳統(tǒng)的人工巡檢不能及時(shí)排查隱患且效率低下。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)易燃易爆場所雷電狀況及防雷裝置的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，成為防雷重點(diǎn)行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急[1-6]。

1 設(shè)計(jì)思想

陜西省易燃易爆場所防雷設(shè)施智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用云物聯(lián)、智能算法技術(shù)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、傳感器等高新技術(shù)手段，通過采集入侵雷電信息（雷電流/電涌的峰值、極性）、SPD劣化狀態(tài)、SPD接地狀態(tài)、SPD空開閉合，以及監(jiān)測(cè)接地電阻阻值變化趨勢(shì)、設(shè)備自身漏電、線路溫度過高等異常狀況。一方面，在異常情況發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)位置，并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警，使工作人員能準(zhǔn)確定位及時(shí)掌握現(xiàn)場情況，迅速響應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全省重點(diǎn)場所的實(shí)時(shí)有效雷電監(jiān)測(cè)與管理。另一方面，將雷電防護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)，分析出各區(qū)域的雷電密度、雷電強(qiáng)度等信息，制定有效措施防止雷害。無需人員現(xiàn)場逐個(gè)采集防雷重點(diǎn)場所，極大地提高了工作效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陜西省易燃易爆場所防雷設(shè)施智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、基于GIS的在線監(jiān)測(cè)及告警顯示、重點(diǎn)場所安全監(jiān)督、查詢統(tǒng)計(jì)與分析5個(gè)部分構(gòu)成（圖1）。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

將各類硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備（如SPD監(jiān)測(cè)安裝的感應(yīng)器，電涌感應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、定位器等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用物聯(lián)網(wǎng)卡等通信網(wǎng)絡(luò)硬件進(jìn)行采集，通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒览自诰€監(jiān)測(cè)的服務(wù)器端，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理

將各類防雷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建庫，通過數(shù)據(jù)入庫后臺(tái)程序?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)解析入庫，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高效和安全。同時(shí)，后臺(tái)程序會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)處理的狀態(tài)、發(fā)生異常錯(cuò)誤的日志等信息及時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行告警分析，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)則可自動(dòng)生成告警信息，以便通過前臺(tái)頁面可實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)狀態(tài)及告警信息等。

2.1.3 基于GIS的在線監(jiān)測(cè)及告警顯示

基于Web頁面，以GIS地圖作為可視化的依托，實(shí)現(xiàn)基于地理信息的各類雷電防護(hù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等設(shè)備的分布和各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的直觀展示，并可通過人機(jī)交互方式查看各類監(jiān)測(cè)設(shè)備的詳細(xì)監(jiān)測(cè)信息，對(duì)于設(shè)備出現(xiàn)異常的情況，系統(tǒng)將以高亮或閃爍的方式自動(dòng)進(jìn)行告警顯示，提醒用戶注意。

2.1.4 重點(diǎn)場所安全監(jiān)管

查看各重點(diǎn)企業(yè)的基本情況數(shù)據(jù)庫及防雷裝置臺(tái)賬。實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)場所的排查管理，包括企業(yè)自查和監(jiān)管部門的排查，可通過上傳照片保存排查情況。此外，對(duì)重點(diǎn)場所提供雷電戒備服務(wù)，利用目前的雷電戒備系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在達(dá)到雷電預(yù)警條件時(shí)，能夠通過自動(dòng)短信或電話等方式提醒重點(diǎn)場所的責(zé)任人。

2.1.5 數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)模塊是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中涉及的防雷在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、閃電定位等氣象數(shù)據(jù)和災(zāi)害數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并以直觀的圖形和表格形式顯示給用戶，方便用戶進(jìn)行查詢和各種分析，為快速?zèng)Q策提供支持和依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以整體功能實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，分5個(gè)層級(jí)的邏輯體系進(jìn)行架構(gòu)。分別是環(huán)境基礎(chǔ)邏輯層級(jí)、數(shù)據(jù)交互層級(jí)、云平臺(tái)層級(jí)、應(yīng)用服務(wù)層級(jí)和后臺(tái)保障層級(jí)。

2.2.1 環(huán)境基礎(chǔ)邏輯層級(jí)

環(huán)境基礎(chǔ)邏輯層級(jí)包括系統(tǒng)全部硬件設(shè)備，如SPD監(jiān)測(cè)感應(yīng)器、電涌感應(yīng)和接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，以及用于通信的網(wǎng)絡(luò)硬件，如物聯(lián)網(wǎng)卡、定位器等。

2.2.2 數(shù)據(jù)交互層級(jí)

建立包括二維平面地圖、三維地圖、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、管理業(yè)務(wù)、設(shè)備信息、傳感信息、日志和交換數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 云平臺(tái)層級(jí)

主要是對(duì)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和計(jì)算，在整個(gè)系統(tǒng)中，云交換平臺(tái)主體以GIS地圖或三維場景為可視化的依托，實(shí)現(xiàn)基于地理信息的業(yè)務(wù)整合與信息交換，構(gòu)建基于地理信息的陜西省雷電防護(hù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)總線，為應(yīng)用層提供信息服務(wù)技術(shù)支撐。

2.2.4 應(yīng)用服務(wù)層級(jí)

主要包括基于雷電防護(hù)整體方案所需要的所有監(jiān)測(cè)要素，并以此服務(wù)整個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所有需求。

2.2.5 后臺(tái)保障層級(jí)

通過安全保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理保障3個(gè)層面構(gòu)建安全防范體系，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)安全，運(yùn)行安全和管理安全。確?；A(chǔ)層及各應(yīng)用系統(tǒng)的完整性、機(jī)密性和可控性。

根據(jù)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容，建議采用2臺(tái)云服務(wù)器作為基礎(chǔ)，結(jié)合平臺(tái)整體的安全性，所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D見圖2。

3 軟件與硬件支撐

防雷在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)主要由運(yùn)行在服務(wù)器上的基于GIS平臺(tái)的防雷在線監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)軟件組成，防雷在線監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)主要由多要素智能監(jiān)測(cè)終端設(shè)備等組成。

3.1 軟件平臺(tái)

基于Windows環(huán)境開發(fā)，B/S架構(gòu)（也可以選用C/S架構(gòu)）。智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件平臺(tái)由監(jiān)測(cè)管理和設(shè)備管理兩部分組成一個(gè)完整的信息化管理系統(tǒng)。根據(jù)用戶需要預(yù)先設(shè)定各模塊參數(shù)和監(jiān)測(cè)管理參數(shù)，進(jìn)而在用戶查詢時(shí)能顯示雷電流監(jiān)測(cè)儀及SPD監(jiān)測(cè)儀、接地電阻監(jiān)測(cè)儀等模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、保存、實(shí)時(shí)報(bào)警、設(shè)備管理、協(xié)議管理、通訊管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能（圖3）。

系統(tǒng)能夠顯示全省易燃易爆場所防雷設(shè)施的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布、實(shí)時(shí)監(jiān)控全省單位（場所）防雷設(shè)施狀態(tài)、出現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)抓取關(guān)鍵信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)維護(hù)、歷史數(shù)據(jù)查詢和管理等。

3.2 硬件平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)總控主機(jī)集中控制與通信功能，硬件平臺(tái)中央處理器采用超大規(guī)模可編程ARM器件，多片CPU協(xié)同處理，達(dá)到多參數(shù)的高速測(cè)量、采集和傳輸?？紤]現(xiàn)場實(shí)際安裝的復(fù)雜性，在力求保持監(jiān)測(cè)精度的情況下，盡可能小巧而精致，根據(jù)實(shí)際的現(xiàn)場安裝環(huán)境及需求選擇一項(xiàng)或者多項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息，如SPD劣化狀態(tài)、SPD泄漏電流、SPD溫度、SPD接地狀態(tài)、電涌峰值、電涌入侵極性、電涌入侵時(shí)間、線路漏電、接地狀態(tài)、接地電阻阻值變化趨勢(shì)、工作電流/電壓、空開狀態(tài)、故障點(diǎn)位置定位、網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，并可以通過指示燈或聲音報(bào)警方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警（圖4）。

（1）接地電阻在線監(jiān)測(cè)儀。接地電阻在線監(jiān)測(cè)儀不僅需要能夠測(cè)量回路接地電阻阻值變化狀態(tài)，還需要在線監(jiān)測(cè)和實(shí)現(xiàn)測(cè)量金屬回路聯(lián)結(jié)電阻和接地狀況。一旦出現(xiàn)異常情況第一時(shí)間報(bào)警。考慮到使用環(huán)境的復(fù)雜性，要求設(shè)備自身防雷能力不低于100 kA。

（2）電涌峰值記錄儀。電涌峰值記錄儀主要是精確掌握入侵雷電流峰值、能量、極性、次數(shù)、時(shí)間等實(shí)時(shí)參數(shù)信息。基于此需求，雷電流峰值采集的精度要求不低于90%，雷電/電涌峰值記錄儀自身防雷能力不低于50 kA。同時(shí)，需要考慮能夠在不同的安裝環(huán)境內(nèi)的便利安裝，如實(shí)際現(xiàn)場的配電柜內(nèi)的主電源處安裝，則能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)軌安裝且不會(huì)影響柜門關(guān)閉。此外，為了能夠精確捕捉電涌入侵的信息，電涌峰值記錄儀的啟動(dòng)門限需能夠根據(jù)要求在出廠時(shí)進(jìn)行設(shè)置，如設(shè)置為500 A啟動(dòng)、設(shè)置為2 000 A啟動(dòng)等，且門限啟動(dòng)的精度不低于90%。需要提供實(shí)際的產(chǎn)品滿足對(duì)安裝環(huán)境、門限設(shè)置等的要求。

（3）在線智能SPD泄漏電流監(jiān)測(cè)儀。在線智能SPD泄漏電流監(jiān)測(cè)儀主要完成SPD泄漏電流變化狀態(tài)、溫度、劣化情況監(jiān)測(cè)，并同時(shí)采集到電網(wǎng)電壓、電流，一旦不符合后臺(tái)系統(tǒng)設(shè)定，即刻報(bào)警。為了能夠確保現(xiàn)場查詢并發(fā)現(xiàn)問題，在線智能SPD泄漏電流監(jiān)測(cè)儀需要能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場的管理，有TFT屏，便于現(xiàn)場查詢，能夠現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)配置和調(diào)教。一旦出現(xiàn)異常，能夠現(xiàn)場查看。但需要注意的是，SPD泄漏電流是微安級(jí)的且極易受環(huán)境中感應(yīng)電流的影響。因此，監(jiān)測(cè)儀采集器精度要達(dá)到微安級(jí)，且自身防雷能力不低于100 kA。在監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的使用時(shí)，也需采用智能算法，排除環(huán)境中的干擾電流，對(duì)SPD的實(shí)際泄漏電流變化趨勢(shì)和損壞情況進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

（4）SPD劣化監(jiān)測(cè)。SPD劣化監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇要在考慮現(xiàn)場已安裝設(shè)備位置有較大差異的實(shí)際情況，選擇具有電涌入侵計(jì)數(shù)、SPD接地狀態(tài)監(jiān)測(cè)、SPD遙信狀態(tài)監(jiān)測(cè)、空開閉合狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電涌入侵計(jì)數(shù)現(xiàn)場讀取、現(xiàn)場指示燈報(bào)警等功能，且外觀小巧，可以導(dǎo)軌安裝等要求?？赏ㄟ^RS485或ZigBee上傳數(shù)據(jù)。

（5）現(xiàn)場智能監(jiān)測(cè)主機(jī)。該主機(jī)需要實(shí)現(xiàn)可視化簡單操作，減少安裝及維護(hù)的工作量。設(shè)備必須能夠?qū)崿F(xiàn)如一鍵配置、遠(yuǎn)程升級(jí)及遠(yuǎn)程設(shè)置等簡易操作，并能夠現(xiàn)場通過智能監(jiān)測(cè)主機(jī)，完成對(duì)設(shè)備、各監(jiān)測(cè)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)等的設(shè)置，能夠通過MQTT傳輸協(xié)議即時(shí)完成消息推送、現(xiàn)場報(bào)警等。其中，現(xiàn)場報(bào)警可以考慮后續(xù)外接報(bào)警模塊、能夠通過指示燈區(qū)分報(bào)警的類別等。

考慮易燃易爆場所監(jiān)測(cè)內(nèi)容的復(fù)雜性，該主機(jī)需要具備后期二次接入功能，可對(duì)接可燃?xì)怏w、粉塵、煙霧報(bào)警等傳感器。

4 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)功能

整個(gè)系統(tǒng)的功能主要包括以下4個(gè)方面：通過對(duì)雷電流峰值、極性、能量數(shù)據(jù)采集及雷電入侵時(shí)間、次數(shù)等信息的采集，實(shí)現(xiàn)雷電/電涌信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)接地電阻阻值數(shù)據(jù)、SPD異常運(yùn)行、接地狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行等雷電防護(hù)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行異常報(bào)警。通過集成在智能網(wǎng)關(guān)中的算法設(shè)計(jì)、智能分析驗(yàn)證，與防雷站點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場監(jiān)測(cè)與報(bào)警。通過智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全省易燃易爆場所統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、設(shè)備精確定位、預(yù)警報(bào)警、短信發(fā)送、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、軟件控制等功能。

值得注意的是，考慮到設(shè)備有可能會(huì)在防爆環(huán)境內(nèi)使用，而SPD是防爆型或安裝在防爆箱里面，對(duì)SPD的監(jiān)測(cè)模塊必須防爆安裝的情況下，設(shè)備必須能夠自身防爆或安裝在防爆箱里面，監(jiān)測(cè)模塊能夠滿足環(huán)境防爆要求的前提下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

基于新需求，可在采集端安裝使用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控主機(jī)，并必須能夠完成前端的設(shè)置、查看、處理、報(bào)警等功能，確?，F(xiàn)場人員在突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)響應(yīng)并處理。

4.2 特色及優(yōu)勢(shì)

4.2.1 高效采集和智能接入

采用溫度，接地，電壓，電流，漏電等單個(gè)模塊輪詢采集方式。一般情況下，單個(gè)模塊采集時(shí)間為100～200 ms，一個(gè)管理單元的輪詢周期為1 s左右?？芍悄芙尤敫黝悅鞲衅?，并將各類設(shè)備根據(jù)需要聯(lián)動(dòng)管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)切斷和自動(dòng)聯(lián)通。

預(yù)警報(bào)警管理可適應(yīng)多種多樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：工位報(bào)警可獨(dú)立運(yùn)行，在中斷連接的情況下，也可以正常報(bào)警、切斷電源并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)恢復(fù)連接后可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)重新發(fā)送服務(wù)器存儲(chǔ)。在不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接中，可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)傳輸功能，提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

4.2.2 組網(wǎng)與數(shù)據(jù)推送

可實(shí)時(shí)連接底端采集模塊數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，第一時(shí)間進(jìn)行聲光報(bào)警，并切斷電源，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于1 s，并將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，響應(yīng)速度更快。

設(shè)備在64組傳感器中智能識(shí)別并主動(dòng)分配和管理，通過標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議與各傳感器通訊。采用MQTT協(xié)議與服務(wù)器之間進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)更便捷、可靠地組網(wǎng)。用極小的通信開銷（最短消息僅為2個(gè)字節(jié)），適用于多種流行編程語言，可模塊化發(fā)布/預(yù)定模型，使程序開發(fā)更為簡潔。將消息傳遞等級(jí)按類別分為3級(jí)并按需傳送，以此應(yīng)用于各種不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來滿足傳輸需求。

4.2.3 低功耗和通知推送

能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)省能源的要求。配合后臺(tái)系統(tǒng)，能第一時(shí)間將通知上傳及精準(zhǔn)推送，并能在無中介傳輸?shù)那闆r下發(fā)送指定數(shù)據(jù)，可以不局限于特定的操作系統(tǒng)進(jìn)行處理。（如通過APP端，實(shí)現(xiàn)在Apple IOS、Google play通知等）

4.2.4 防火墻容錯(cuò)

一些企業(yè)防火墻將出站連接限制到一些已定義的端口。這些端口通常被限制為HTTP（80端口）、HTTPS（443端口）等，而HTTP可以在這些情況下運(yùn)行。MQTT可封裝在一個(gè)連接下，顯示HTTP升級(jí)請(qǐng)求，從而允許在此類情況下運(yùn)行。

5 結(jié)束語

防雷設(shè)施智能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的啟用，會(huì)加強(qiáng)用戶對(duì)防雷裝置信息的收集和管理，能更精準(zhǔn)地預(yù)防雷擊事故造成的損失。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，可及時(shí)掌握現(xiàn)場狀況并封鎖遭受雷擊危害的通道，最大限度地減少雷災(zāi)造成的損失。

參考文獻(xiàn)

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