配电线路雷电过电压在线监测系统

1 概述

     据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000～4000人，财产损失更是达到惊人的200亿元，雷电灾害已成为破坏性日趋严重的气象灾害之一。雷电带来的电磁暂态现象属于电磁污染范围，而电磁污染是世界公认的继水质污染、大气污染、噪声污染之后的第四大污染。随着工农业生产和人民生活的现代化，对铁路、航空、金融、电力、电信、电视、网络等服务系统和设施可靠性及服务质量要求也越来越高，人类活动对这些公用事业的依赖性也越来越大，对雷电防护提出了更高的要求，因此对雷电过电压准确测量显得越来越重要。 

    从电力系统的角度出发，雷电已经成为了电力系统故障的*主要原因，无论是线路、变电站还是配电系统，如何使它们能够更好的抵御雷电和雷电感应产生的电磁暂态过程的冲击是电力系统雷电防护中*为关心的问题。这还是需要建立在对雷电的放电过程和雷电过电压的各项参数有充分认识和了解的基础上。

    配电线路雷击过电压波形监测系统，又称多通道雷电过电压测量装置，能够对在恶劣野外环境中运行的配电线路的雷击情况进行实时的在线监测，系统通过GPRS网络对数据进行传输，专家分析系统综合各种雷电过电压参数。方案中所采用的技术，以及所使用的设备都经过严格的考证，并成熟地应用于各个领域。本系统利用GPRS网络，实现配电线路雷电特征参数的远程监控，管理人员在办公室就可及时、准确地了解到雷电过电压特征参数。

     因为雷电是一种随机程度很高的自然现象，所以要大量的测量雷电过电压参数，*好的方法就是大量的安装测量装置，但是受到各种实际条件的制约，这样的做法显然是不合适的，所以在测量装置安装地点的选择上首先要考虑以往的雷电活动规律，特别是雷击点的分布规律和雷击次数的统计规律。根据不同的雷电活动强度可以将测量地点划分为多雷击区域和少雷击区域，比如通信基站的信号塔，广播电视发射塔这些独立、高大的建筑物，以及容易遭受雷击的配电线路的局部和某些变电站，这些都属于高雷击区域。所以在这些地点安装相对较复杂，数据记录能力较强的测量装置。而在其它的少雷击区域可以选择记录功能较单一（只记录幅值），结构较为简单，造价较低的测量装置。这样可以充分利用可用的测量资源，*大限度地测量和收集配电线路雷电过电压的参数信息。

       目前对雷电过电压特征参数的研究大都依靠模拟和仿真的方法，而对实际线路的雷电过电压特征参数，包括波形、幅值、上升时间、持续时间等都缺少实际数据。如何能够获得真实的雷电过电压数据，这对于雷电放电过程的认识和雷电防护的研究都十分有意义。

      

     

2 系统结构与工作原理

2.1 系统设计思想及主要技术关键

    该系统的目标是实现多通道雷电过电压测量装置并应用于远程在线监测。根据系统目标，系统设计分为三层结构，分别为数据采集终端层、基站通讯层、专家分析控制系统层。

   1、 数据采集终端层包括：雷电过电压传感器、高速数据采集处理单元、太阳能蓄电池供电系统。

    （1）雷电过电压传感器     包括电容分压器和二次适配器，通过电场耦合把高幅值的雷电过电压转化为低电压信号。电容分压远离传感器具有以下的优点：

      ①绝缘结构简单，无易燃易爆等危险；

      ②正常工作时泄漏电流小；

      ③低压侧无过电压危险；

      ④造价低、频率范围宽、响应速度快。

      （2）高速数据采集处理单元   包括高速处理器、高速AD、缓存器以及相应的控制电路，对电容分压器耦合出来的电压信号进行高速采集，保证信号的完整性和精确度。在高电压、大电流的强电场环境中，以微电子线路为主体的微处理器、计算机及网络等监测装置常受到强电磁辐射、雷电冲击、高频噪声和谐波干扰等影响，引起系统可靠性降低，轻则造成系统工作特性下降或产生误动作，重则系统“死机”。为解决抗干扰问题，系统在硬件和软件两方面都采用了相应的措施。所有外漏信号传递导线均采用双层屏蔽线，其中外层屏蔽在靠近铁塔绝缘子的铁头接地，而内层屏蔽在检测装置位置接地。除少数传感器外，整个数据采集单元都置于完全屏蔽的屏蔽盒中，而对于传感器的输入接口，也采用了防渗、防干扰等措施，确保接口的可靠性。系统工作环境除了有强电场干扰外，还存在强磁场干扰，所以系统特别采用双层屏蔽线引入采集到的信号和屏蔽盒内层隔离的方法，防止强磁场干扰。

    （3）太阳能蓄电池供电系统，本系统采用太阳能电池对蓄电池进行浮充的供电方式，采用微处理器监测模块对太阳能和蓄电池进行实时的监测，严格按照蓄电池的充放电特性曲线进行充放电控制，大大延长了蓄电池的使用寿命。系统同时采用12V、103h蓄电池供电，即使在连续30天无阳光的情况下系统也可正常运行，加上4块共计120W的太阳能板后，可以为系统的常年运行提供充足的能量。

    2、  基站通讯层包括前端监测终端和后台主站系统。前端监测终端安装在线路杆塔上，主要由雷电波采集传感器、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。前端监测终端采集传感器数据，通过GPRS网络传送到在Internet上的后台主站系统。

    3、专家分析控制系统层包括：

      A、数据接收软件：综合数据实时接收平台（HT-UDP）清华大学雷电项目专用；

      B、波形查看软件：雷电过电压在线监测系统V1.0；

      C、操作系统：Windows XP等。

      专家分析控制系统层是本系统的重要组成模块，分别有：线路、杆塔档案的建立；雷电波形及其参数查询。所有客户端可以随时对数据进行各种查询、浏览、打印、存档。

      系统的主流程如图1.1所示。

                                  

图1.1　多通道雷电过电压测量装置工作流程示意图

 

2.2 系统结构与工作原理

      数据采集终端层包括雷电过电压传感器、高速数据采集处理单元、太阳能供电系统，通过这些模拟监控设备把雷电过电压转化为弱电信号，完成信号的高速精确采集，并保证整个系统的供电安全。基站系统包括前端监测终端和后台主站系统。前端监测终端安装在线路杆塔上，主要由雷电波采集传感器、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。前端监测终端采集传感器数据，通过GPRS网络传送到在Internet上的后台主站系统。后台主站系统是用于远程接收系统测得的雷电过电压波形信号，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。

      多通道雷电过电压测量装置系统设计分为三层结构，分别为数据采集终端层、基站层、专家分析系统层，如图1.2所示。

图1.2　多通道雷电过电压测量装置结构示意图

2.3数据采集终端层

     数据采集终端层包括：雷电过电压传感器、高速数据采集处理单元、太阳能供电系统，如图所示。

数据采集终端示意图如图1.3所示。

图1.3　雷电过电压数据采集终端示意图

2.3.1基于电容分压原理的雷电过电压传感器

（一）技术特性

1、整体分压器参数

（1）高压电容：CT=    400    pF

（2）低压部分：

电容：    CS=      47  nF

测量电阻的匹配电阻：

 RK=    50   Ω

2、额定电压：                  200      kV

（1）高压部分的额定电压:

雷电冲击        1.2/50μs     200              kV

（2）低压部分的额定电压:

雷电冲击        1.2/50μs     额定电压

3、整体分压器的传递特性：

高压引线的长度：                       m

响应时间：                       <100         ns

过冲：                         <5.0        %

4、分压比：

             祥见二次衰减器                              

5、附加数据：

温度范围：          -20~+40        ℃

            分压器总高度：              1.2              m

            分压器重量：           30        kg

 2.3.2 中央数据处理单元

        中央数据处理单元包括高速处理器、高速AD、缓存器以及相应的控制电路，对分压器耦合出来的电压信号进行高速采集，保证信号的完整性和精确度

2.3.3 系统控制流程

     采集系统控制流程如图1.5所示，包括：系统初始化，采集控制，数据传输等，完成整个系统的整合和模块间的协调。

2.3.4 太阳能供电系统

      利用光伏原理实现能量转换，与低压侧无电的联系，宜于绝缘，不影响配电线路的正常运行，安装运行方便。但需提供外加太阳能板置于高压侧，在高压侧容易产生爬电，而且供电质量易受外界气候条件的影响，本系统采用先进的太阳能供电系统，合理选择安装位置，保证系统供电安全。

      本系统采用太阳能电池对蓄电池进行浮充的供电方式，采用UP监测模块对太阳能和蓄电池进行实时的监测，严格按照蓄电池的充放电特性曲线进行充放电控制，大大延长了蓄电池的使用寿命系统采用12V、103Ah蓄电池供电，即使在连续30天无阳光的情况下系统也可正常运行，加上四块共计120W的太阳能板后，可以为系统的常年运行提供充足的能量。

      太阳能板的封装玻璃低反射率玻璃，感光表面可吸不可见光。通常的太阳能发电装置吸收太阳能都是利用太阳的可见光部分，就是人们感受到的晴天阴天时的太阳光，这部分光受天气影响很大。而该太阳能板能够吸收太阳全光谱的能量，就是包括了赤橙黄绿青蓝紫在内的可见光部分和紫外线、红外线等不可见光部分，保证了在阴雨天里，也可以为采集终端提供电源。

     本系统采集终端具有高智能化电源管理系统：

    低电压保护：当蓄电池的电压低到不足正常工作时，系统便会启动低电压保护程序，使系统进入休眠状态，但休眠状态时每天也只采集一组数据发送到后台，直到蓄电池电压恢复到足够工作时，系统才会恢复正常工作。

    自动休眠：当采集终端在进入低电压保护后，长时间还得不到充电，系统便会返回一条进入休眠的消息，然后进入休眠状态，等待蓄电池电压恢复到足够工作时，系统才会恢复正常工作。

    过电流保护：当有大电流，过电流保护模块会自动阻断，保护采集的MCU不会被大电流烧毁。

2.4基站通讯层

    基站系统包括前端监测终端和后台主站系统。前端监测终端安装在线路杆塔上，主要由雷电波采集传感器、主处理器单元、通信模块和供电单元构成。前端监测终端采集传感器数据，通过GPRS网络传送到在Internet上的后台专家分析控制系统。

2.5后台专家分析控制系统层

    后台主站系统是用于远程接收系统测得的雷电过电压波形信号，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。

     本后台系统界面通过菜单操作，由下拉式菜单和弹出式菜单，通过菜单实现人机交换，后台分析控制系统是用于远程接收测得的雷电过电压波形信号，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。根据安装点提供的配电导线的类型、线路的架设档距，在专家分析系统中建立相关的基础数据，并设置合适的系统参数，系统主要功能如下：

1）线路、杆塔信息档案的建立

系统可建立较为详尽的线路、杆塔信息基础档案，以提供在数据计算分析依据和查询时的必须资料；

2）相关参数的设置

根据安装运行线路提供的相关信息设置适合于该地区的技术参数，提供系统通讯、采集点地址、人员密码的配置功能。方便对某一时刻各安装线路情况进行随时掌握、管理，确保系统稳定运行和随时对前端数据进行接收、请求。

3）数据查看与备份

系统可随时查看当前数据，比如蓄电池电压等参数，并对数据进行备份。也可查看历史数据，对同一时期的不同线路或者不同时期的相同线路的返回数据进行对比。

4）数据分析与远程控制

根据当前运行参数，判断监测系统的运行情况，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。

3 系统功能简介

3.1主要技术性能指标

3.1雷电过电压传感器

1.        量程范围：0-200kV

2.        尺寸：直径10cm

3.        重量：60g

4.        带宽：30MHz

3.2数据采集系统

1.        抗干扰：防电磁干扰、防水；

2.        AD输入范围：±0.5V

3.        AD供电：2.7-3VDC

4.        采样速率：≥10MSPs

5.        分辨率：10Bit

6.        FIFO供电:3-5VDC

7.        数据存储深度：≥800μs

8.        触发方式：硬件自触发

9.        通讯速率：9600bps

10.    功耗：＜30mA

3.3太阳能供电系统

1.        在连续阴雨没有阳光的条件下，系统可持续工作30天不断电；

2.        蓄电池电池容量：103Ah

3.        太阳能电池输出电压：5.5—7V；

4.        低电压保护：当蓄电池的电压低到不足正常工作时，系统便会启动低电压保护程序，使系统进入休眠状态。

5.        自动休眠：当采集终端在进入低电压保护后，长时间还得不到充电，系统便会进入休眠状态，等待蓄电池电压恢复到足够工作时，系统才会恢复正常工作。

6.        过电流保护：当有大电流，过电流保护模块会自动阻断，保护采集的MCU不会被大电流烧毁。

3.4后台主机配置要求

1.        Windows XP操作系统

2.        CPU主频>1G；内存>256M

3.        有网卡可以连接Internet

   在我们的产品设计中，采用了海康雷鸟自主研发的监测终端平台，该平台以ARM为主控制器，监测终端平台具有很强的扩展性。平台的基本功能如下：

1.        支持多路串口的接入

2.        支持多路开关量的输入输出

3.        支持RF通讯

4.        内部带无线通讯模块，可以根据用户要求选择GPRS模块、CDMA模块、3G模块

5.        蓄电池充电自动管理功能

6.        内部带有大容量闪存，便于关键数据的存储

7.        基于通用的软件平台，修改升级方便

8.        支持多路电源的控制输出功能，电源的输出电压可以根据要求调节

9.        带低功耗处理模式，当空闲时系统自动进入低功耗状态

10.    带自检功能，硬件看门狗，保证程序不会死机

11.    在线升级功能，短信功能，便于远程维护。

   在我们的硬件平台里，雷电采集单元通过串口和监测终端平台进行通讯，它的电源由监测终端平台进行供电，终端的配置信息包括IP地址、端口等信息，除了可以通过后台配置修改外，还可以通过短信的方式进行修改，大大方便了设备切换的灵活性。由于我们的监测终端平台还预留了很多接口，所以后期的功能扩展性非常强。由于平台的可配置性，后期产品的功能扩充主要精力就可以放到扩充模块的软硬件设计上，大大加快了研发的进度，由于整个系统采用了统一的监测终端平台，系统的稳定性和可靠性大大提高。

   在硬件平台的编程上，我们也是采用分层设计的原则，应用层和驱动层分离，易于软件的功能扩充，软件设计整体流程非常清晰，为了产品能达到新通讯规约模式，我们的研发人员在该平台上的二次开发非常便利，我们的产品由于采用了统一平台的设计思路，软件上采用分层的设计原则，使程序功能的修改变得很简单，所以在规约测试上，我们的产品改进的响应非常迅速。

3.3 软件系统

   本后台系统界面通过菜单操作，由下拉式菜单和弹出式菜单，通过菜单实现人机交换，后台分析控制系统是用于远程接收测得的雷电过电压波形信号，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。根据安装点提供的配电导线的类型、线路的架设档距等，在专家分析系统中建立相关的基础数据，并设置合适的系统参数，主界面系统主要功能如下：

1）系统维护

系统维护通用数据主要包括：

用户管理：包括用户的添加、删除；用户权限的维护；用户密码的修改等。

密码修改：修改当前用户的密码。

2）线路、杆塔信息档案的建立

系统可建立较为详尽的线路、杆塔信息基础档案，以提供在数据计算分析依据和查询时的必须资料；

3）相关参数的设置

根据安装运行线路提供的相关信息设置适合于该地区的技术参数，提供系统通讯、采集点地址、人员密码的配置功能。方便对某一时刻各安装线路情况进行随时掌握、管理，确保系统稳定运行和随时对前端数据进行接收、请求。

4）数据查看与备份

系统可随时查看当前数据，比如蓄电池电压等参数，并对数据进行备份。也可查看历史数据，对同一时期的不同线路或者不同时期的相同线路的返回数据进行对比。

5）数据分析与远程控制

根据当前运行参数，判断监测系统的运行情况，并对系统进行远程控制，保证系统稳定运行。

3 4  波形测试结果

我们用Thermo Keytek 公司生产的EMCPro进行雷电过电压传感器的性能测试，EmcPro可以产生符合IEC 1000-4 系列标准中定义的各种干扰信号，包括静电放电（ESD），浪涌（surge），快速暂态脉冲群（EFT），电源电压变动（PQF），可以产生8/20、4/20和振铃波三种标准冲击电压波形，并且自身带有电压测量系统，测试结果如图4.1-图4.4所示。

图3.4.1　8/20ms电压测量结果

图3.4.2　4/20ms电压测量结果

图3.4.3　0.5－100kHz振铃波测量结果

图3.4.4　传感器线性度测试结果

       通过对配电线路雷击定位及雷电特征参数监测系统的测量试验结果同传感器测试的试验结果对比，4/20us，8/20us，5-100Hz振铃测试结果，该系统具有很高的精确度，可以应用到工程实践中。根据以上三种冲击波电压的测试结果，本电压传感器完全能够满足雷电过电压的测量要求。

 

5.2 综合数据实时接收平台（HT-UDP）使用说明 (略)

5.2.过电压在线监测系统说明 （略）

5.3.1 后台专家分析控制软件工作流程

      后台专家分析控制软件属于上位机的高级应用部分，是用户直接接触的界面工具，因此，在设计后台专家分析控制软件时，务必做到简洁、清晰、易懂、容易上手且功能齐全，针对上述要求，在设计后台专家分析控制软件时，我们要求软件具有如下功能：

1）添加、修改、查询隔离型雷电过电压在线监测系统安装环境参数等相关信息；

2）观察雷电过电压全波波形；

3）测量雷电过电压波形相关特征参数；

4）将雷电过电压波形数据转换成波形文件，予以保存。

     后台专家分析控制软件是隔离型雷电过电压在线监测系统的重要组成模块，主要包括两部分内容：隔离型雷电过电压在线监测系统安装环境参数和雷电过电压波形相关特征参数。

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