陕西易燃易爆场所防雷设施智能在线监测系统设计

陈雯

摘 要：基于电子信息手段和互联网技术，远程实时监测位置分布广泛、地点零星分散的易燃易爆场所的雷电状况和防雷装置运行状况，一旦出现状况，无需人工巡查，便能准确定位并实时远程报警，及时封锁遭受雷击危害的通道，最大限度降低雷电引发的风险，确保易燃易爆场所的安全生产和正常运行。基于此，提出了易燃易爆场所防雷设施智能在线监测系统的设计思想、系统设计、系统架构，以及软件与硬件支撑。

关键词：雷电防御；在线监测；雷电预警

中图分类号：TU895 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-04

陕西是我国能源储备和输出大省，能源化工产业是陕西经济发展的核心支柱产业。全省范围内的易燃易爆防雷重点单位众多，对雷电防护的安全需求巨大。而传统的人工巡检不能及时排查隐患且效率低下。因此，实时监测易燃易爆场所雷电状况及防雷装置的运行状态并进行及时预警，成为防雷重点行业的当务之急[1-6]。

1 设计思想

陕西省易燃易爆场所防雷设施智能在线监测系统应用云物联、智能算法技术、大数据、移动互联、传感器等高新技术手段，通过采集入侵雷电信息（雷电流/电涌的峰值、极性）、SPD劣化状态、SPD接地状态、SPD空开闭合，以及监测接地电阻阻值变化趋势、设备自身漏电、线路温度过高等异常状况。一方面，在异常情况发生时，准确定位故障点位置，并实时远程报警，使工作人员能准确定位及时掌握现场情况，迅速响应处理，从而实现对全省重点场所的实时有效雷电监测与管理。另一方面，将雷电防护系统的监测数据进行大数据处理和统计，分析出各区域的雷电密度、雷电强度等信息，制定有效措施防止雷害。无需人员现场逐个采集防雷重点场所，极大地提高了工作效率。

2 系统设计

2.1 总体结构设计

陕西省易燃易爆场所防雷设施智能在线监测系统由数据采集与传输、数据存储管理、基于GIS的在线监测及告警显示、重点场所安全监督、查询统计与分析5个部分构成（图1）。

2.1.1 数据采集与传输

将各类硬件监测设备（如SPD监测安装的感应器，电涌感应监测设备，接地状态监测设备、定位器等）的实时监测数据利用物联网卡等通信网络硬件进行采集，通过物联网络传输到防雷在线监测的服务器端，以便进行数据入库。

2.1.2 数据存储管理

将各类防雷监测数据及相关的业务数据按照统一的标准进行建库，通过数据入库后台程序对监测数据进行实时解析入库，保证数据的实时、高效和安全。同时，后台程序会自动将数据处理的状态、发生异常错误的日志等信息及时上传至数据库，同时对监测数据进行告警分析，若出现异常数据则可自动生成告警信息，以便通过前台页面可实时查看数据状态及告警信息等。

2.1.3 基于GIS的在线监测及告警显示

基于Web页面，以GIS地图作为可视化的依托，实现基于地理信息的各类雷电防护在线监测设备等设备的分布和各类监测数据的直观展示，并可通过人机交互方式查看各类监测设备的詳细监测信息，对于设备出现异常的情况，系统将以高亮或闪烁的方式自动进行告警显示，提醒用户注意。

2.1.4 重点场所安全监管

查看各重点企业的基本情况数据库及防雷装置台账。实现重点场所的排查管理，包括企业自查和监管部门的排查，可通过上传照片保存排查情况。此外，对重点场所提供雷电戒备服务，利用目前的雷电戒备系统数据，在达到雷电预警条件时，能够通过自动短信或电话等方式提醒重点场所的责任人。

2.1.5 数据查询与统计

数据查询统计模块是对整个系统中涉及的防雷在线监测数据、闪电定位等气象数据和灾害数据等进行统计分析，并以直观的图形和表格形式显示给用户，方便用户进行查询和各种分析，为快速决策提供支持和依据。

2.2 系统架构

系统以整体功能实现为目标，分5个层级的逻辑体系进行架构。分别是环境基础逻辑层级、数据交互层级、云平台层级、应用服务层级和后台保障层级。

2.2.1 环境基础逻辑层级

环境基础逻辑层级包括系统全部硬件设备，如SPD监测感应器、电涌感应和接地状态监测仪，以及用于通信的网络硬件，如物联网卡、定位器等。

2.2.2 数据交互层级

建立包括二维平面地图、三维地图、基础设施设备、管理业务、设备信息、传感信息、日志和交换数据库等基础数据库。

2.2.3 云平台层级

主要是对各种异构网络的数据进行交换和计算，在整个系统中，云交换平台主体以GIS地图或三维场景为可视化的依托，实现基于地理信息的业务整合与信息交换，构建基于地理信息的陕西省雷电防护在线监测系统服务总线，为应用层提供信息服务技术支撑。

2.2.4 应用服务层级

主要包括基于雷电防护整体方案所需要的所有监测要素，并以此服务整个安全监测系统的所有需求。

2.2.5 后台保障层级

通过安全保障、标准规范和管理保障3个层面构建安全防范体系，从而实现技术安全，运行安全和管理安全。确保基础层及各应用系统的完整性、机密性和可控性。

根据平台的建设内容，建议采用2台云服务器作为基础，结合平台整体的安全性，所构建的结构拓扑图见图2。

3 软件与硬件支撑

防雷在线监测软件系统主要由运行在服务器上的基于GIS平台的防雷在线监测管理系统软件组成，防雷在线监测硬件系统主要由多要素智能监测终端设备等组成。

3.1 软件平台

基于Windows环境开发，B/S架构（也可以选用C/S架构）。智能在线监测系统的软件平台由监测管理和设备管理两部分组成一个完整的信息化管理系统。根据用户需要预先设定各模块参数和监测管理参数，进而在用户查询时能显示雷电流监测仪及SPD监测仪、接地电阻监测仪等模块的相关数据。实现数据采集、分析、保存、实时报警、设备管理、协议管理、通讯管理、数据管理、数据服务等功能（图3）。

系统能够显示全省易燃易爆场所防雷设施的监测点分布、实时监控全省单位（场所）防雷设施状态、出现异常及时报警、实时抓取关键信息、进行数据处理分析、对设备进行远程集中监控、远程数据访问、远程数据维护、历史数据查询和管理等。

3.2 硬件平台

为实现总控主机集中控制与通信功能，硬件平台中央处理器采用超大规模可编程ARM器件，多片CPU协同处理，达到多参数的高速测量、采集和传输。考虑现场实际安装的复杂性，在力求保持监测精度的情况下，尽可能小巧而精致，根据实际的现场安装环境及需求选择一项或者多项监测信息，如SPD劣化状态、SPD泄漏电流、SPD温度、SPD接地状态、电涌峰值、电涌入侵极性、电涌入侵时间、线路漏电、接地状态、接地电阻阻值变化趋势、工作电流/电压、空开状态、故障点位置定位、网络传输状态，并可以通过指示灯或声音报警方式实现现场报警（图4）。

（1）接地电阻在线监测仪。接地电阻在线监测仪不仅需要能够测量回路接地电阻阻值变化状态，还需要在线监测和实现测量金属回路联结电阻和接地状况。一旦出现异常情况第一时间报警。考虑到使用环境的复杂性，要求設备自身防雷能力不低于100 kA。

（2）电涌峰值记录仪。电涌峰值记录仪主要是精确掌握入侵雷电流峰值、能量、极性、次数、时间等实时参数信息。基于此需求，雷电流峰值采集的精度要求不低于90%，雷电/电涌峰值记录仪自身防雷能力不低于50 kA。同时，需要考虑能够在不同的安装环境内的便利安装，如实际现场的配电柜内的主电源处安装，则能够实现导轨安装且不会影响柜门关闭。此外，为了能够精确捕捉电涌入侵的信息，电涌峰值记录仪的启动门限需能够根据要求在出厂时进行设置，如设置为500 A启动、设置为2 000 A启动等，且门限启动的精度不低于90%。需要提供实际的产品满足对安装环境、门限设置等的要求。

（3）在线智能SPD泄漏电流监测仪。在线智能SPD泄漏电流监测仪主要完成SPD泄漏电流变化状态、温度、劣化情况监测，并同时采集到电网电压、电流，一旦不符合后台系统设定，即刻报警。为了能够确保现场查询并发现问题，在线智能SPD泄漏电流监测仪需要能够实现现场的管理，有TFT屏，便于现场查询，能够现场进行参数配置和调教。一旦出现异常，能够现场查看。但需要注意的是，SPD泄漏电流是微安级的且极易受环境中感应电流的影响。因此，监测仪采集器精度要达到微安级，且自身防雷能力不低于100 kA。在监测仪检测数据的使用时，也需采用智能算法，排除环境中的干扰电流，对SPD的实际泄漏电流变化趋势和损坏情况进行实时报警。

（4）SPD劣化监测。SPD劣化监测设备的选择要在考虑现场已安装设备位置有较大差异的实际情况，选择具有电涌入侵计数、SPD接地状态监测、SPD遥信状态监测、空开闭合状态监测、电涌入侵计数现场读取、现场指示灯报警等功能，且外观小巧，可以导轨安装等要求。可通过RS485或ZigBee上传数据。

（5）现场智能监测主机。该主机需要实现可视化简单操作，减少安装及维护的工作量。设备必须能够实现如一键配置、远程升级及远程设置等简易操作，并能够现场通过智能监测主机，完成对设备、各监测采集模块、网络等的设置，能够通过MQTT传输协议即时完成消息推送、现场报警等。其中，现场报警可以考虑后续外接报警模块、能够通过指示灯区分报警的类别等。

考虑易燃易爆场所监测内容的复杂性，该主机需要具备后期二次接入功能，可对接可燃气体、粉尘、烟雾报警等传感器。

4 系统功能与特点

4.1 系统功能

整个系统的功能主要包括以下4个方面：通过对雷电流峰值、极性、能量数据采集及雷电入侵时间、次数等信息的采集，实现雷电/电涌信息实时监测。通过对接地电阻阻值数据、SPD异常运行、接地状态、设备运行等雷电防护状态进行监测，实时显示现场数据并进行异常报警。通过集成在智能网关中的算法设计、智能分析验证，与防雷站点的监控系统进行互联，实现数据采集及现场监测与报警。通过智能平台，实现全省易燃易爆场所统一联网监控、设备精确定位、预警报警、短信发送、参数设置、数据查询、软件控制等功能。

值得注意的是，考虑到设备有可能会在防爆环境内使用，而SPD是防爆型或安装在防爆箱里面，对SPD的监测模块必须防爆安装的情况下，设备必须能够自身防爆或安装在防爆箱里面，监测模块能够满足环境防爆要求的前提下，实现实时在线监测。

基于新需求，可在采集端安装使用基于物联网技术的智能型物联网监控主机，并必须能够完成前端的设置、查看、处理、报警等功能，确保现场人员在突发情况出现时能够快速实现响应并处理。

4.2 特色及优势

4.2.1 高效采集和智能接入

采用温度，接地，电压，电流，漏电等单个模块轮询采集方式。一般情况下，单个模块采集时间为100～200 ms，一个管理单元的轮询周期为1 s左右。可智能接入各类传感器，并将各类设备根据需要联动管理，实现远程自动切断和自动联通。

预警报警管理可适应多种多样的网络环境：工位报警可独立运行，在中断连接的情况下，也可以正常报警、切断电源并存储数据，当恢复连接后可将存储的数据重新发送服务器存储。在不稳定的网络连接中，可实现断点传输功能，提供稳定的网络服务。

4.2.2 组网与数据推送

可实时连接底端采集模块数据，当发生故障时，第一时间进行声光报警，并切断电源，报警响应时间小于1 s，并将数据上传服务器，报警数据实时上传，响应速度更快。

设备在64组传感器中智能识别并主动分配和管理，通过标准MODBUS-RTU协议与各传感器通讯。采用MQTT协议与服务器之间进行通讯，实现更便捷、可靠地组网。用极小的通信开销（最短消息仅为2个字节），适用于多种流行编程语言，可模块化发布/预定模型，使程序开发更为简洁。将消息传递等级按类别分为3级并按需传送，以此应用于各种不同的网络环境来满足传输需求。

4.2.3 低功耗和通知推送

能够实现节省能源的要求。配合后台系统，能第一时间将通知上传及精准推送，并能在无中介传输的情况下发送指定数据，可以不局限于特定的操作系统进行处理。（如通过APP端，实现在Apple IOS、Google play通知等）

4.2.4 防火墙容错

一些企业防火墙将出站连接限制到一些已定义的端口。这些端口通常被限制为HTTP（80端口）、HTTPS（443端口）等，而HTTP可以在这些情况下运行。MQTT可封装在一个连接下，显示HTTP升级请求，从而允许在此类情况下运行。

5 结束语

防雷设施智能在线监测系统的启用，会加强用户对防雷装置信息的收集和管理，能更精准地预防雷击事故造成的损失。系统的实时远程精准监测，可及时掌握现场状况并封锁遭受雷击危害的通道，最大限度地减少雷灾造成的损失。

参考文献

[1] 魏欣，王思维，尚子涵，等.防雷设施智能监测系统设计[J].无线互联科技，2022，19（18）：35-37，50.

[2] 陈伟.机场防雷智能在线监测系统设计与应用[J].现代建筑电气，2021，12（5）：67-69.

[3] 薛霜思，曹晖，贾立新，等.矿用电机分布式远程智能在线监测系统设计[J].煤炭学报，2023，48（S1）：368-380.

[4] 马磊娟.面向智能电网的避雷器在线监测系统的设计与实现[J].企业科技与发展，2022（12）：37-40.

[5] 许谱名，李欣，崔建华，等.GIS智能在线监测系统设计及应用研究[J].自动化仪表，2022，43（8）：102-106.

[6] 邓祖帆.基于物联网技术的智能变电站在线监测系统设计[J].无线互联科技，2022，19（9）：77-79.