邢闯 史丽君 张博
国网山西省电力公司输电检修分公司 山西省太原市，030000
摘要：目前，输配电线路雷电防护设备的雷击监测仪器主要存在以下问题:智能化水平差，大多为机械指针式，无法记录雷击时间，记录次数有限(最大99次);数据读取困难，须用望远镜或上杆塔去读取数据，效率低;安装施工量大，有线数据传输，现场安装工作量较大。为此，本文利用电子技术、计算机技术、物联技术和GPRS通信技术研制的防雷设备雷击在线监测系统，可实时监测线路防雷设备的雷击时间、地点及雷击次数等特征信息，并通过绘制各种信息的变化趋势波形图、记录数据表等方法提供分析思路，从根本上减少工作人员的巡线频次，提高工作效率，保证快速、高效率地检修与维护线路雷电防护设备。
关键词：输电线路；雷击监测装置；研制
1 系统整体架构
整个系统由雷击数据采集单元和雷击数据远程监测单元组成，其中雷击数据采集单元主要包括雷电流感应端、雷击监测主机、中继网关，雷击远程监测单元主要包括云服务器、远程监控平台。
雷电流感应端稳定安装于雷电防护设备的泄流通道上，当感应端感应到雷电信号后，通过短距离无线通信技术将雷电信号传递给雷击监测主机，再通过LoRaWAN通信技术将雷击信息发送到数据汇流中心中继网关处;中继网关经4G通信网络将区域范围内所有雷击数据远程传输给云服务器，由远程监控平台读取、分析云服务器数据，并将获取的雷击信息显示在监控平台上。
2 检测原理
本文采用磁棒法对雷电流信号进行检测，即充分利用雷电流流过防雷设备泄流通道时会在其周围空间产生变化的磁场，基于磁棒的电磁感应原理来实现雷电流的间接测量。以矩形磁棒为例，磁棒法测量雷电流(脉冲电流)的原理如图1所示。
图1
图1中，A为防雷设备泄流通道导线，a为导线中心到磁棒边缘的距离，b为磁棒的宽度，h为矩形磁棒横截面高度。磁棒上均匀绕制线圈，假定磁棒长度为L，磁棒与雷电流导线正交，。
图1中，当泄流通道A中流过i(t)的电流时，会在其周围空间产生磁场，则该雷电流在导线周围距离导线r的任一点产生的磁感应强度为:
(1)
式中，μ0为磁棒磁导率。
在图1所示的曲面S′上穿过的磁通量为:
则电流i(t)在磁棒任意横截面上产生的磁通量为:
(4)
式中，θ为磁棒线圈距离导线A中心最远的水平夹角。
则磁棒两端的电压、电流为:
因此，对磁棒线圈上的输出电压积分即可还原出泄流通道上流过的雷电流大小。
3 硬件设计
3.1 雷电流感应端开发设计
雷电流感应端由磁棒线圈、感应信号处理电路、系统控制电路和无线数据发送电路组成。
(1)感应信号处理电路。
感应信号处理电路用于处理磁棒线圈感应到的雷电流信号，如图5所示。由以上分析可知，磁棒线圈感应到的信号会随雷电流大小及时间而变化，因此本文采用桥式整流电路将感应到的雷电流信号转换成电平信号进行处理;又由于雷击电流的幅值变化较大，为防止转换后的电平信号过压，本文通过添加限幅电路来限幅，从而保证感应信号处理电路的输出电压在安全范围内。
(2)系统控制电路。
由于雷电流感应端的控制系统逻辑简单、数据量也不大，同时为保证感应端的低功耗、高可靠、长时间稳定运行，本文选择STM8L0系列的芯片作为雷电流感应端的系统控制芯片。
(3)无线数据发送电路。
雷电流感应端和监测主机的安装距离一般不大于100 m，故可通过短距离射频通信方式实现感应端和主机数据传输。为保证雷击数据传输过程中的可靠性、稳定性，本文选用CMT2150A、CMT2250A射频芯片作为感应端和监测主机的通信芯片。其中，CMT2150A芯片只具有发送功能，CMT2250A芯片只具有接收功能，且通信过程只能发送开关量信号。结合系统整体需求，CMT2150A与CMT2250A芯片能满足此次电路的设计需求。
3.2 雷击监测主机开发设计
雷击监测主机由无线数据接收电路、主控制电路和LoRa通信电路组成。
(1)无线数据接收电路。
雷击监测主机的CMT2250A电路用于接收感应端电路发送过来的雷击信号和心跳信号。一旦接收到感应端传输的雷击信息，CMT2250A电路就会拉高与主控制电路连接的电路来触发主电路工作。
(2)主控制电路。
相对于感应端的控制电路，监测主机系统逻辑控制较复杂、数据量较大，为满足系统整体需求，本文选择STM32L0系列芯片作为雷击监测主机主控芯片。STM32L0具备常用的外围设备电路和低功耗运行模式，可满足此次设计需求。
(3)主机LoRa通信电路。
为保证区域范围内的监测主机和中继网关的通信正常，本文基于物联网LoRa通信技术，实现主机和中继网关的低功耗、远距离、高可靠通信，选用了SX1278芯片进行LoRa通信电路的模块设计。主机和中继网关之间的通信由主机发起通信请求，并在不需数据传输时采用MOS管关断通信模块SX1278供电，确保其功耗最低。
3.3 中继网关开发设计
中继网关主要对区域范围内的监测主机数据进行汇集，并通过GPRS无线网络将防雷设备的雷击数据远程传输到云服务器中。中继网关主要由LoRa通信电路、微控制电路和4G通信电路组成。
(1)网关LoRa通信电路。
基于上述分析，本文对网关的雷击数据接收电路同样采用SX1278芯片进行通信电路的设计;相比于主机的LoRa通信电路，中继网关LoRa通信电路需对多个监测主机发送的数据进行实时接收，故不需MOS管进行不定时关断。
(2)微控制电路。
微控制器主要为中继网关提供运行基础，完成算法、逻辑运算和控制功能运行等工作。本文的网关微控制电路主要由微控制器和电源电路组成，同时包含了实时时钟电路、复位电路、指示灯电路、串口通信口和程序下载口。
(3)4G通信电路。
中继网关将区域范围内汇聚的雷击数据通过4G通信模块传输到云服务器中。本文的4G通信模块采用龙尚U9507C作为通信电路的通信芯片，该芯片可在LTE、TD、UMTS、GPRS、CDMA、GSM、GPS/BDS等多种模式下正常工作，其下行速率可达50 Mb/s和150 Mb/s;此外，在没有LTE覆盖的情况下，基于U9507C的通信电路还能可靠、安全地注册到3G或2G网络。
结语
针对目前输电线路雷电防护设备仍普遍采用机械式雷电计数器进行雷击计数,导致工人巡线困难、雷击数据传输不及时等问题,本文基于物联网LoRa通信方式,研制了防雷设备雷击监测远程监控系统。该系统将电磁感应雷击信号,通过无线传输方式传输到后台服务中心,从而实现防雷设备雷击时间、地点及雷击次数等特征信息的远程监测,改变了传统的登杆塔读取动作数据方式,为输电线路运行,特别是在防雷方面提供了数据支持。最后,本文搭建了冲击电流试验平台对该系统进行功能试验测试,结果表明该远程监测系统可稳定、可靠运行,实现了预期的监测功能。
参考文献
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