物联网支持下的广电发射台智能防雷监测系统

2023-11-20武志英

电视技术 2023年8期

武志英

（锡林郭勒盟东乌旗732电台，内蒙古锡林郭勒 026300）

0 引言

广播电视发射台作为信息传输的关键环节，面临雷电等自然灾害带来的风险。物联网（Internet of Things，IoT）技术的迅速发展，推动了广播电视发射台智能防雷监测技术的迭代升级。本文旨在探讨物联网技术在广电发射台智能防雷监测系统中的应用，以提升设备的稳定性和安全性。

1 物联网技术概述

1.1 物联网技术的概念

物联网技术是一种通过互联网连接和交互的方式，将各种物理设备、传感器和对象互相联系，实现信息的采集、传输、处理和控制的技术。它使得物体能够共享数据、智能化地交互，促进了智能城市、工业自动化、健康监测等领域的发展。物联网技术通过无线通信、云计算和大数据分析等手段，实现了物体间的实时连接，为各行各业带来了更高效、智能的解决方案[1]。

1.2 物联网发展现状

物联网的发展已经取得了巨大的进展，正在改变着人们的生活和各行各业的运作方式。物联网已广泛应用于工业、农业、城市管理、健康医疗及智能家居等领域。工业物联网帮助实现了智能制造、设备监测、预测性维护等，提高了生产效率。农业物联网使农民能够远程监控农田、精准施肥，提高了农作物产量。物联网需要处理庞大的数据量，云计算为其提供了存储和计算能力，大数据分析则帮助从数据中提取有价值的信息，支持决策制定。物联网在城市管理中发挥着重要作用。智能交通、智能停车、环境监测等方面的应用，有望提高城市的可持续性和生活质量。随着物联网设备数量不断增加，边缘计算允许数据在设备本身进行处理，减少了数据传输延迟，提高了响应速度。总的来说，物联网正逐渐从概念走向实际应用，不断拓展着其在各个领域的影响力，未来仍将持续创新和发展[2]。

2 广电发射台防雷概述

2.1 雷电对广电发射台的危害

雷电对广播电视发射台造成严重危害。雷电击中发射塔或其他设备，可能导致设备损坏、系统故障甚至停播，影响节目传输。电磁脉冲产生的电磁辐射可能影响信号质量。雷击还可能引发火灾，威胁人员安全。此外，雷击会导致地面电位差，引发设备之间电压差，导致设备损毁。

2.2 发射台现有防雷措施

广播电视发射台的防雷措施是确保设备和运营安全的关键措施之一。目前，广播电视发射台一般采取多种防雷措施来减轻雷电对设备的危害，具体如下。第一，避雷针系统。发射塔等高耸结构安装避雷针，通过将雷电引向避雷针，将雷电电荷分散到大地，降低雷击危险。第二，避雷接地系统。发射设备通过合适的接地系统将雷击产生的电流引导到地面，减少电气设备损害风险。第三，避雷器。避雷器（Surge Protection Device，SPD）用于限制过电压，保护设备免受雷击和电气干扰。第四，设备内部保护。在设备内部使用避雷器、继电器和隔离装置等设备，以保护关键元件免受雷击影响。第五，监测系统。定期检查设备，确保避雷系统和接地系统的有效性，使用环境监测设备监测雷电活动[3]。

2.3 物联网智能防雷监测系统概述

物联网智能防雷系统以云物联、智能传感、移动物联等物联网核心技术为基础，以互联网+物联网智能硬件+数据中心的模式构建。此模式以智能云平台为主要管理系统，不需要建设机房，能够有效降低广播电视单位的建设成本。物联网智能防雷系统支持PC端、手机端或其他移动终端等多种登录模式，用户通过多样化的登录渠道完成设备的集中监控、运营维护、数据管理等工作。物联网智能防雷系统支持对直击雷、感应雷、电涌保护器、接地电阻及雷电环境等的监测功能，凭借移动物联网和云物联网实现分散多地的无人站点联网监控与管理。

2.4 物联网智能防雷监测系统的优点

物联网智能防雷监测系统具有许多优点：第一，它实现了实时雷电监测和预警，通过感应设备捕捉雷电活动，及时向运维人员发送预警信息，使运维人员得以提前采取保护措施，降低设备损害风险；第二，该系统提供了多种监测功能，包括智能雷电预警、直击雷监测、感应雷监测等，使发射台可以全面掌握雷电情况；第三，系统还可以监测发射塔、建筑物和机房的接地电阻，确保设备的有效接地，从而减少雷击危害。物联网智能防雷监测系统还具备远程监控和管理能力，运维人员可以通过云平台远程监控设备状态和雷电信息。系统可自动记录数据，支持数据分析，有助于了解雷电分布规律，优化防雷策略[4]。

3 物联网支持下的广电发射台智能防雷监测系统

3.1 发射台物联网智能防雷监测系统

物联网支持下的广电发射台物联网智能防雷监测系统以移动物联网智能防雷监测系统作为管理中心，下设智能雷电预警、直击雷监测、智能防雷箱、智能接地电阻监测、感应雷监测、智能SPD监测以及智能管理平台，架构如图1所示。

3.2 物联网智能防雷监测系统的主要功能

3.2.1 智能雷电预警

智能雷电预警包括雷电预警电场探测传感器和智能监测模块。智能监测模块配备传感器等感应设备，将电场、电磁场等信息采集后传输至智能云平台，相关数据会传输至监控中心。运维人员针对不同的预警信息采取针对性策略，以减少安全隐患与安全事故。智能雷电预警电场探测传感器采用国内自主研发的微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技术。该技术具有灵敏度高、功耗低、抗静电干扰、环境温湿度适应力强等优点，代表企业包括歌尔股份、瑞声科技、美新半导体、深迪半导体、美泰科技、迈瑞微以及敏芯微电子等。

当前，市场上主流的雷电预警电场探测传感器性能指标如下：测量范围-50～50 kV·m-1，电场值分辨率≤0.02 kV·m-1，雷电预警范围≤20 km，预警时间≤30 min，响应时间1 s。通过雷电预警电场探测传感器及时探测出本地及远程的雷电的形成与发展情况，提前给出预警信号，便于管理人员做好防雷电准备工作[5]。

智能雷电预警具备以下特点和优势。第一，实时监测。传感器分布在不同地点，能够准确感应雷电活动，捕捉雷电电场、电流等信息，确保实时监测。第二，数据分析。通过采集的雷电数据，系统能够分析雷电的分布、频率、强度等特征，预测可能发生的雷击情况。第三，预警通知。一旦系统监测到潜在的雷电风险，它会立即发送预警通知给相关运维人员，让他们能够迅速采取必要的措施。第四，自动化决策支持。系统可以根据预测的雷电情况，自动触发防雷设备的工作，如关闭关键设备、断电，从而降低设备损害风险。第五，降低停播风险。智能雷电预警系统的及时性有助于减少因雷电引发的设备故障或损坏，从而避免节目中断和停播。

3.2.2 直击雷监测

直击雷监测系统由柔性罗氏线圈传感器和智能电流监测模块组成。该系统最多支持监测4路直击雷电流，并将传感器采集的数据上传到智能云平台管理系统。当接闪器或线路遭受雷击入侵时，柔性罗氏线圈传感器立即采集雷电流信息。当前市场主流的智能电流监测仪性能指标如下：测量精度±10%，采集范围1～50 kA，电流传感器为罗氏线圈。通过直击雷监测系统监测雷电流峰值、极性、时间、次数等，并将这些数据上传至智能云平台管理系统，使得所有监测数据可以进行远程管理。直击雷监测系统在台站防雷电工作中意义重大。第一次发生雷暴事故时，雷电流监测模块将雷击数据迅速上传至监控中心。监控中心的运维人员一旦接收到雷击事故信息，能够立即采取相应措施，确保设施的安全稳定运行。这种集成了传感技术、数据上传和实时响应的系统，有效提升了直击雷监测的效率和准确性，为设备的防护提供了重要保障[6]。

3.2.3 感应雷监测

感应雷监测系统由柔性或刚性罗氏线圈传感器以及智能流监测模块组成。系统最多支持监测4路感应雷电流峰值，并将传感器捕获的数据上传至智能云平台管理系统。感应雷电流峰值的采集与直击雷在线监测相似，在其基础上，采用柔性或刚性罗氏线圈进行监测。这些线圈安装在电涌入地汇集点，使电涌峰值的采集变得简单且高效。感应雷监测系统配备了智能防雷箱、在线防雷监控器等设备，通过感应雷监测，系统能够准确获取雷电活动的电涌峰值，从而及时预警，台站能够采取针对性的措施，保护广播电视发射台设备免受雷击的影响。感应雷监测系统监测数据上传至智能云平台管理系统，使得运维人员能够远程监控、分析和管理数据，从而更好地应对雷电风险。

3.2.4 智能SPD监测

智能SPD监测是物联网智能防雷监测系统的重要组成部分。SPD是一种用于保护设备免受电涌冲击的装置。智能SPD监测功能通过实时监测SPD的电流变化，实时监测SPD的工作状态，及时发现故障或损坏情况，确保其正常运行。监测SPD的电流变化，有助于预测电涌活动，使系统能够在电涌来临之前做出反应，保护设备免受电涌影响。智能SPD监测还能够实现远程监控和管理。将SPD监测数据上传至智能云平台管理系统，运维人员可以远程查看设备状态、电流变化等信息，及时进行维护和干预。这种实时监测和远程管理的能力大大提高了设备的稳定性和可靠性，降低了因电涌引起的损害风险。

3.2.5 发射塔、建筑物和机房接地电阻监测

发射塔、建筑物和机房的接地电阻监测是物联网智能防雷监测系统的重要功能之一。通过监测这些结构的接地电阻，系统能够实时了解接地系统的状态。接地电阻是确保设备运行安全的关键参数之一。监测接地电阻，可以帮助检测是否存在不良接地、腐蚀等问题，防止电气设备因接地不良而引发的安全隐患。系统可以实时监测接地电阻值的变化。一旦发现接地电阻值超出安全范围，系统会发出警报，通知运维人员进行检修和维护，从而避免设备由于不良接地而受到雷击冲击。监测数据会上传至智能云平台管理系统，运维人员可以远程查看结构的接地状况，进行实时监控和管理。这种能力有助于快速发现和解决问题，提高了设备的稳定性和可靠性。

3.3 智能云平台管理系统

智能云平台管理系统以物联网技术为基础，基于边云融合物联网基础设施，具备高性能、可扩展的物联网架构，拥有时空物联网数据管理能力，提供高性能物联网时序数据和时空数据的存储、查询、分析能力，支撑时空数据的共享与应用；支持人工智能物联网（Artificial Intelligence & Internet of Things，AIoT）智慧管理，应用云计算、大数据、人工智能、物联网边缘等新技术，构建智慧管理体系。授权用户可以管理相应的智能硬件，通过不同等级用户权限对操作员或者设备进行直接管理。智能云平台管理系统是物联网智能防雷监测系统的核心组件之一。该系统用于集中管理、分析和展示从各个监测模块获取的数据。系统具有以下特点：第一，智能云平台能够接收来自各个监测模块的实时数据，包括雷电预警、直击雷监测、感应雷监测、浪涌保护器（Surge Protection Device，SPD）状态等信息；第二，系统通过数据分析和处理，能够生成各种报告和统计数据，为运维人员提供设备状态、雷电活动、接地电阻变化等方面的信息；第三，云平台提供了直观的数据可视化界面，以图表、图像等形式展示监测数据，使运维人员能够快速了解系统状态，做出准确决策；第四，系统支持远程控制和配置，运维人员可以通过云平台远程设置监测参数、调整警报阈值等。