防雷设施智能监测在云湛高速公路中的应用

车现法，陈 波，王光博，饶辉新

(1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100070；2.广东省南粤交通云湛高速公路管理中心，广州 510100；3.广东华咨圣泰科技有限公司, 广州 510530)

0 引言

交通运输部 2016 年全国交通运输工作会议提出，到 2020 年“十三五”发展目标完成时，我国交通运输的现代化进程将迈上新的台阶。加快推进综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通建设,加快完善综合交通基础设施网络,加快提升综合交通运输供给能力和服务品质，不断提高创新能力，不断提升安全生产水平，不断增强国际竞争力，不断深化党风廉政建设。“髙效、安全、智能、环保、舒适、文明”将是今后高速公路建设的重要目标。

会议提出了“智慧交通”的基本理念，明确在交通领域中充分运用物联网、云计算、人工智能、自动控制、移动互联网等现代电子信息技术，实现行业资源配置优化能力、公共决策能力、行业管理能力、公众服务能力的提升，为今后高速公路的建设和发展提出了更高的要求，推动交通运输更安全、更高效、更便捷、更经济、更环保、更舒适、更智能地运行和发展，带动交通运输相关产业转型、升级。

1 工程概况

汕头至湛江高速公路云浮至湛江段及支线工程(以下简称“云湛高速”或“本项目”)位于粤西沿海地区，年平均雷暴日高达94.6d，属于高雷暴区。全线设置3处路段管理(分)中心，2 处管理分中心；28处匝道收费站，2处主线收费站，6处养护工区，5处服务区，7处停车区。此外，全线有隧道5座。各管理机构处设置有设备机房，内设计算机管理系统、CCTV视频监控系统和通信机房设备等，另配有变电所设备；收费站广场设置有收费棚、收费监控摄像机、车牌识别设备、ETC车道设备、车道指示设备、栏杆机、称重设备、收费亭及亭内计算机系统、广场照明灯杆、户外配电箱等；道路外场设有监控摄像机、ETC自由流门架、RFID标识点门架、高清卡口、户外设备机柜和配电箱等；隧道区域有区域控制器、车道指示器、紧急电话、广播、监控摄像机、悬臂式可变信息标志、交通信号灯、亮度检测器、光纤光栅火灾传感器、声光警报器、火灾报警系统、烟感火灾探测器、温感火灾探测器、电光指示标志等。

这些设备以安装特点分主要有：户外门架、户外柱式、户外基础、建筑室内、收费棚下和收费亭内等；以配线特点分主要有：光缆连接和电缆连接等。系统防雷设计针对性配置了避雷针、电源防雷器、信号防雷器和接地设施。

目前，传统项目一般均配置有雷击防护设施，但未进行雷电流、雷击次数和接地电阻值等的在线监测。日常运营维护和事故处理基本依靠人工巡检制度，周期长、抽查面小，不能及时发现防雷设施出现的问题和潜在危害，可能诱发重大事故，造成系统瘫痪，带来难以预计的人员伤亡和财产损失。

2 智能防雷监测的存在问题

雷电已成为电子设备受损主要的灾害之一，随着“智慧交通”的不断推进，越来越多的电子电器设备应用于公路建设和运营中，雷电灾害对高速公路的影响也越来越显著。

当前，高速公路防雷系统建设及运维中长期存在以下问题：

(1)防雷系统和设施缺乏统一规划、缺乏区域性雷电数据作为支撑而导致的设计针对性不足。

(2)防雷系统和设施运维中，人工检测维护效率低、周期长，导致存在漏检、误检等现象。

(3)由于目前用于判断SPD有效的U1mA和漏电流两个检测参数均存在“拐点效应”，无法及时判定防雷设施的老化程度及有效性，致使防雷设施不仅不能有效防雷，还会干扰系统或设备的正常运行，严重时还可能成为灾害性事故的诱发因子，存在较大的安全隐患。

3 防雷设施智能监测系统的作用

为充分了解区域遭受雷击的状况，并对各建筑物和电子信息系统防雷装置进行在线监测、管理(损坏、老化、漏流值、接地状态及阻值等)，本文以云湛高速公路为依托，研究设置防雷装置远程智能监测管理系统。其主要作用如下：

(1)通过该系统可以实时监测保护模块的工作状态，一旦出现异常立即发出声光报警并可将异常信息传至远程监控中心，提示操作人员及时更换保护模块，以确保防雷装置的有效性。

(2)通过该系统所特有的雷电流监测记录功能，可以准确地知道供电线路是否遭到过雷击以及遭受雷击的时间及强度，利用系统中记录的数据，可以为雷击事故的事后分析及责任认定提供有力的技术支持，也为安全资金有效投入提供可靠性材料。

(3)该系统同时可以与其它安全系统建立接口协议，可实现与消防、监控系统联动，当发生雷击起火时能够第一时间实现联动灭火，在灾害可控的黄金时间立即动作，消除灾害于萌芽之中。

(4)可以在设备接地端安装接地连接状态信息采集点，对接地电阻在线监测。

4 防雷设施智能监测系统的研发

智能防雷监测是以物联网理论和技术为基础，系统由感知层、网络层和应用层构成。感知层通过数字传感技术实时获取被感知对象的数据信息；网络层通过各类通讯网络与互联网的融合，将对象数据信息实时准确地传递出去；应用层将感知层获取到的数据信息进行综合处理，实现最终的实际操作和功能应用。其设施配套主要功能包括雷击计数，防雷器工作状态监测，防雷器寿命计算预测，雷击强度、能量分析和波形数据监测，接地装置电阻值监测等，主要任务是负责对数据信息进行迅速、可靠的采集、分析和传输。

云湛高速公路防雷设施智能监测系统以防雷器(SPD) 各功能监测模块、雷电监测仪、地阻监测仪等终端感知层设备作为研发的重点，在防雷器(SPD)有效性检测方法的基础上，实现其在线监测，同时对雷电发生状态参数和接地装置运行状态参数进行监测，也是系统功能的基础和关键。因此，感知层数据传感器的性能也决定了系统的实用价值和应用效果。

4.1 防雷器(SPD)有效性(寿命)算法

防雷器有效性(寿命)算法，是结合了多参数监测的一种在线分析防雷器寿命和失效的算法。其通过同时监测防雷器泄放雷击次数、漏电流、工作温升、温升速率、在线时间、工作状态参数，进行综合分析计算，并控制不同参数整体比重和加权因子，最终得出防雷器寿命与失效时间的计算。相比依靠单一数值进行的防雷器寿命与失效时间计算，准确性较高。某型产品的有关测试数据取样如图1～图3和表1所示。

图1 工作状态与伏安

表1 某直径20mm基片浪涌寿命次数

图2 不同初始损耗值的3个MOV预期寿命随速率常数的变化曲线

图3 试验条件下压敏电阻寿命与绝对温度倒装的Arrhenias曲线

4.2 防雷器(SPD)有效性(寿命)在线监测

防雷器(SPD)在线监测融合了多参数监测及上述防雷器(SPD)寿命预估算法。相比较单一的防雷器工作状态、后备断路器工作状态和雷击次数等监测参数之外，还加入了防雷器漏电流监测、防雷器工作温度监测、防雷器安装环境温度监测、防雷器工作温升监测、电网供电状态等监测功能。此外，将防雷系统检测标准中的检测项目也纳入到了监测项目中，更深入地对防雷器的工作动态参数进行跟踪监测，相对于检测标准中的静态参数检测，更能体现出防雷器的实际运行状态，更有利于对防雷器的寿命给出一个相对准确的预判，进而可及时判别和更换安装在重要位置的过度劣化的防雷器。

防雷器(SPD)在线监测仪主要包含漏电流监测模块、温度监测模块、雷击计数模块、开关量监测模块、时间模块、单片机、电源模块、显示模块、远程通信报警模块、电源浪涌防护模块、有线通信浪涌防护模块等。漏电流模块将线路中uA或mA级电流转换为电压信号，温度监测模块将温度转换为电压信号，开关量监测模块将开关状态转换为电压信号，时间模块为系统提供基准时间信息，雷击计数模块当发生雷击时产生一个电压脉冲。单片机依据这些采集模块传回的信息，再利用寿命算法进行寿命计算，并将这些信息与寿命信息存储在FLASH模块中用于显示与远程通信。有线通信浪涌防护模块在通信线进入通信芯片前提供最大600A的感应浪涌防护。SPD监测原理如图4所示。

图4 SPD监测原理

4.3 雷电发生参数在线监测

防雷器(SPD)雷电参数在线监测可对雷电流的波形、峰值、极性、能量、次数和时间参数进行监测，对雷电波的侵入途径、能量大小、侵入频率进行分析，同时为该区域雷电防护系统改进提供重要的实测雷电环境参数。

雷电监测仪主要包含罗氏线圈、积分模块、高速A/D转换模块、时间模块、单片机、电源模块、远程通信报警模块、电源浪涌防护模块、有线通信浪涌防护模块等。单片机与高速A/D转换模块、时间模块、电源模块、远程通信报警模块相连。前端使用磁饱和度高的，波形响应良好的罗氏线圈，对接地引下线在发生直击雷时感应到的大电流强电信号，经过积分模块对波形还原并转换为电压波形，A/D采集模块对电压波形进行高速采集并转换为数字信号，交由单片机读取。单片机依据内部计算方式还原波形，统计雷电流的峰值、极性和能量，并依照波形发生时时间模块的记录统计雷击发生时间。这些信息存储在FLASH模块中，用于远程通信。有线通信浪涌防护模块在通信线进入通信芯片前提供最大600A的感应浪涌防护。雷电监测原理如图5所示。

图5 雷电监测原理

4.4 接地装置电阻值在线监测

接地装置电阻值在线监测主要包括接地引下线的连接状况、回路接地电阻值、金属回路联结电阻值等接地参数，可以实现在线测试和非接触测量。监测装置采样由一个电压线圈和一个电流线圈组成，电压线圈提供激励信号，用于在被测回路上感应一个电势，在电势的作用下将在被测回路产生电流。设备对电势和电流同时进行测量，中央处理器将采集的数值进行计算和分析，并最终得到阻值后通过数字通信系统对外传输。由于与接地装置之间并无直接连接，雷电能量只能通过线圈的感应传入内部，而这个能量相对较小，通过雪崩二极管或齐纳二极管等半导体元件即可防护住，使得产品可以长期、实时、可靠、有效地对接地装置进行监测，及时发现接地装置的故障而进行维修，大幅度减少其引起的风险。

接地电阻测试仪包含纳米晶电磁感应线圈、单片机、电源模块、远程通讯报警模块、电源浪涌防护模块、线圈浪涌防护模块、有线通信浪涌防护模块等。纳米晶电磁感应线圈分为电压线圈和电流线圈；单片机连接有A/D转换模块、D/A转换模块、FLASH模块、显示模块、通信模块、电源模块。电源模块将市电转换为内部设备所需的直流电，而电源浪涌防护模块提供最高5kA感应浪涌电流的防护能力。单片机产生一个数字信号，D/A模块转换为频率信号后，由电压芯片为被测环路注入一个固定峰值的电压信号；再由电流线圈采集被测回路中经过欧姆定律变化后所得到的电流值，经A/D转换后再交由单片机进行回路阻值的计算。单片机依据计算所得阻值自动进行量程切换后再通过以上步骤进行准确阻值计算，并将所得阻值存储在FLASH模块中交由通信模块进行对外的数据传输。有线通信浪涌防护模块在通信线进入通信芯片前提供最大600A的感应浪涌防护。接地电阻测量原理如图6所示。

图6 回路电阻测量原理

5 软件平台总体架构和系统功能

5.1 软件平台的总体架构

云湛高速公路防雷设施智能监测软件平台可分为支撑层、网络层、数据层、展示层、用户层等，其总体架构如图7所示。

图7 智能监测系统架构

5.2 软件平台的信息处理功能

信息处理系统包括信息接收、信息存储、信息分析等功能。

信息接收：开发接收服务程序，对采集终端发送来的数据包进行接收，按照接口协议对收到的数据包进行解析，以获取防雷设备最新的工作参数。

信息存储：对获取到的防雷设备参数，按照业务分类存储到对应的数据库表中。由于数据量比较大，需要对数据按时间轴进行分区存储，以便加快后续的检索速度。同时要对数据进行定时快照，以免丢失有用的数据。

信息分析：按照预定的算法对各工作参数进行智能分析，得出各防雷设备的工作状况及劣化程度(使用寿命)，并根据分析结果更新防雷设备的状态(正常/异常/离线)。

5.3 软件平台的信息管理功能

信息管理系统包括人员管理、机构管理、设备管理、信息展示、信息预警、统计分析及总结报告等功能。

人员管理：设置系统用户的账号、登录密码等，并设置各用户的权限，具备新增、修改和删除人员信息等功能。

机构管理：维护机构的各项参数，包括机构名称、负责人、联系方式等，并设置机构管理的路段，具备新增、修改和删除机构信息等功能。

设备管理：对设备信息(设备编号、设备名称、所处路段或者站场、所处桩号、设备类型等等)进行维护，主要包括设备注册、设备信息维护、设备报废等功能。

信息展示：以可视化的方式，展示设备的状态，并在显眼位置展示相关的预警信息，做到界面美观、简捷，信息高度集成。

统计分析：实现对各项数据的统计分析，形成各类同比环比数据表格、图表等。

总结报告：对数据进行综合分析，对整体防雷状况做出科学的评价。

6 防雷设施智能监测系统运行状态

表2列出了云湛高速公路防雷设施智能监测系统装设应用后有关设备的部分特征运行情况。

表2 云湛高速公路防雷设施智能监测情况记录

通过报警信号和监测数据，管理人员迅速查找到了故障位置，并分析排查了故障原因，及时处理，消除了故障和安全隐患。

7 结语

防雷设施智能监测系统通过现代的信息技术、控制技术和计算机技术等高新技术手段，结合高速公路的综合管理需求，充分挖掘、整合和共享底层设施的有效管理数据，实现将数据组织成为信息，将信息融入管理，使管理为防雷设施的正常工作，乃至交通运营和规划决策服务，从而全面提高了高速公路管理系统的运行效率和服务水平。该系统有效地克服了人工对防雷设施巡检不足的问题，一方面对高速公路防雷设施预防性养护工作起到了较大的推动作用；另一方面，确保了防雷设施的有效性，能够将雷电灾害所造成的经济损失以及由此引起的交通安全隐患减少到最低，无论从经济效益还是社会效益来说都具有积极的现实意义。