雷電監(jiān)測羅氏線圈3g通信實時視頻監(jiān)測

摘要電能傳送過程中經(jīng)常在架空輸電線路出現(xiàn)問題，電網(wǎng)運行的可靠性直接受它工作的穩(wěn)定與否影響。架空輸電線路通常架裝在偏遠(yuǎn)的山林里，而且極易受到雷電入侵。架空輸電線路及其附屬設(shè)備年年因雷擊導(dǎo)致?lián)p壞而造成的危害巨大，而且還嚴(yán)重影響到線路的供電可靠性。因此對架空輸電線路的雷電入侵檢測需求必不可少，同時基于架空輸電線路的檢修維護、故障定位等需求，降低輸電線路故障率，也需要該類型產(chǎn)品。本文將從理論方面搭建一個簡易的架空輸電線路雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)采用太陽能與蓄電池相結(jié)合方式供電，采用雙參數(shù)監(jiān)測方式，監(jiān)測扛塔入地電流和架空輸電線路的電壓，雷電流的監(jiān)測使用AS3935閃電傳感器，并配合基于羅氏線圈的雷電流傳感器，可以較為準(zhǔn)確靈敏的監(jiān)測到雷電流，并利用GPS進行定位，最后將采集到的信息，如雷電流信息，溫度和濕度等信息，通過3g通信和光纖通信進行數(shù)據(jù)傳輸，而且本系統(tǒng)還采用實時視屏/圖像監(jiān)測，在一些突發(fā)情況發(fā)生時可以及時進行監(jiān)測，避免人員的損傷和提高工作效率。關(guān)鍵詞：雷電監(jiān)測，羅氏線圈，3g通信，實時視頻監(jiān)測

AbstractAnextremelyimportantpartofthepowertransmissionprocessistheoverheadtransmissionline.Thesafetyandstabilityofthepowergridoperationaredirectlyaffectedbythestabilityofitsoperation.Overheadtransmissionlinesareusuallymountedinremotemountainforestsandarehighlysusceptibletolightningintrusion.Theoverheadtransmissionlineanditsancillaryequipmentaregreatlydamagedbylightningdamageeveryyear,anditalsoseriouslyaffectsthereliabilityoftheline.Therefore,thedemandforlightningintrusiondetectionofoverheadtransmissionlinesisindispensable.Atthesametime,basedontherequirementsofmaintenanceandfaultlocationofoverheadtransmissionlines,andreducingthefailurerateoftransmissionlines,suchproductsarealsoneeded.Thispaperwillbuildasimpleon-linemonitoringsystemforoverheadtransmissionlinesfromatheoreticalperspective.Firstly,thesystemusessolarenergyandbatterycomplementarypowersupply.Itadoptstwo-parametermonitoringmethodtomonitorthevoltageofthetowerintothegroundandthevoltageoftheoverheadtransmissionline.ThelightningcurrentismonitoredbyAS3935lightningsensorandthelightningcurrentsensorbasedonRogowskicoil.Itcanmonitorthelightningcurrentmoreaccuratelyandsensitively,anduseGPStolocate.Finally,thecollectedinformation,suchaslightningcurrentinformation,temperatureandhumidity,canbetransmittedthrough3Gcommunicationandopticalfibercommunication,andthesystemalsousesreal-time.Video/imagemonitoring,whichcanbemonitoredintimewhensomeunexpectedsituationsoccur,toavoidpersonneldamageandimproveworkefficiency.Keywords:LightningMonitoring,Rogowskicoil,3gCommunication,Real-timevideomonitoring目錄摘要 1Abstract 21緒論 61.1研究背景和意義 61.2雷電的特征 71.2.1雷電的形成 71.2.2雷電參數(shù)的特征 81.3雷電監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 91.3.1雷擊電流監(jiān)測常用方法 101.3.2雷擊過電壓監(jiān)測常用解決方案 121.4雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足 131.5本文的主要工作 132.架空線雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)重要問題的探討 142.1監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)控制信號傳輸流程 142.2雙參數(shù)測量傳感器組 152.3監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇問題的探討 162.4監(jiān)測系統(tǒng)的取能方式 172.3監(jiān)控系統(tǒng)的圖像/視頻在線監(jiān)控 182.4監(jiān)測系統(tǒng)通信方式研究分析 182.4.13g通信技術(shù) 182.4.2光纖通信技術(shù) 202.4.3監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式 202.5監(jiān)測系統(tǒng)定位研究與分析 212.6監(jiān)控系統(tǒng)防護措施 212.6.1抗干擾措施 212.6.2防雷措施 222.6.3針對系統(tǒng)自然環(huán)境的防護措施 222.7本章總結(jié) 233.雷擊輸電線路的仿真分析 253.1概述 253.2雷電流模型 253.3輸電線路仿真 263.4桿塔模型 263.5雷擊干擾與故障仿真 283.6本章總結(jié) 304.信息監(jiān)測單元設(shè)計 314.1雷電信息監(jiān)測單元設(shè)計 314.2其他信號監(jiān)測設(shè)備設(shè)計 354.3GPS模塊的設(shè)計 394.4在線監(jiān)測系統(tǒng)供能方式設(shè)計 404.53g模塊的設(shè)計 424.6本章小結(jié) 435結(jié)論 44參考文獻 45致謝 491緒論1.1研究背景和意義目前，國力日益強盛，科研成果豐碩，我國電力已經(jīng)進入信息化、智能化和自動化的時代，伴隨著我國國民經(jīng)濟的增長，國家的用電需求也不斷上升，因此我國電力傳輸?shù)娜萘恳苍诓粩嗟脑鲩L，電能已經(jīng)成為國家發(fā)展的必須品。電能已經(jīng)不斷深深的影響到每一個人，每一家企業(yè)，每一個國家，所以電能傳輸?shù)陌踩殉蔀橹刂兄亍５珡母鲊那闆r來看，自然危害大大影響著電力傳輸?shù)陌踩?，其中雷電的影響是最大的，因為雷電而引起架空輸電線路發(fā)生的故障占全年故障的40%~70%，雷電大大的危害著架空輸電線路的安全穩(wěn)定運行。在電網(wǎng)運行過程中，由于雷電的原因而使架空輸電線路發(fā)生故障的事屢屢發(fā)生，但目前對于架空輸電線路的防雷手段的分析，仍要依靠實驗室的模擬和軟件的仿真，但實驗室的模擬條件與現(xiàn)實環(huán)境相比有一定的差異，而且依靠軟件仿真的模擬，其搭建的模型有一定的缺陷，并且各種參數(shù)與實際值有一定的誤差，比如雷電流的參數(shù)，桿塔的參數(shù)等，這必然導(dǎo)致研究的結(jié)果有一定的誤差。但通過對雷電的監(jiān)測，分析雷電發(fā)生的概率，分布規(guī)律以及雷電流的波形等，對于研究雷電引起的故障，防范措施等有很大的好處，所以搭建一套安全穩(wěn)定而且準(zhǔn)確度高的架空輸電線路雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)是必不可少的。由于架空輸電線流過較大的電流，這必然伴隨著強烈的電磁效應(yīng)，這會大大影響在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量的準(zhǔn)確性，影響設(shè)備的正常運行[2-3]。因此，必須對高壓架空輸電線路進行相應(yīng)的研究，比如干擾源的來源，以及設(shè)備的防雷措施等，采用相關(guān)的抗干擾措施，如設(shè)備接地、進行屏蔽和濾波等，降低干擾的程度，提高監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性。同時監(jiān)測系統(tǒng)需要穩(wěn)定安全的電源，但如果從架空線路中直接獲取能量的話，容易造成干擾和架空線路故障，因此必須考慮如何從野外獲取穩(wěn)定安全的電能，并與監(jiān)測系統(tǒng)耗能相配合，形成一個穩(wěn)定安全的循環(huán)，從而減少電源的更換次數(shù)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的運行可靠性。監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集和傳輸也是一個重大問題。要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還要考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中的失真或丟失，以及還要預(yù)防被他人獲取或修改，同時還要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取１疚牟捎锰柲芘c蓄電池功能方式，提供一個穩(wěn)定安全的能量來源，可以避免因直接從輸電線獲取能量而對電網(wǎng)造成干擾以及停電的影響，采用3g通信傳輸和光纖傳輸，不僅能確保安全性，還能大大提高傳輸?shù)乃俣纫约皵?shù)據(jù)完整性，采用雙參數(shù)測量手段，大大提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)的研究，對于預(yù)防以及發(fā)現(xiàn)雷電的危害有極大的意義。1.2雷電的特征1.2.1雷電的形成積雨云是閃電的主要載體，雷電的形成與大氣活動直接相關(guān)。雷電的形成過程中，太陽的輻射能量起著重要的作用。由于太陽的照射，使空氣受熱形成對流，水蒸氣因運動而帶電。科學(xué)家對于電荷產(chǎn)生的原理眾說紛紜，而現(xiàn)在較為公認(rèn)的起電機制包括：溫差起電理論、破碎起電理論、感應(yīng)起電理論。對流持續(xù)發(fā)展的結(jié)果，會產(chǎn)生積雨云，由于水蒸氣的運動，使電荷跟著運動，導(dǎo)致云的底部聚集了數(shù)量眾多的負(fù)電荷，由于異性電荷相吸引的原理，會使地面上感應(yīng)出大量的正電荷。一旦正負(fù)電荷累積到一定數(shù)量時，兩者間會形成巨大的電壓差，在遇到地面上形狀較尖的建筑物或物體后，大量的正負(fù)電荷將向尖端集中。由于強大的電場，與尖端同極性的電荷將會被排擠，而與尖端不同極性的電荷將會被吸引，在電荷運動過程中，會使電場間的空氣中離子能量變大，空氣會被電離，從而會導(dǎo)致放電，這個過程稱為尖端放電。之后在該空間中會產(chǎn)生大量的離子，由于離子帶有正負(fù)極性，此時與尖端同極性的離子會被排斥，與尖端不同極性的離子會被吸引，一旦該空間中的電場強度比（25~30kV/cm）還要大時，就會發(fā)生先導(dǎo)放電。當(dāng)先導(dǎo)放電的電流接近地面時，它就會受到地面物體的影響。其中先導(dǎo)電流容易流向地面較為尖銳或孤立物處，這是因為該處的的等電位面彎曲程度最高，電力線都匯集于該處。因此迎面先導(dǎo)會從地面相對最短距離發(fā)出，其原理圖如下圖2.1所示。一旦迎面先導(dǎo)電流與下行先導(dǎo)電流其中一支發(fā)生接觸，因極性不同，就會出現(xiàn)“中和”現(xiàn)象，伴隨著光和熱的能量釋放，形成觀察到的閃電和雷鳴，這就是放電的過程。其放電時間極短，電流值較大。由于架空線所處的位置較高，自身又是導(dǎo)體，容易導(dǎo)通，極易積累到電荷，所以架空線一直是雷擊地點高發(fā)處。1.2.2雷電參數(shù)的特征考慮到架空輸電線路的故障發(fā)生有很大的原因是因為雷擊，所以研究雷電的參數(shù)，如雷電流大小以及波形等，對于預(yù)防雷擊架空線的概率以及降低雷電對輸電線的危害有重大作用。①雷電流的極性和標(biāo)準(zhǔn)波形由多年的研究可知，大概7成到9成的雷電流都是負(fù)極性的，所以在雷電流模擬時，多是將其模擬為負(fù)極性電流。經(jīng)研究分析得到，雷電流的波頭和波尾都都不是固定的，而是隨機變化的，其中波頭在1到5μs，而波尾時間則在20到100μs之間。雷電流有三種通用標(biāo)準(zhǔn)波形，分別是等值斜角波形、標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形、等值余弦波形。②雷擊輸電線路過電壓雷擊于架空線不僅會引起電流變大，還會導(dǎo)致電壓過高，根據(jù)雷擊地點的不同可以分為感應(yīng)過電壓和直擊雷過電壓。感應(yīng)過電壓：當(dāng)雷電不是直接擊于架空線上，而是擊于架空線附近的地面、建筑或者接地桿塔的塔頂部位，由于電磁感應(yīng)的作用，在架空線上出現(xiàn)的過電壓稱為感應(yīng)過電壓，但由于感應(yīng)過電壓的電壓值不高，而且只常見于35kV以下電壓等級的架空線。直擊過電壓：根據(jù)雷擊的地方不同可以分為兩種情況。第一種是雷電直擊與避雷線或者桿塔上，由于雷電流流進桿塔，桿塔接地電阻具有一定的阻值，而且雷電流值較大，這會導(dǎo)致電壓值大大升高，絕緣子與架空線間的電壓值過大，會使絕緣子擊穿，發(fā)生反擊。第二種情況是雷電直擊與架空線或者繞過避雷器擊于輸電線，這會直接是輸電線的對地電壓大大提高，一旦超過了絕緣子的絕緣能力就會發(fā)生閃絡(luò)，成為繞擊，但這種情況發(fā)生的概率低于第一種，且雷擊概率受地形影響。③雷電流幅值與概率分布雷電流是一個非周期波形，其幅值與很多因素有關(guān)，如氣象條件等有關(guān)，是個不確定變量，而其幅值概率分布可以通過大量的數(shù)據(jù)總結(jié)其規(guī)律，下面為雷電流幅值概率分布計算公式lg88IP（2.1）上式中I為雷電流幅值（kA），P為雷電流超過I的概率。下面圖為雷電流幅值概率分布曲線由上面的圖可知，雷電流幅值為10kA到150kA的概率為九成以上，所以本文的雷電流幅值取為100kA。1.3雷電監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前，國內(nèi)外學(xué)者就雷電監(jiān)測方法有了很大的進步，架空輸電線路雷電流監(jiān)測的方法總結(jié)下來，主要有四種，分別是磁鋼棒法、磁帶法、雷電定位系統(tǒng)和基于羅氏線圈的雷電流測量方法，這四種方法是最常用的方法，其中基于羅氏線圈的雷電流測量方法是本文主要使用的一種測量方法。對于雷電所造成的過電壓，常用接觸型雷電過電壓傳感器或非接觸型雷電過電壓傳感器。1.3.1雷擊電流監(jiān)測常用方法目前，國內(nèi)外研究最多、應(yīng)用較廣泛的雷電流測量方法有：磁鋼棒法，磁帶法，雷電定位系統(tǒng)，基于羅氏線圈的雷電流測量法。下面將簡要的分析討論以上四種方法。磁鋼棒法磁鋼棒法，主要是基于雷電流會在其周圍產(chǎn)生磁場這一原理，使磁鋼棒被磁化。由于磁鋼棒具有較強的磁矯頑特性，雷電流通過后磁鋼棒仍殘留很大的剩磁，通過檢測其剩磁的大小即可確定被測雷電流幅值的大小[4]。但是這種方法是比較早期的測量方法，由于制造工藝的差異和測量剩磁的手段不同，從而導(dǎo)致這種方法有較大的誤差，誤差率大概有10%到30%，而且對于較小的電流或較為遠(yuǎn)的雷擊是比較難以測量的，但這種方法對于早期分析研究雷擊桿塔提供了大量的數(shù)據(jù)，推動了人類對雷電流的研究，具有重大意義。磁帶法磁帶法，這種方法主要是用高靈敏度的磁帶提前錄制基準(zhǔn)信號，并將該磁帶安裝在相應(yīng)設(shè)備上，等到雷電流流過該設(shè)備時，由于雷電流所產(chǎn)生的磁場，會使該磁帶上的基準(zhǔn)信號消失一定的長度，消失的長度與雷電流的幅值成一定比例。因此，根據(jù)檢測預(yù)錄基準(zhǔn)信號的消去長度，經(jīng)過單片機分析處理數(shù)據(jù)，則可以確定和顯示出被測雷電流的幅值[5]，誤差小于±4%。利用這種方法測量到的雷電流幅值的準(zhǔn)確度比利用磁鋼棒法測量的要高很多，但這種方法有很大的限制，就是只能測量雷電流的幅值大小，而對于雷電流的波形，頻率和發(fā)生的位置等都不能測量，所以這種方法有很大的約束，使用面較窄。雷電定位系統(tǒng)十九世紀(jì)70年代，雷電定位系統(tǒng)這一測量雷電流的方法被提出，該系統(tǒng)不僅能夠定位到雷電的發(fā)生位置，還能記錄雷電流的波形及其他特征量[6-8]。該定位系統(tǒng)主要針對于氣象探測而使用的，而且該系統(tǒng)不僅能探測到雷電發(fā)生的位置，還能測量到雷電流的幅值以及波形，但是由于該雷電定位系統(tǒng)需要制作與之相配合的非常精密走廊地圖，導(dǎo)致成本過大，而且還具有一定的探測盲區(qū)，受地形影響很大，因此該系統(tǒng)在架空輸電線路上不常用?；诹_氏線圈的雷電流測量方法利用羅氏線圈進行雷電流大小的測量方法由日本學(xué)家提出，這種方法不僅測量準(zhǔn)確，而且成本并不高，被廣泛應(yīng)用，具有較大的研究意義。[9-12]圖1.1雷電測量安裝示意圖Fig1.1Themeasurementoflightninginstallationdiagram日本學(xué)者使用羅氏線圈制作出雷電流監(jiān)測傳感器，并將兩個羅氏線圈制作的傳感器放置在塔頂位置，監(jiān)測到的信息傳輸?shù)轿挥谒M擔(dān)位置的采集裝置，而通信模塊則發(fā)在遠(yuǎn)離輸電線的塔腳處，信號的傳輸利用屏蔽雙絞線，采集數(shù)據(jù)終端將收集到的信息，將其由電信號轉(zhuǎn)為光信號，再通過光纖將信號傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)的后臺處理。這套裝置監(jiān)測的雷電流范圍較廣，為10kA到300kA，該測量裝置如圖1.1所示。這種測量方法成本較低，而且準(zhǔn)確性較高，而且可以測量到雷電流的波形，而且可以與用戶進行無線網(wǎng)絡(luò)的通訊，應(yīng)用范圍較廣，現(xiàn)在很多監(jiān)測系統(tǒng)都是基于該方法發(fā)展起來，但同時因為要獨立為此系統(tǒng)布置光纖通信，這會造成額外的成本，其用電量會大大的提高，供電問題較為突出，而且由于無鐵芯和互感系數(shù)較低的原因，不能進行長距離傳輸。1.3.2雷擊過電壓監(jiān)測常用解決方案近年來我國對雷電監(jiān)測技術(shù)有了較為深入的研究，考慮到雷電擊于架空輸電線路不僅會造成電流的變大，還會造成輸電線電壓的升高，而且對于輸電線上的設(shè)備危害極大，對此，為了監(jiān)測雷電過電壓，常用有兩種傳感器，一種是接觸型過電壓傳感器，另一種是非接觸型過電壓傳感器，而對于架空輸電線路而言，常用非接觸過電壓傳感器，下面將對于這兩種過電壓傳感器進行簡要的介紹。（1）接觸型過電壓傳感器接觸型過電壓傳感器主要指的是高壓分壓器，而高壓分壓器又可以分為電阻分壓器，電容分壓器和阻容分壓器。目前，電阻分壓器和阻容分壓器常用于變電站的監(jiān)測系統(tǒng)上，這是因為其有較高的測量準(zhǔn)度，但接觸型過電壓傳感器不適用于輸電線上，因為其要長期并與主線上，一旦其發(fā)生故障將會誘發(fā)主網(wǎng)的故障，影響太大。電阻分壓器由于其發(fā)熱量太大，所以其熱容量極大的限制了它瞬間測量的電壓值，因此不能用于雷電的在線監(jiān)測系統(tǒng)。雖然電容分壓器發(fā)熱量極小，但是由于其設(shè)備本身具有一定的電容值，容易發(fā)生諧波震蕩，造成不必要的干擾。阻容分壓器有兩種。一種是高阻尼的分壓器，在一定的阻尼值下，可以得到較好的響應(yīng)特性，但由于采用并聯(lián)在主線的方式，仍存在一定的危險。而另一種是低阻尼分壓器，雖然它對于高頻和低頻具有一定的阻尼作用，但其響應(yīng)特性較差，而且具有一定的諧波震蕩。（2）非接觸型過電壓傳感器一些學(xué)者針對接觸型過電壓傳感器存在的一些致命缺陷進行改進，提出利用輸電線和電流傳感器之間的雜散電容作為高壓臂，而低壓臂則是利用外加電容，這樣通過測量外加電容兩端的電壓值，可以得到需要測量的過電壓，但由于電容歲外界因素容易變化，所以其測量值會與實際值有一定差距，但這種做法可以避免接觸型過電壓傳感器直接并聯(lián)與主線所帶來的危害。一種基于光電效應(yīng)和光纖通信的新型傳感器被清華大學(xué)的科研人員發(fā)明出來，這種傳感器不僅可以進行大電流的測量，還可以測量高電壓，以及測量電力強度，這一傳感器可以在高電壓領(lǐng)域中使用，實現(xiàn)了技術(shù)的突破。這種光纖傳感器具有體積小，測量準(zhǔn)度高，安裝方便等優(yōu)點，但其對技術(shù)要求高，成本較大，所以并不適合于架空線的批量使用[13-14]。1.4雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)的不足1、多從外國引進整套監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜性高，需要的技術(shù)高。2、監(jiān)測系統(tǒng)多需要與架空線同時建造，對于已有的架空線很難在后期加裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。3、對于某處雷電常發(fā)生地區(qū)，由于地形和監(jiān)測系統(tǒng)過于龐大復(fù)雜，難以在小地區(qū)架設(shè)，而且成本過高。4、雷電的定位差，無法對雷電進行精確的定位和監(jiān)測到雷電的發(fā)生。5、架設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)成本過高。1.5本文的主要工作本文主要從理論分析搭建一套低成本、高精度的適用于架空輸電線路的雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)。本文打算采用太陽能蓄電池作為該系統(tǒng)的能源提供，采用AS3935閃電傳感器實現(xiàn)對于雷電信息的監(jiān)測，利用基于羅氏線圈而制造的傳感器對雷電流進行測量，利用3g通信和光纖通信將監(jiān)測到的信息傳輸?shù)胶笈_，利用GPS對雷電發(fā)生處進行定位與定時，對于雷電高發(fā)生處加裝攝像頭，利用無線通訊在必要時進行實時監(jiān)控。2.架空線雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)重要問題的探討2.1監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)控制信號傳輸流程監(jiān)測系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有兩種，一種是傳感器輸出的信號，表示外部環(huán)境的數(shù)據(jù)，另一種是表示監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備是否正常運行的信號，這兩者信號均傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器中，由系統(tǒng)控制器判斷監(jiān)測系統(tǒng)是否滿足啟動條件。預(yù)啟動預(yù)啟動設(shè)備狀態(tài)環(huán)境狀態(tài)傳感器測量電平設(shè)備狀態(tài)環(huán)境狀態(tài)傳感器測量電平滿足啟動條件否滿足啟動條件是啟動 啟動系統(tǒng)輸出的控制信號決定著監(jiān)控系統(tǒng)處于那種工作模式、電源處于工作還是關(guān)斷狀態(tài)、通信模塊處于開啟還是關(guān)斷。工作模式共有三種，一種是啟動模式，第二種是預(yù)啟動模式，第三種是停電模式。所有模塊所處的狀態(tài)均由系統(tǒng)控制中心來判斷并發(fā)出相應(yīng)控制信號來控制?，F(xiàn)在以預(yù)啟動工作模式進入啟動工作模式為例，講述信號的傳輸流程，其流程圖如2-1所示。首先系統(tǒng)控制中心接收到表示外部環(huán)境狀態(tài)的信號和表示設(shè)備狀態(tài)的信號，判斷外部環(huán)境是否發(fā)生了雷電，監(jiān)測系統(tǒng)的電源等模塊是否正常，接著將從傳感器測量到的電流或電壓值是否超過所設(shè)定的閾值，一旦超過且監(jiān)測系統(tǒng)等模塊可以正常供電，且外部環(huán)境顯示為雷電天氣，則系統(tǒng)控制中心則會馬上將系統(tǒng)從預(yù)啟動轉(zhuǎn)為啟動工作模式，并將啟動前后一段時間收集到的數(shù)據(jù)進行存儲并通過通信模塊傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺。2.2雙參數(shù)測量傳感器組雷電擊中架空輸電線不僅會引起桿塔入地電流增大，還會導(dǎo)致架空輸電線有很高的電壓，所以雷電對于輸電線有很大的危害，根據(jù)雷電擊中的位置不同，可以分為感應(yīng)雷過電壓和直擊雷過電壓。感應(yīng)過電壓：當(dāng)雷電不是直接擊于架空線上，而是擊于架空線附近的地面、建筑或者接地桿塔的塔頂部位，由于電磁感應(yīng)的作用，在架空線上出現(xiàn)的過電壓稱為感應(yīng)過電壓[23]，但由于感應(yīng)過電壓的電壓值不高，而且只常見于35kV以下電壓等級的架空線，所以本文不予考慮。直擊過電壓：根據(jù)雷擊的地方不同可以分為兩種情況。第一種是雷電直擊與避雷線或者桿塔上，由于雷電流流進桿塔，桿塔接地電阻具有一定的阻值，而且雷電流值較大，這會導(dǎo)致電壓值大大升高，絕緣子與架空線間的電壓值過大，會使絕緣子擊穿，發(fā)生反擊。第二種情況是雷電直擊與架空線或者繞過避雷器擊于輸電線，這會直接是輸電線的對地電壓大大提高，一旦超過了絕緣子的絕緣能力就會發(fā)生閃絡(luò)，成為繞擊，但這種情況發(fā)生的概率低于第一種，且雷擊概率受地形影響。系統(tǒng)的設(shè)計是基于雷電監(jiān)測系統(tǒng)雙參數(shù)測量傳感器。按照系統(tǒng)需測量的特征值來區(qū)分，主要有電流和電壓值，采用基于羅氏線圈而制作的電流傳感器和監(jiān)測電壓的非接觸型過電壓傳感器。同時測量輸電線路的入地電流和架空線的電壓值，因為測量值為兩個，所以對于之后關(guān)于雷電的分析會更加簡單，更容易得到相應(yīng)的判據(jù)。羅氏線圈電流傳感器：一般的高壓輸電線，通常需要四個基于羅氏線圈制造而成的電流互感器，本文采用四個羅氏線圈獨立采集信息的方法，這可以保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且可以避免因多個有源器件而對電網(wǎng)造成的影響，雖然成本會略有提高。非接觸型輸電線路電壓傳感器：這一設(shè)備是專門為了監(jiān)測輸電線路的電壓而生的。在每相的架空輸電線路上均安裝一個這樣的傳感器，專門監(jiān)測輸電線路上的雷擊過電壓和工頻過電壓。采用工頻電壓標(biāo)定的辦法，可以避免眾多影響電壓傳感器分壓比的因素，先提前確定工頻電壓參數(shù)的一個大致范圍，等到系統(tǒng)運行后再確定傳感器的分壓比，忽略傳感器的精度誤差，可以較好的解決傳感器分壓難的這一難題。2.3監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇問題的探討現(xiàn)如今，基于已有的以過電壓或者以雷電流作為監(jiān)測對象的監(jiān)測系統(tǒng)來說，其監(jiān)測系統(tǒng)主要采用兩種結(jié)構(gòu)，一種是集中型監(jiān)控，另一種是分布型監(jiān)控，這兩種結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點，下面將簡要分析對比這兩種方案。集中型監(jiān)控集中型監(jiān)測系統(tǒng)是將相應(yīng)的傳感器安裝在高壓母線處，并進行安全接地，以便監(jiān)測高壓母線的電流和電壓或者溫度及一些其他量，傳感器測量后，將相應(yīng)的信號通過同軸電纜傳輸?shù)角爸秒娐分校爸秒娐肥怯蓄A(yù)處理電路和觸發(fā)電路組成，在這里傳感器的信號先經(jīng)過預(yù)處理電路和觸發(fā)電路進行處理分析，即通過濾波等手段進行預(yù)處理，接著將處理后的信息傳輸?shù)讲蓸涌ㄌ?，采樣卡與工控機組成主機，在這里進行信號最終的處理分析，得到相應(yīng)的信息。結(jié)構(gòu)框圖如圖1-2。集中型監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，能夠可靠且安全的實時對雷電信息進行采集分析，其采樣卡是工業(yè)上常用的單元，采樣頻率帶較寬，性能較好。其缺點是：傳感器測量得到的是高頻模擬信號，且該信號需要進行長距離的傳輸，在傳輸過程中容易導(dǎo)致信號的衰減和畸變，導(dǎo)致失真，而且為了適應(yīng)長距離傳輸所匹配的電阻難；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較固定，擴展能力差，但需要進行多個點的監(jiān)測時，對工控機要求高，會時每個點的實時監(jiān)控產(chǎn)生影響；系統(tǒng)中的采樣機，工控機成本較高，這導(dǎo)致單個監(jiān)測系統(tǒng)成本過高，而且節(jié)點數(shù)過多，較為適用于變電站內(nèi)，對于架空輸電線路而言不太合適。分布型監(jiān)控該分布型監(jiān)控系統(tǒng)與集中型監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成相似，都是由前臺機和后臺機組成，但前臺機和后臺主機的作用與集中型監(jiān)控不同。前臺機由預(yù)處理電路、觸發(fā)電路、A/D轉(zhuǎn)換機、通信系統(tǒng)、波形處理電路主要進行信號收集和波形處理的作用，而后臺機主要對前臺機進行控制并收集前臺機發(fā)出的信息[18]。這種分布型結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外使用得也較多，有很多種方式可以控制數(shù)據(jù)采集單元和處理，比如文獻[19-20]采用單片機來實現(xiàn)這個功能；文獻[21-22]采用DSP來實現(xiàn)這個功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3所示。圖1.3分布型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖分布型監(jiān)控結(jié)構(gòu)的主要特點是：傳感器發(fā)出的信號經(jīng)同軸電纜傳輸?shù)角芭_機，在這里不僅可以進行數(shù)據(jù)的收集，還可以進行數(shù)據(jù)的分析，而且此前臺機可以安裝在離傳感器較近的地方，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程的的衰減，而且所采用的A/D轉(zhuǎn)換器和MCU的成本均比集中監(jiān)控的采樣卡和工控機便宜，大大降低成本。但是這種方式結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較高，需要較高的技術(shù)；而且前臺機處理數(shù)據(jù)的設(shè)備功能單一，性能較低，而且對于實時監(jiān)控所需的內(nèi)存較大。本文將采取分布型監(jiān)控結(jié)構(gòu)。2.4監(jiān)測系統(tǒng)的取能方式為了確保架空輸電線雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，必須要有獨立穩(wěn)定的供能系統(tǒng)?？紤]到架空輸電線通常所在的位置是比較偏遠(yuǎn)而且是在幾百米的高空上，如果采用一次性電源，每次更換都會是一個較大的問題，若直接從輸電線路上獲取電能，一旦電源部分出現(xiàn)了問題，容易引發(fā)主網(wǎng)發(fā)生故障，這樣會造成很大的損失，結(jié)合以上分析，可以考慮采用太陽能蓄電池供能的方式，風(fēng)能與太陽能相互結(jié)合的方式和蓄電池獨立供電方式。前兩種方式都是可循環(huán)環(huán)保能源，技術(shù)較為成熟，均能為監(jiān)測系統(tǒng)提供足夠的能量，而第三種是在一些特殊情況下才采用，因為單獨采用蓄電池就必須要定期更換，雖然會比較麻煩。但對于某些雷電發(fā)生概率較小的架空線而言，因為該系統(tǒng)處于開啟的時間并不長，所以耗電量也相對較小，這方法也不失為一個好的解決方案。2.3監(jiān)控系統(tǒng)的圖像/視頻在線監(jiān)控如今隨著科技的進步，無線通訊迅速的發(fā)展起來，電網(wǎng)也逐漸趨向智能化、自動化，考慮到部分架空線所處地理位置偏僻，道路崎嶇，地勢較高，又是雷電和暴風(fēng)雪的重災(zāi)區(qū)，為了在緊急情況能第一時間了解到該地的實際情況，可以在特殊的架空輸電線路段加裝攝像機，在監(jiān)控中心可以通過控制信號，控制攝像機的開與關(guān)。圖像/視頻在線監(jiān)控手段采用先進的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、長距離無線通訊手段，軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將攝像機拍攝到的視頻或者圖片合理壓縮，然后利用3g無線通訊技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸回控制中心，使遠(yuǎn)在監(jiān)控中心的工作人員能隨時觀察到該線路段的實際情況。這樣可以減少人員巡查的次數(shù)，而且在發(fā)生突發(fā)情況時可以第一時間了解，還能大大提高巡視的安全系數(shù)，一舉多得。2.4監(jiān)測系統(tǒng)通信方式研究分析2.4.13g通信技術(shù)（1）傳輸方式對比選擇系統(tǒng)的傳輸方式有很多，但基本都是采用無線通信，因為可以減少因布線的成本，而常用的無線通訊方式有wife、Zigbee、GPRS、3G、4G這幾種傳輸，他們各有特點。先來對比GPRS、3G、4G這三種傳輸方式，首先這三種方式是最近發(fā)展起來較為成熟的無線通訊方式，從3g到4g，傳輸速率越來越快，通信協(xié)議更加的復(fù)雜，通訊的保密性安全性越來越可靠。本系統(tǒng)對通信的要求是在具備足夠的安全性和較好的傳輸性能外，還必須具備足夠的傳輸效率。GPRS這種通訊方式是這三種中最早發(fā)明出來的，所以它的弊端也比較大，它額通信保密性和安全性不高，容易在傳輸過程中遭到被人盜竊，同時其傳輸速率不及另外兩種。而4g通信雖然現(xiàn)在比較普及，但是還是存在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)僅有3g，甚至只有2g信號，而部分大城市也存在著通信的盲區(qū)，有小部分地方4g通信并不好，而且4g的投資遠(yuǎn)比3g的大，而3g的傳輸速率和安全性已經(jīng)足以應(yīng)對架空輸電線的需求，所以本文采用3g無線通訊。ZigBee采用基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是靈活性高且對外開放的無線通信方式。該方式與以往的網(wǎng)絡(luò)覆蓋形式不同，它不是采用每個成本最低的節(jié)點來進行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而是采用一種篩選的方式進行選擇。首先，假設(shè)A節(jié)點需要連通，這一信息便會傳遞到其余的所有節(jié)點中，一旦節(jié)點接收到這條信息，便會在自己節(jié)點的路由傳輸表中尋找是否有相應(yīng)的路由到達A節(jié)點的。如果某一節(jié)點有相應(yīng)的路由到達A節(jié)點，則會向源節(jié)點報備，源節(jié)點會從所有符合條件的路由中選擇一條最近而且最可靠的線路，并將該條線路的信息存儲，若以后有相應(yīng)請求，則可以直接調(diào)用。若該路線出現(xiàn)了問題，則可以馬上從剩余的路線挑選一條較好的替代；若該路線所經(jīng)的路徑由于物體的遮擋，導(dǎo)致信號衰弱或者堵塞，則會再自選另一條更長一點的路線。這種無線傳輸方式具有傳輸距離近，高自主性和傳輸速率高的特點。但此傳輸方式的傳輸距離較短，且傳輸速率與安全性比3g通信低，而且隔墻后，傳輸信號會受到較大影響，所以本系統(tǒng)不采用這種傳輸方式。而Wife這種傳輸方式傳輸距離在100-300M，速率可達300Mbps，功耗10-50mA。具有低能耗，高速率的特點，但其傳輸距離較短，且安全性較低，所以本系統(tǒng)不采用。（2）3g通信的現(xiàn)狀3g通信是移動通信的第三代產(chǎn)品，是無線通信發(fā)展歷程中重要的一次創(chuàng)造。3g通信具有較高的傳輸速率，可以同時傳輸聲音、數(shù)據(jù)和圖像，也正因為其較高的速率，本文可以利用3g通信來進行視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸。3g通信現(xiàn)有三大運營商，分別是中國電信、中國聯(lián)通、中國移動。2.4.2光纖通信技術(shù)（1）特點光纖通信的比其他通信方式具有很大的優(yōu)勢，首先它的傳輸效率高，傳輸頻率范圍更廣的信號，可以一次性傳輸多種信息。其次，它的重量輕，且不是采用全金屬制造，而是利用了石英材料，其損耗非常的低，比采用任何其他的傳輸介質(zhì)還要低。由于光纖通信的光纖是絕緣材料，絕緣能力很強，這也導(dǎo)致其抗電磁干擾的能力強。最后，光纖通信的保密性很好，基本不會導(dǎo)致信號的外泄或丟失，具有很好的發(fā)展前景。（2）原理由于光全反射原理，光信號在光纖傳輸過程中，信號的波形和幅值基本保持不變，這比直接傳輸電信號具有明顯的優(yōu)勢。首先把需傳輸?shù)男盘栟D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再利用激光器發(fā)出隨電信號強弱變化的光信號，基于光全反射原理進行傳輸，在接受端處將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?.4.3監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式1、數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理器之間通過3g信號聯(lián)系。即各種傳感器收集到的信息，通過3g無線通訊方式傳輸?shù)降阶罱臄?shù)據(jù)處理器，進行數(shù)據(jù)分析，最后各數(shù)據(jù)處理器通過光纖傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C處，若部分線路沒有光纖線路，則先將數(shù)據(jù)處理器里的數(shù)據(jù)先行傳輸?shù)阶罱膿碛泄饫w通信的數(shù)據(jù)處理器，再通過光纖將信號傳輸?shù)街鳈C，這樣做的話，因為是先通過3g無線通信進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄徒臄?shù)據(jù)處理器，再通過光纖通信把所以處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C，這樣傳輸?shù)男盘柺д娉潭壬伲瑥姸雀叨野踩詮?。主機數(shù)據(jù)處理器采集信息 3g通信 光纖通信主機數(shù)據(jù)處理器采集信息2、采用視頻/圖像監(jiān)測，通過無人機或者攝像機將需要重點監(jiān)測的線段進行視頻監(jiān)控，將壓縮后圖像和視頻通過3g通信技術(shù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，在必要時進行實時監(jiān)控。2.5監(jiān)測系統(tǒng)定位研究與分析通過研究以往的監(jiān)測系統(tǒng)，可以知道，這些監(jiān)測系統(tǒng)采用的定位方式是通過給每個需監(jiān)控的節(jié)點編號，通過其與架空線的關(guān)系，從而確定其位置，但不難知道，這種定位方式是比較簡陋的，而且容易出錯，一旦其中一個編號編錯，或者在后期擴建時，編號間出現(xiàn)了錯亂，這將導(dǎo)致無法定位或者定錯位，這樣的后果極其嚴(yán)重。基于現(xiàn)今GPS定位技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)很成熟，主要有以下幾個優(yōu)點：1、全球、全天候工作.；2、定位精度高.；3、功能多，應(yīng)用廣，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車載、手機等各方面。4、實時定位速度快；5、抗干擾能力強，保密性好。GPS不僅能進行定位還能定時。GPS系統(tǒng)主要是由GPS星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機組成。其利用GPS同步衛(wèi)星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和GPS衛(wèi)星上面的時間進行同步的過程，因此GPS能傳輸?shù)男畔⒉恢刮恢眯畔⑦€有時間這一信息。2.6監(jiān)控系統(tǒng)防護措施由于該雷電監(jiān)控系統(tǒng)是安裝在高壓輸電線上的，該輸電線上有著復(fù)雜的電場與磁場，而且數(shù)值較大，容易影響到監(jiān)控系統(tǒng)的正常運作，而且由于該系統(tǒng)是安裝在雷電高發(fā)的地段，所以遭受雷擊是在所難免，為了減少雷擊對監(jiān)控系統(tǒng)所帶來的影響，必須要做好防雷措施，還有架空線在高處，容易積累污穢和溫度容易過高，為此我將列舉幾點關(guān)于架空線的防護措施。2.6.1抗干擾措施利用電磁波在不同介質(zhì)的交界處會發(fā)生折反射這一原理，可以采用一個密閉的金屬外殼機箱，且該機箱良好的接地，將設(shè)備放進該機箱內(nèi)，這然就能較好的屏蔽電磁波的影響。采用厚度為0.8mm以上的不銹鋼板來制作這一屏蔽機箱，該機箱可以對大多數(shù)的電磁波進行阻斷，足以保證機箱內(nèi)的設(shè)備不受外部電磁波影響[29-30]。根據(jù)電磁定律，該金屬機箱外部是等電位面，可以比較好的屏蔽外來的電磁波影響，該金屬箱如圖2.1.圖2.1防電磁干擾的全金屬屏蔽箱實物圖2.6.2防雷措施1、設(shè)備良好的接地。2、設(shè)備硬件電路加設(shè)防雷電路，避免遭受雷擊時被破壞。3、架空輸電線加裝避雷器和絕緣子數(shù)量。2.6.3針對系統(tǒng)自然環(huán)境的防護措施首先，由于架空線所處位置較高，附近無遮擋物，所以會受到太陽光的直射，散熱條件差，導(dǎo)線溫度會變得很高；其次，由于雨水的腐蝕，也會導(dǎo)致架空輸電線路上的設(shè)備遭受破壞；然后，較高的樹木也會對輸電線造成破壞，使線路發(fā)生短路故障；最后，一些鳥類會在架空線上休息，排泄，這也會在一定程度上對架空線的運輸造成威脅。而系統(tǒng)自然環(huán)境的防護主要是針對以上幾點進行對架空線的防護1、由于太陽光直射，設(shè)備密閉性較高，散熱性能較差，容易導(dǎo)致溫度過高，電子設(shè)備以及蓄電池在過高的溫度下無法正常工作，所以必須采取相應(yīng)措施進行降溫。先將導(dǎo)線和設(shè)備外部噴塑，保持表面光潔，減少熱量的吸收。在設(shè)備上部加裝夾層的塑料遮擋蓋，避免陽光的直射。同時使用塑料支架支撐電流線圈，降低熱傳遞，使設(shè)備內(nèi)部溫度降低。2、由于環(huán)境的變化，現(xiàn)在的雨水多為酸雨，對于金屬的腐蝕性太強，同時雨水還可能使架空線發(fā)生短路故障。對電子設(shè)備加裝金屬屏蔽箱不僅能提高內(nèi)部設(shè)備抗電磁波的能力，同時還可以降低雨水的危害，為了提高屏蔽箱的壽命，可以在其外部加一層塑料蓋。而電纜的外部由于是采用絕緣的塑料材料，可以很好的保護內(nèi)部不受雨水的危害，但在電纜的兩端是和設(shè)備連接，在這接口處是最容易發(fā)生故障的，為此可以在交接處用一個塑料套套住，避免雨水直接滴落。其次在電壓傳感器開口上方加裝一傘形塑料蓋，避免雨水直接滴落，同時將雨水快速甩落，而電流傳感器的塑料支架設(shè)計為多孔式，讓雨水可以通過這些孔流走，避免積水。3、戶外的架空線上難免會有污穢，但是由于該監(jiān)測系統(tǒng)采用封閉式，電流傳感器又有保護支架進行保護，污穢難以對電子設(shè)備造成危害，所以電流的測量影響很小，可忽略。但污穢會影響到非接觸式電壓傳感器的測量，所以在電壓測量時采用實時標(biāo)定的方式。同時由于污穢對太陽能蓄電池供能模塊會造成影響，影響能量的轉(zhuǎn)換率，但從長期來看該影響是基本穩(wěn)定于某一個值，所以在設(shè)計太陽能蓄電池供能系統(tǒng)時，要考慮到這一點，引入相應(yīng)的修正系數(shù)。4、對于離架空線較近的高大樹木，要對其進行適當(dāng)?shù)男藜?，必要時要把該樹木進行砍伐。。2.7本章總結(jié)本章主要是討論所設(shè)計的系統(tǒng)的一些關(guān)鍵問題。第一部分講述了系統(tǒng)控制信號傳輸?shù)牧鞒毯筒捎秒p參數(shù)測量的好處，以及對于監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇的探討。第二部分闡述了本監(jiān)測系統(tǒng)獲取電能的途徑，可以采用太陽能蓄電池供能方式，直接從太陽中獲取能量，能源清潔可循環(huán)，其次針對于梅雨天氣較多的地方可以采用風(fēng)光相結(jié)合的方式獲取能源，可以在一定程度上解決因陽光不足而帶來的影響，最后可以采用蓄電池的方法，定期更換蓄電池，這樣可以減少設(shè)備的投入，但增大了后期的成本，而本系統(tǒng)決定采用太陽能蓄電池的供能方法。第三部分主要是闡述了在監(jiān)測系統(tǒng)上增加了圖像/視頻監(jiān)控方式，可以讓在特殊天氣時或者平時的時候能隨時隨地的監(jiān)控的架空輸電線，減少人員巡視的次數(shù)，使整個系統(tǒng)更加智能化和自動化。第四部分主要闡述了無線通訊的方式，本系統(tǒng)對無線通訊的要求較高，要求該通訊在具備足夠的傳輸安全性和傳輸性能外的基礎(chǔ)上，具備較快的傳輸速度，而且成本要盡可能的低，為此選擇了3g通信的方式，本系統(tǒng)采用的是分布監(jiān)控方式，為了盡可能減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃p和失真，本系統(tǒng)采用無線通訊和光纖通訊相結(jié)合，傳感器采集的信號通過無線通訊傳輸?shù)阶罱那芭_機處，而相近的前臺機之間用3g通信方式傳輸?shù)綆讉€特定數(shù)據(jù)收集中心，接著這幾個數(shù)據(jù)收集中心通過光纖通訊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，所以只需在幾個數(shù)據(jù)中心處安裝光纖線路，從而降低成本。第五部分主要闡述了闡述了系統(tǒng)定位的手段，采用GPS定位方式，能準(zhǔn)確迅速的定位雷擊發(fā)生的地點，并能傳輸雷擊發(fā)生的時間，一舉兩得。第六部分主要闡述了監(jiān)測系統(tǒng)防護的一些措施，因為在線監(jiān)測系統(tǒng)都是安裝在高壓且容易遭受雷擊的架空線上，不僅具有復(fù)雜的電磁效應(yīng)，還有極大概率遭受雷擊，而且野外的環(huán)境較差，架空線會遭受來自雨水，太陽輻射和動植物的影響，所以必須采取相應(yīng)的措施對架空線進行防護，保證架空線上的監(jiān)控系統(tǒng)正常運行。3.雷擊輸電線路的仿真分析3.1概述本文采用PSCAD/EMTDC仿真軟件，搭建了一個220kV的簡易架空輸電線路模型，該軟件廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真，其輸出是瞬時輸出，可以較為直接的看出所測的電流電壓波形。本文利用該軟件研究單相接地故障與直擊雷故障進行對比，分析這兩者波形上的區(qū)別。3.2雷電流模型本文采用雙指數(shù)雷電流模型。采用雙指數(shù)雷電流模型主要有兩大好處，第一點是雷電流上升速度較快，第二點是模擬出來的波形與實際雷電流波形十分相近，其表達式如下：iL（t）=AIL(3-1)式中：A為雷電流幅值的修正系數(shù)，IL為雷電流幅值(kA)，α、β為對應(yīng)波形系數(shù)。常用雙指數(shù)波形參數(shù)[21]，如下表3-1所示，雙指數(shù)函數(shù)模型表述清晰，方便進行積分與求導(dǎo)等數(shù)學(xué)運算，模型中雷電流的幅值可以快速達到最大值，一般常用于用于雷電流的近似分析。表3-1雙指數(shù)雷電流不同波形參數(shù)雷電流波形t0/μsAα(s-1)β(s-1)0.25/100μs0.06771.0056.986×1031.085X1070.84/40μs0.09711.03281.821X1043.600X1061.56/60μs0.18191.04031.227X1041.888X1061.2/50μs0.23971.052.125X1042.456X1068/20μs0.6822.337.714X1042.489X10510/200μs1.7961.0913.914X1032.31X10510/700μs2.1511.0261.028X1032.579X1053.3輸電線路仿真實際工程中對于不同長度的線路分別予以不同的情況分析。對于較短的線路，一般只需考慮它的線路阻抗，而對于中等長度的線路，要考慮它的電導(dǎo)作用，然后可以把它分為T型或π型電路。最后對于長度較長的線路，必須考慮線路分布參數(shù)的影響。在PSCAD仿真軟件中，基本是會采用以下三種模型，第一種是PI模型，第二種是Bergeron模型，第三種是頻率相關(guān)模型。在線路較短時，常用π型電路來模擬，但是π型電路通常只適用于基頻電路，如果要模擬頻率變化的電路，需要多個π型電路的串聯(lián)，故在考慮頻率變化的電路時，基本不考慮采用PI模型。Bergeron模型的主要構(gòu)成是有LC分布參數(shù)與集中電阻組成，它可以在基頻電路中使用，也可以在其他的頻率中采用，可以近似地實現(xiàn)多種頻率下線路阻抗，故本文采用此模型。3.4桿塔模型仿真中有兩種常用的桿塔模型，分別是傳輸線波阻抗模型和電感模型。電感模型較為簡單，是由一個集中電感和一個電阻串聯(lián)而成。如果采用單一波阻抗模型，該模型是將整一個桿塔看做波阻抗不變傳輸線，但是因為桿塔不同結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)的波阻抗會不一樣，雷電波在經(jīng)過不同波阻抗的分解處會發(fā)生折返射，所以必須考慮到不同波阻抗這一特點，于是采用分段波阻抗來對桿塔進行模擬[32]。本文將以模擬220kV酒杯型桿塔為例，如圖3-2所示。其中，ZT為主支架波阻抗，ZA為橫擔(dān)波阻抗，R為桿塔沖擊接地電阻。圖3-3為在PSCAD搭建的桿塔模型。圖3-2桿塔結(jié)構(gòu)及多段波阻抗模型圖3-3仿真桿塔模型3.5雷擊干擾與故障仿真結(jié)合以上元件，本文利用PSCAD搭建了220kV架空輸電線路仿真模型，如圖3-4，主要是利用了1.2/50μs，大小為10KA的雷電流，分別做了雷電直擊雷和單相故障的仿真，從而分析分辨出發(fā)生故障是雷電流引起還是非雷電流引起的，故障相取為C相，發(fā)生故障時間為0.05s。圖3-4架空輸電線仿真模型圖3-5雷擊桿塔時橫擔(dān)中部電壓波形圖3-6雷擊桿塔時桿塔接地處入地電流波形圖圖3-7單相接地故障線路電流圖3-8單相接地故障線路暫態(tài)電流波尾圖分析：根據(jù)以上圖片可知，因雷擊造成線路故障，其暫態(tài)電流波尾時間為μs級，而因非雷擊造成線路故障（多為單相接地故障），其暫態(tài)電流波尾時間為ms級，通常遠(yuǎn)大于50μs，這是因為以1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)型雷電流模型，其波尾時間短，發(fā)生雷擊故障時線路故障電流可視為雷電流入射線路和入地后反射到線路兩部分疊加的結(jié)果，這兩部分電流極性相反，又加快了暫態(tài)電流的衰減，其衰減速度明顯快于非雷擊故障的暫態(tài)電流衰減速度。此監(jiān)測系統(tǒng)可以以此為參考依據(jù)，從而判斷故障的發(fā)生是否因為雷擊而引起的。3.6本章總結(jié)本文通過采用雙指數(shù)雷電流模型，Bergeron架空線模型，分段波阻抗桿塔模型這幾種模型搭建了一個簡易的220kV架空輸電線路模型，通過模擬常發(fā)生的非雷擊故障——單相接地故障和架空線路上易于發(fā)生的雷電直擊桿塔的雷擊故障，得到發(fā)生單相接地故障的故障電流和直擊雷故障電流，通過比較其電流波尾的衰減速度發(fā)現(xiàn)，雷擊故障的電流波尾衰減速度為微秒級，而單相接地故障的電流衰減速度為毫秒級，據(jù)此可以通過波形基本判斷出雷擊故障和非雷擊故障。之所以衰減的速度具備這么明顯的差異是因為發(fā)生雷擊故障時線路故障電流可視為雷電流入射線路和入地后反射到線路兩部分疊加的結(jié)果，這兩部分電流極性相反，加快了暫態(tài)電流的衰減。4.信息監(jiān)測單元設(shè)計4.1雷電信息監(jiān)測單元設(shè)計對于雷電信息的監(jiān)測必須監(jiān)測到兩點，一是雷電的發(fā)生與否，二是雷電流的大小和線路過電壓的大小。對于天氣預(yù)測臺來說，他們是將這兩者相結(jié)合用一個傳感器來完成，這樣可以減少所需的體積，但考慮到本系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)中電能的重要性，如果長時間使這一個傳感器通電，會造成電量的大量損耗，所以本系統(tǒng)將雷電信息的監(jiān)測分為兩步，第一步先監(jiān)測到雷電的發(fā)生，第二部才啟動監(jiān)測雷電流大小的傳感器，這樣可以在一定程度上減少電量的損耗。（1）雷電發(fā)生監(jiān)測傳感器本系統(tǒng)采用閃電傳感器采用AMS獨具創(chuàng)新的AS3935數(shù)字閃電傳感芯片與Coilcraft的MA5532-AE專用天線，可在室內(nèi)或室外，安全地檢測方圓40km范圍內(nèi)發(fā)生閃電的距離，閃電相對強度與統(tǒng)計閃電發(fā)生次數(shù)。AS3935傳感器的工作原理是利用射頻探測器探測閃電所發(fā)出的電能，將所獲得的信息進行轉(zhuǎn)換，得出暴雨到達時距離目標(biāo)處的遠(yuǎn)近，通過利用氣象臺多年來累積下來的數(shù)據(jù)，可以較為準(zhǔn)確的確定該距離的大小，最大是41公里，最小差不多1公里。由于AS3935傳感器的體積較小，易于集成，功耗低，測量準(zhǔn)度較高，因此被廣泛的應(yīng)用到各種設(shè)備中，諸如爬山、足球比賽、垂釣、出海等戶外活動設(shè)備中，還可以用來對室內(nèi)的智能網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備等進行早期監(jiān)測，避免雷電對其造成嚴(yán)重的損害。其結(jié)構(gòu)圖如圖4-1.原理圖如圖4-2.其中探測器的前端是由100uH中波天線與AS3935傳感器芯片構(gòu)成的，而SPI接口的作用是使AS3935傳感器芯片與控制器之間進行通信，只需要在外圍電路中對其進行電容匹配設(shè)計和供電就行。該芯片為寬電壓供電，供電范圍為3.3V-5.5V。對雷暴前鋒的距離估算值雖然可以由該傳感器實現(xiàn)，但該傳感器卻無法進行雷電流大小的測量。（2）雷電流大小監(jiān)測傳感器據(jù)前面的分析，測量雷電流的大小是采用基于羅氏線圈的電流傳感器。本設(shè)計中選擇上海品研測控技術(shù)有限公司設(shè)計生產(chǎn)的RCT硬性羅氏線圈。這款傳感器是使用的范圍較廣，在雷電流監(jiān)測這樣領(lǐng)域中較為常見，在氣象監(jiān)控中也常見。該產(chǎn)品有如下優(yōu)點：1、可測量范圍廣，可測范圍為1A-100kA，能基本滿足雷電流測量的要求。2、該羅氏線圈可過載運行，這可以提高監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性。3、該羅氏線圈開路并不會造成高壓的危險，提高設(shè)備的安全性。4、對被測導(dǎo)體無負(fù)載消耗，可以減少設(shè)備的發(fā)熱，提高設(shè)備的壽命。5、圈內(nèi)不同測量位置誤差小，僅為1%。6、該設(shè)備柔軟輕便，適合于各種受限位置安裝。7、由于羅氏線圈是采用非鐵磁材料制造的，所以不會像其他互感器一樣存在磁飽和的現(xiàn)象，也就不會因磁飽和而發(fā)生鐵磁諧振，從而提高了測量的準(zhǔn)確度。該傳感器實物圖：羅氏電流傳感器工作原理分析：羅氏電流傳感器又稱為微分電流傳感器，主要作用是用來測量電流。該傳感器是由導(dǎo)線纏繞被測導(dǎo)體，當(dāng)導(dǎo)線中的電流發(fā)生變化時，由電磁感應(yīng)定律可知，導(dǎo)體周圍的磁場會發(fā)生變化，從而使導(dǎo)線上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，該電動勢的大小和導(dǎo)體中電流與時間的倒數(shù)成比例，該比例系數(shù)的大小和線圈匝數(shù)、一圈導(dǎo)線所纏繞的截面積還有磁導(dǎo)率有關(guān)。再通過積分電路，將感應(yīng)出的電動勢進行積分，便可以得到導(dǎo)體的電流。一、羅氏線圈工作原理羅氏線圈探頭基本結(jié)構(gòu)原理示意圖羅氏線圈是一個纏繞在非鐵磁材料上的環(huán)狀線圈，由于采用了非鐵磁材料，所以沒有磁飽和和鐵磁諧振的問題。有兩種類型，分別是柔性和硬性，測量時，只需把線圈套在被測物體上，就可以測出被測物體的電流值大小。羅氏線圈主要是利用了電解定律和安培環(huán)路定理：∮H·dl=I(t)由B=μH，e(t)=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e(t)=M·di/dt，得：其截面為矩形時，M和自感系數(shù)L分別為：M=μ0*N*h*ln(b/a)/2πL=μ0*N2*h*ln(b/a)/2π上式中，H為線圈內(nèi)部的磁場強度，B為線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強度，μ為真空磁導(dǎo)率，N為線圈匝數(shù)，e(t)為線圈兩端的感應(yīng)電壓a、b分別為線圈橫截面的內(nèi)外徑，h為截面高度。由此可見，線圈一定時，M為定值，線圈的輸出電壓與di/dt成正比。二、積分器工作原理為了能測量被測物體的電流值，必須將感應(yīng)電動勢進行積分，為此必須有一個積分電路，但由于感應(yīng)電動勢值非常小，如果直接進行積分，會造成很大的誤差，因為輸入時會有很多其他的干擾信號，為此，我們可以在積分電路前加裝一個放大電路，將感應(yīng)電動勢的值放大，這樣不僅可以減少干擾信號，還能較容易的測量到電流值的大?。悍糯蠓e分電路原理示意圖4.2其他信號監(jiān)測設(shè)備設(shè)計（1）溫度傳感器設(shè)計本系統(tǒng)采用microchip公司的EMC1815是多路低電壓遙控二極管溫度傳感器，具有±1℃的精度，工作溫度-40℃到+125℃，溫度傳感器分辨率0.125℃，SMBus/I2C兼容接口（高達400kHz），工作電壓1.62V-3.6V。該設(shè)備系列引入了變化率溫度測量和相關(guān)警報。這提供了一個先發(fā)制人的系統(tǒng)警報和另一個保護測量層來捕捉和管理可變的系統(tǒng)溫度。電阻誤差修正自動消除串聯(lián)電阻引起的溫度誤差。如果需要的話，此功能允許使用導(dǎo)線來路由長記錄道和非車載連接。自動β補償消除了對基板二極管和晶體管配置的需要。電阻誤差校正功能可自動消除由串聯(lián)電阻引起的溫度誤差，從而在路由熱二極管方面具有更大的靈活性。β補償消除了當(dāng)前精細(xì)幾何處理器中常見的由低可變β晶體管引起的溫度誤差。自動β檢測功能確定傳感器外部二極管/晶體管的最佳設(shè)置。這就讓用戶不用為每個溫度監(jiān)測應(yīng)用程序提供獨特的傳感器配置。這些先進的特性加上外部和內(nèi)部二極管溫度的±1℃測量精度，為臨界溫度監(jiān)測應(yīng)用提供了一個低成本、高度靈活和精確的解決方案。EMC1815系列功能框圖EMC1815系列系統(tǒng)框圖（2）濕度傳感器本系統(tǒng)采用Humirel公司的HM1500型號濕度傳感器，原理圖如4-這款濕度傳感器是一款電容式濕度傳感器，采用了對濕度變化極為靈敏的電容和將該電容大小的變化進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換的電路，由于電容變化并不明顯，所以會在內(nèi)部加裝一個放大電路。該濕度傳感器采用恒定電壓供電，能夠?qū)穸绒D(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓值。由圖可知，兩個電容是串聯(lián)連接。其中濕敏材料是一種化學(xué)材料，當(dāng)濕度發(fā)生變化時，里面的材料將會發(fā)生相應(yīng)的變化，使介電常數(shù)發(fā)生變化，濕度越小，介電常數(shù)越小，電容值越小，通過變換電路，將電容值大小的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷簛盹@示。一、因為輸入端的信號強度極弱，所以為了提高轉(zhuǎn)換的精度，必須增加一個放大電路，放大電路原理圖如下圖4.19所示。運放電路的放大作用是通過運算放大器LM358實現(xiàn)，為了保證器件的可靠性，采用工業(yè)級寬溫帶級別的產(chǎn)品。為了較為理想的放大信號，必須依據(jù)具體的傳感器參數(shù)進行微調(diào)，對此可以調(diào)節(jié)R184電阻和R185電阻的大小。至于電路中電容等參數(shù)大小的確定就必須要通過對放大器的微調(diào)中進一步確定。圖4.19溫度數(shù)據(jù)的運算放大原理圖Fig.4.19Operationalamplifierschematicdiagramoftemperaturedata二、通常在運放的后面都會跟一個電壓跟隨電路，其目的是為了減少次級的輸入電阻。因為運放電路的特點是輸出阻抗非常大，但是次級的輸入電阻要求要比較小，如果直接將這兩級相連，產(chǎn)生很大的噪音損耗，所以考慮在這兩級間加裝一個電壓跟隨電路，因為電壓跟隨電路的特點是輸入電阻大，輸出電阻小，而且輸出電壓隨著輸入電壓變而變。圖4.20電壓跟隨電路原理圖4.3GPS模塊的設(shè)計本設(shè)計中采用ATK-NEO-6M這一GPS型號模塊。這一型號模塊具有測量輸出頻率高，其最高值可達5Hz，還有其追蹤靈敏度高達-161dBm的這兩大優(yōu)勢。模塊本身自備絕緣能力強的陶瓷天線，因此不必外加天線設(shè)備，也不用為天線預(yù)留插口。控制器與模塊之間通過串口協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，接口采用常用的4PIN插針，這個插針的尺寸非常小，其中寬范圍電源供電的范圍為2.7-5.5V。ATK-NEO-6M這一型號模塊本身擁有幾十個通道，所以它可以同時對多個衛(wèi)星進行追蹤，而且自動捕獲衛(wèi)星所需時間非常短[28]。4.4在線監(jiān)測系統(tǒng)供能方式設(shè)計雷電監(jiān)測設(shè)備在使用中，需要從高架線上引電，這種方式成本較高，并且施工十分復(fù)雜，致使系統(tǒng)對外部環(huán)境有一定依賴性。本設(shè)計中一定要避免上述問題，使用獨立的電源供給，因監(jiān)測系統(tǒng)的電子設(shè)備所損耗的電能不多，因此供能方式眾多，下面我將列舉幾種常用的供能方式。太陽能-蓄電池供能方式一般而言，針對于架空輸電線路的監(jiān)測系統(tǒng)而言是沒有可以可供其利用的交流電，若是直接從輸電線上獲取的話，不僅在安裝時會造成線路停電，還會因設(shè)備的故障而造成電網(wǎng)發(fā)生故障，而且會增加干擾源，因此需要考慮采用獨立供電的方式，可以利用太陽能蓄電池供電方式，太陽能供電技術(shù)較為成熟，而且能源環(huán)保，屬于可再生能源，可以使電能的產(chǎn)生與損耗形成一個相結(jié)合，減少電源更換的次數(shù)，同時蓄電池可以在太陽不足時用以發(fā)電，在太陽光充足時，可以存儲電能。圖4.7所示[23-25]為太陽能蓄電池間工作的原理圖。負(fù)載負(fù)載太陽能電池板高性能鋰電池充放電控制器太陽能電池板高性能鋰電池充放電控制器這個太陽能供電方案主要由四部分組成，分別是太陽能電池板、充放電控制器、高性能鋰電池和負(fù)載組成。在陽光充足時，太陽能電池板將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過充放電控制器將電能一部分供給負(fù)載使用，一部分用以給蓄電池充電。在夜晚或者陽光不足的早上，鋰電池可以通過充放電控制器將電能傳輸給負(fù)載，供負(fù)載使用。由此可見充放電控制器的作用主要是控制太陽能電池板、鋰電池和負(fù)載間電能的轉(zhuǎn)變關(guān)系。當(dāng)太陽能電池板工作且足以提供給負(fù)載的電能時，充放電控制器可以將部分電能給鋰電池充電，以便在陽光不足的白天或黑夜為負(fù)載供電。同時在鋰電池上應(yīng)該有一報警裝置，當(dāng)其電量不足以為負(fù)載提供充足的電量，在當(dāng)?shù)刈罡邿o陽光日子數(shù)的時間時，應(yīng)該發(fā)出報警信號，提醒工作人員及時更換電池。（2）風(fēng)能-太陽能相結(jié)合方式太陽能與蓄電池為監(jiān)測系統(tǒng)提供電能的方式雖然安全可靠，但考慮到在一些潮濕、梅雨天氣過多的地方，如南方的梅南天天氣時，經(jīng)常會有一段較長的時間沒有陽光，這時太陽能蓄電池這種供能方式需要經(jīng)常更換電池，或者采用容量非常大的蓄電池，但這樣的蓄電池體積大，重量大，更換和安裝也不方便。但考慮到架空線安裝的位置都是比較高的地方，風(fēng)力會比較大，基于這些情況，可以考慮采用風(fēng)光相結(jié)合的供電方式。這種方案雖然在一定程度上可以減少太陽能供電的缺陷，但采用風(fēng)光相結(jié)合的方式會使設(shè)備的投入大大增大，而且一旦損壞需要整個更換，所以應(yīng)該視情況而安裝，在風(fēng)力較大的地方可以考慮這種方式。圖4.8所示[26-27]為風(fēng)光相結(jié)合供能系統(tǒng)的原理簡圖。圖4.8風(fēng)光相結(jié)合供電方案的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4.8Structurediagramofpowersupplyschemeforwindsolarhybridpowersupply這種供電方式主要由風(fēng)力發(fā)電機、太陽能電池、風(fēng)光相結(jié)合控制器、蓄電池、主控單元、通訊單元組成，工作原理與太陽能供電相似，只是風(fēng)光相結(jié)合控制器是控制選風(fēng)力還是太陽能為蓄電池充電，然后由蓄電池為負(fù)載供電。（3）蓄電池供能方式針對某些偏遠(yuǎn)的且短時停電并不會造成很大影響的地方，遭受雷電的概率不大，因監(jiān)測系統(tǒng)電子設(shè)備的功耗不大，也可以采用僅由蓄電池供電，定期更換蓄電池，也是一個可取的辦法。4.53g模塊的設(shè)計本系統(tǒng)所采用的3G模塊是華為的MC706CDMAEV-DO通信模塊。這個模塊具有穩(wěn)定性高，傳輸效率高的優(yōu)點，其中上傳速度可達1.7Mbit/s，下載速度可達3.2Mbit/s。其次，該模塊的功耗較低，待機電流很小，而且能接收到小于-106dBm的信號。它的處理器是和串口通信互相連接，同時支持短信傳輸業(yè)務(wù)和語音傳輸業(yè)務(wù)。這個模塊的尺寸非常小巧，容易集成，故應(yīng)用范圍很廣。4.6本章小結(jié)本章主要闡述了針對架空輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)特點所用到了的閃電傳感器AS3935、雷電流測量傳感器RCT硬性羅氏線圈傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器的工作原理以及一些特點，并簡要的介紹了這些傳感器的制作。并分別介紹了本系統(tǒng)所采用GPS模塊和3g模塊的設(shè)計，以及在線監(jiān)測系統(tǒng)的供能方案。5結(jié)論作者通過翻閱眾多國內(nèi)外文獻和期刊，基于自己的理解闡述了如何搭建一個架空輸電的雷電在線監(jiān)測系統(tǒng)。本文所搭建的系統(tǒng)是采用太陽能蓄電池供電系統(tǒng)，采用GPS定位系統(tǒng)，定位雷電發(fā)生的位置，增設(shè)圖像/視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用閃電傳感器AS3935、雷電流測量傳感器RCT硬性羅氏線圈傳感器、EMC1815型號溫度傳感器和HM1500型號濕度傳感器，將檢測到的信號，通過3g無線通訊技術(shù)和光纖通信的手段，將信息安全且快速的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心處，使整個系統(tǒng)更加智能化和自動化。通過利用PSCAD搭建簡易的220kV架空輸電線路模型，從波形上分析如何區(qū)別雷擊故障和非雷擊故障。由于本人的知識面還不夠廣，本監(jiān)測系統(tǒng)仍存在很多不足之處，還未進行實際的應(yīng)用，還沒進行相應(yīng)的運行測試和由于雷電天氣可遇不可求，因此對真實情況下的應(yīng)用較難模擬。所以在未來的工作里，作者會繼續(xù)完善該監(jiān)測系統(tǒng)，使其能盡快的在電網(wǎng)中實行。

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