浅谈智能物联技术在雷电预警监测系统中的应用

周宗国 胡彬 杨时宽

摘 要： 雷击是自然界的一种放电现象，巨大的雷击电流足以瞬间击穿绝缘体，使设备发生短路，甚至导致燃烧、爆炸等直接灾害，从而严重影响了电力系统的稳定性和可靠性。同时，由于传统的雷电计数仪存在巡线难，实时难，统计难等问题，在此本文介绍了新一代的智能雷电计数仪。从智能雷电预警监测系统的发展角度，系统介绍了智能物联技术在新一代的智能雷电计数仪上的应用。

关键词： 智能；物联；LORA；无源

1 引言

1.1研究雷电计数仪的目的

在电力系统中，雷电放电产生的雷电过电压或大气过电压，会造成输电线路和发电厂、变电站配电装置等的绝缘发生故障，从而引发停电事故[1]，对人们的生产生活带来诸多不便和巨大财产损失。据有关资料显示，全世界每年由于雷电灾害造成的经济损失高达数百亿美元。因此，在现代电网建设中[2]，配备了大量的防雷设备和实施，比如接闪器、波阻器、波阻隔离器、复合绝缘横担等防雷产品，有效提高了电网运行的稳定性和可靠性。

为了掌握这些防雷设备设施在电网中运行的有效性，就需对电网运行状态和雷击数量、时间等信息进行实时采集和分析。因此就有了记录雷击数量、时间、落点等信息的设备——雷电计数仪。

1.2 智能雷电计仪在电网防雷领域中的优势

伴随着中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅速发展，电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大。但同时，随着线路的增长和杆塔數量的增多，每次巡线都需要人工逐项检查每级杆塔的雷电计数器的数据，效率低下，繁杂异常。

传统的雷电计数仪是直接安装在避雷器的下引线上，用指针计数雷击，无法记录雷击时间，最大的计数也只有9次。需要读取雷击数据时，须用望远镜或者上杆塔去读取数据，极大的浪费了人工。

而新型的智能雷电计数仪摆脱了传统的雷电计数仪的设计，基于433M无线通信方式并且采用了智能雷电计数仪（塔上机）的雷电感应端与的主机之间采用分体式设计，并且不需要上塔读取数据，只要在主机的通信范围内，用手持机与塔上机进行通信，即可收集相应的雷击信息，解决了工人巡线难的问题。

1.3 现代智能雷电预警监测系统

现代智能雷电预警监测系统基于现代物联网技术[3]，如图1所示。利用智能雷电计数仪（塔上机）监测和记录被监测杆塔被雷击参数（雷击地点、雷击时间、雷击数量等），智能雷电计数仪（手持机）作为交换信息载体，通过上位控制计算机上将雷击信息上传到云服务器，便于管理者在手机APP上进行监管和查询，提高决策的时效性和科学性。

2 技术方案

2.1智能雷电计数仪（塔上机）的原理框图（如图2所示）

2.1.1 智能雷电计数仪工作原理

雷电的放电都是瞬时放电，放电时间时间短、电流大，直接耦合会带来很大的破坏。雷电波形如图2.1所示。

智能雷电计数仪（塔上机）的雷电感应端通过非物理接触——电磁感应的方式形成感应电流，再经过电路整形、编码，然后通过通讯模块传送出去。

智能雷电计数仪（塔上机）的主机接收到感应端的通讯信号后，经解码电路，解析出相应的雷击信息，并由MCU进行解模糊和恒虚警处理后保存到存储器中。当主机收到来自手持机的查询及控制请求时，及时将存储器中的雷击信息发送到手持机上并响应手持机的控制操作。

2.1.2智能雷电计数仪（塔上机）的技术要点

（1）低功耗、脉冲收发技术

智能雷电计数器（塔上机）选用优质的、高可靠性的低功耗芯片，并在接收、发射电路设计上采用脉冲宽频收发技术，用使能信号控制收发系统工作如图2.2所示。这样的设计让设备电池使用寿命可以达到5年以上。

（2）远距离双无线通讯

智能雷电计数仪（塔上机）与感应端、手持机之间采用无线FSK通讯技术，抗干扰能力强，省去了各单元间的连接线缆，提高了设备的可靠性和可维修性。

采用FSK（Frequency-shift keying）通讯技术（如图2.3所示）：频移键控——用数字信号去调制载波的频率。是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是： 实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。广泛应用于中低速数据传输中。

感应端和主机的最大通讯距离为≥300m

塔上机与手持机的最大通讯距离为≥1.5Km

（3）具有较强的组网功能

智能雷电计数仪（塔上机）相互之间采用LoRaWAN？通讯技术。LoRaWAN？定义了网络的通讯协议和系统架构，而LoRa？物理层能够使长距离通讯链路成为可能（如图2.4所示）。协议和网络架构对节点的电池寿命、网络容量、服务质量、安全性、网络的各种应用服务质量等影响最大。LoRa？是基于线性调频扩频调制，它保持了像FSK调制相同的低功耗特性，但明显地增加了通信距离。LoRa？的优势在于技术方面的长距离能力，这样各智能雷电计数仪（塔上机）之间就具有了组网功能，实现信息共享，在不依靠公网的情况下可以将信息传递到尽可能远的地方，在一定程度上组成了一个自己的雷电预警监测网络，手持机只需与网络中的任一塔上机连接，就可查询和控制网络中的任一塔上机。

（4）感应端无源设计

感应端采用人工线（如图2.5所示）储能技术，将感应到雷电能量储存下来，以供编码通讯等后续电路使用，使感应端的设计真正实现无源化，零消耗化。

2.2 智能雷电计数仪（手持机）

智能雷电计数仪（手持机）作为雷电信息传递的载体，将塔上机记录的雷电信息转移到上位计算机上，并对塔上机进行远距离的控制和维护。智能雷电计数仪（手持机）的操作界面采用C语言开发设计，人性化程度高，具有较好的可交互性。

智能雷电计数仪具有链路通信和单机通信两种通信模式。

2.2.1链路通信（群呼模式）

链路通信：表示同一条线路的塔上机可以相互通信，比如11号线有10台塔上机，编号依次从1到10，那么在巡检1号机的时候，就可以使用链路通信功能查询1到10号机的所有信息。链路通信的前提是1到10号塔上机相邻两台塔上机的距离必须在规定距离内，方可通信成功。

2.2.2单机通信（点名模式）

单机通信：表示使用手持机对塔上机进行点对点的通信。

3 实际测试

3.1 模拟雷击测试

智能雷电计数仪在GIC冲击电流控制设备实际测试情况：

模擬的电流波形如图3-1所示。

根据大自然雷击的不同，测试了不同电流下，塔上机对雷击的计数。实验结果如表3-1。

实验结果表明，智能雷电计数仪（塔上机），经过了模拟雷击测试，塔上机能够准确地记录雷击的信息，并且具有较好的稳定性和抗干扰能力。

3.2塔上机通信测试

在塔上机设计完成以后，还需要进行相关的通信测试，测试其功能是否正常。

链路通信需要连续ID的塔上机，测试方式为把几台连续ID 的塔上机放在一定距离的位置，手持机在第一台的塔上机旁，直接通过手持机的链路通信唤醒，在规定的时间内收到所有塔上机的雷击状况。单机通信测试的是手持机与一个塔上机的通信，输入与之通信的塔上机ID号，就可以与之通信，获取塔上机详细的雷击信息。链路通信测试如图3-2，单机通信结果如图3-3。结论为均测试成功。

4 总结与展望

智能雷电计数仪是新一代的雷电计数仪，相比于传统的雷电计数仪，具有更准确、更详细、更快速的数据统计分析能力。同时减少了人工成本，降低了操作风险，解决了工人巡线难的问题。

随着智能物联网技术的发展，智能雷电预警监测系统功能将得到不断的丰富和发展，包括组网、测温、定位等功能。智能雷电设备在电力系统的应用，能实时获取杆塔线路的各项信息，从而让电网变得更加智能化，信息化，对电力系统的稳定安全发挥着更重要的作用。

参考文献

[1] 胡浩. 基于FPGA的闪电信号处理研究[D]. 华中科技大学， 2011.

[2] 王莹. 雷电放电电流模型的研究[D]. 云南师范大学， 2013.

[3] 石志国，王志良，丁大伟.物联网技术与应用.北京：清华大学出版社， 2012年8月.

作者简介：周宗国，安顺供电局，561000，工程师。