通信站智能雷电预警防护方案设计与实现

王伟 朱玉龙 宋威 吕翔

【摘要】    针对目前通信站在防雷方面普遍存在手段不足、效率不高的问题，梳理相关问题与需求，开展通信台站雷电预警方面的研究，为提升通信值勤效能提供支撑。

【关键词】    雷电预警    MEMS大气电场传感器    软件开发

针对通信台站偏远分散部署的特殊性，通信设备对供电、接地、温度、温湿度等防雷需求的高专业性，雷电发生存在随机性、地线电阻受外界变化存在不确定性，采用微机电系统即MEMS（Microelectro Mechaniacal System）大气电场传感器技术，通过数据离散型算法计算，实现雷电预警研判技术，研究智能采集监控技术，达到远程采集数据、准确判断故障和及时处理隐患的目的，实现雷击前自动断电避雷、雷击后自动恢复供电，将防雷由“被动保护”变为“主动预防”，为通信台站提供完善的雷电预警保护和监控系统，为重要通信设备稳定运行提供可靠保障。

一、通信台站防雷现状及主要问题

随着我国现代化建设和高精尖通信设备的深化发展，通信网络不断发展，网络密度不断增大，通信设备不断更新换代，各种通信设备对电源和防雷的要求也越来越高。雷击、供电波动、温湿度异常等环境因素常常引发通信设备故障，甚至导致设备损坏，有不少因雷击而出现通信台站业务中断的事故，特別是边境一线区域夏季来临，一些通信台站在雨天为避雷无奈只能关机等待，电信运营商也出现过因雷击造成通信台站设备被烧毁的情况。

1.1雷电对通信台站的危害

雷电灾害的破坏力是非常强大的，很多设备内部构件比较精密。在雷电波入侵之后，会进入到电气和线路通道中，瞬时间产生的高电压和涌浪电压都会对设备以及系统、网络产生较大的损害。不仅会造成线路的损坏，还会导致设备的损坏和系统的瘫痪，会给相关单位带来严重损失。近几年来，从各通信台站雷击过电压、过电流防护的应用效果来看，雷电灾害仍是通信台站面临的最为严重的自然灾害之一。

通过对黑龙江及内蒙古部分地区的85个电信基站防雷现实情况进行调查、研究和统计，仅2016至2018三年来，共计158台站次遭受不同程度的雷击，61部套设备因感应雷击损坏。

1.2通信台站防雷现状特点和主要问题

1.多数通信台站地处雷电多发地区。据不完全统计，仅2020年6月，监测到东北地区发生雷电事件共115015次，其中云地闪92517次，云闪22498次，雷电密度最高区域每十平方公里发生100次雷电事件。

2.通信台站所处地理位置和地质环境复杂。通信台站多分布在在高山、边境、海岛和城效地区，通常地理性质多是岩石或砂石地质的结构，接地装置防雷措施的实施成本比较高，并且效果通常不够理想。80%通信台站有联合接地系统作为保护，但是多数台站接地电阻不符合国标要求，其中某单位五常市沙河子站，地处山区，河床地质土层复杂，加上雷电次数较多，线路、设备多次遭受雷击导致路由器、协议转换器损坏，甚至造成室内照明线路断路，为此反复更换重建防雷接地线，但仍无法改变因雷击造成设备损坏的情况。

3.通信台站机房整体防雷保护简单。多数台站因建造年限较长，当年建造的防雷保护措施简单，机房的建筑结构以及屏蔽效果都没有办法满足目前数字通信设备的防雷需求，即使是对原有的建筑物进行改造，取得的效果也是非常有限。

4.通信设备基本无防雷保护措施。通信台站设备防雷保护措施方面过于简单，除开关电源和主要大型通信设备自身的浪涌保护器外，无专门的防雷保护设备，其他小型设备和附属设备除引接地线基本无防雷保护措施。

二、通信台站雷电预警系统的设计与实现

在进行防雷保护时，我们仅仅依靠简单被动的防雷设置，无法满足预期的保护需求，所以，要在系统中进行“主动”防雷预警保护，要通过设备的改造，提高设备运行的安全性。本文设计的智能防雷装置引入了智能计算、传感器技术和物联网技术，开创性的提出了“智能防雷”新理念，通过电场传感器感应到雷电电场后，经过处理器分析处理，控制自动开关断开，达到彻底隔离雷电的目的，在传感器感应不到雷电电场后，处理器发出指令控制自动开关闭合，恢复交流供电，进而将防雷由“被动保护”变为“主动预防”。

2.1系统工作原理

闪电是大气中雷雨云（带电的雷云）电荷积聚到一定程度产生的大气放电现象。雷雨云对地面某处的电场强度变化规律与该地是否有雷击发生有非常高的关联性，雷雨云对地面产生一个静电场E，E的强度与雷雨云带的电荷成正比，当电荷增加时E也增大，当E增大到一定程度后击穿空气放电，即为雷击。

雷电预警系统设计原理，电场传感器感应到雷电电场后，经过处理器分析处理，控制自动开关断开，此时雷电被断开不能进入通信设备，彻底隔离雷电，此时通信设备由蓄电池或UPS等辅助备用供电设备临时供电，等待柴油发电机组启动后转由柴油发电机组供电;当传感器感应不到雷电电场后，处理器发出指令控制自动开关闭合，恢复正常交流供电。

2.2雷电预警系统组成

雷电预警系统主要由MEMS地面大气电场传感器、处理器、控制单元、预警装置自动开关、防雷单元、交流输入和交流输出单元、网络通信单元等部分组成。系统框图如图所示。

2.3雷电预警系统阈值设定和数据采集分析

1. 雷电预警系统阈值设定

保证大气电场雷电预警准确的关键核心是预警阈值的设定，因此方面目前暂无国家标准，目前普遍采用两种阈值设定方式。第一种是绝对值设定方式，一般按经验设置在3-5kv/m，大气电场高出绝对值即告警。这种方式简单，但因安装高度、周边环境等影响较大，误报率较高，准确率一般在50%左右。第二种方式是电场值离散型判定方式，这种方式的机理是：无雷电时，电场值波动非常小，电场采集数据离散性较小，一般小于0.3;雷雨云生成过程或附近有雷电接近时，电场值波动变大，电场采集数据离散性变大，一般大于1。这种方式避开了安装后需长时间实地标定校正和系统易受安装高度、周边环境影响而引发误报等缺陷，大幅提升了雷电预警的准确程度，准确率达到75%以上。

2.雷电预警系统阈值设定和数据采集分析

数据离散性的基本计算方法为均方根误差法，即STDEV。基于样本估算标准偏差。标准偏差反映数值相对于平均值（mean）的离散程度，STDEV假设其参数是总体中的样本。如果数据代表整个样本总体，则应使用函数STDEV来计算标准偏差。VAR函数计算样本方差（n-1），开方得到STDEV;VARP函数计算总体（population）方差，开方得到STDEVP。方差分析常用VARP乘以数据个数，也常用SUMSQ求平方和。

三、通信台站智能雷电预警防护方案设计与实现

针对当前通信台站对于数字通信设备的特殊防雷需求，我们研究设计一套完善的适用于通信台站设备的智能雷电预警防护方案，可远程集中监控通信台站的防雷器状态、供电电压、零地电压、温湿度等数据，实现异常时迅即报警和进行有效的防雷处置。

3.1整体系統框架方案

方案初步设计由智能雷电预警装置、三级智能防雷器和智能防雷软件系统三部分组成。三级智能防雷器分为B、C、D三级。B级防雷器安装在通信台站的总配电处，C级防雷器安装在通信台站的机房配电处，D级防雷器安装在各设备机柜处，雷电预警装置安装在总配电处，负责控制总配电开关。各级防雷器和雷电预警装置采集到的电压、零地电压、温湿度等数据通过网络传输到服务器，智能防雷系统软件部署在服务器上，工作机（可以同时多台工作机访问服务器）通过网络采用web方式查看实时数据，获取报警信息。

3.2智能防雷器设计

智能防雷器采用先进的传感器技术和物联网技术设计开发，B、C、D三级防雷器的基本原理相同，只是采用的放电器件不同。下面以B级防雷器为例说明智能防雷器的设计原理，智能B级防雷器采用并联方式，A、B、C三相和零线并联4个间隙放电模块，从地线汇接点采集雷击计数，智能监控模块从A和N监控电压和零地电压，温湿度传感器监测温湿度数据，从防雷模块采集其状态，以太网输出数据。

3.3系统软件总体设计

系统构架上为方便应用，方便数据集中管理，系统采用B/S构架，浏览器获取各类数据和报警信息，免去了使用电脑安装应用端的环节。软件开发平台采用Eclipse，开发语言采用JAVA。

智能防雷系统软件设计，具体分为数据接收模块、数据质量监控模块、数据入库模块、数据分析处理模块、基于GIS显示模块、异常报警模块、查询模块等7部分组成。

通信台站智能雷电预警防护方案针对通信台站偏远分散部署的特殊性，采用先进的大气电场雷电预警技术，实现雷击前自动断电防雷、雷击后自动恢复市电，达到了主动防雷的目的;同时本文进一步研究了通信台站智能雷电预警完善的防护方案，重点关注通信设备的感应雷击防护，设计B、C、D三级智能防雷系统，监控实时的电压波动、零地电压、温湿度、防雷器状态、雷击数量等关键参数，避免出现防雷空档期，及时发现配电故障，避免雷击引起的信息孤岛等现象，确保通信稳定正常;软件系统采用了GIS（电子地理信息系统）展示和操作，可以实时展示智能防雷系统中各防雷和预警设备的工作状态、工作电压、零地电压、温湿度、雷击次数等数据，提高了全网设备查询、统计的效率，同时兼顾直观性、可视性、实时性，同时系统可以通过远程控制D级智能防雷器端口关闭和开启以实现对设备的实时保护。

参  考  文  献

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