基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)?實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)研究*

鄭少華，許志浩，康 兵，丁貴立，曾 兵

（南昌工程學(xué)院，江西 南昌330099）

雷電是自然界頻繁發(fā)生的一種高強(qiáng)度的電磁脈沖現(xiàn)象，因其影響面大，受到了氣象、航天、航空、電力、石油諸多部門的廣泛關(guān)注，其中，電網(wǎng)因其具有廣域分布特征、幾何尺度達(dá)數(shù)千公里，更易受到雷電的沖擊。據(jù)統(tǒng)計，我國高壓輸電線路由于雷擊引起的跳閘次數(shù)占總跳閘次數(shù)的40%～70%，由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失或間接經(jīng)濟(jì)損失也越來越多，雷電已經(jīng)成為嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素[1]。

目前，我國雷擊監(jiān)測主要依靠電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)LLS，在采集信號方面，電網(wǎng)的雷電定位系統(tǒng)LLS主要手段是偵測電磁輻射場的信號，但是該方法無法直接得到雷擊電流的波形參數(shù)，測量的精度有限，而且易受到外界環(huán)境干擾，捕捉雷電信號的靈敏度不高，造成定位不準(zhǔn)確。在通信方面，電網(wǎng)的雷電定位系統(tǒng)LLS廣泛采用光纖、微波、衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)及電信ADSL和移動GPRS多種通信手段[1-4]。利用這些通信方式通信功耗高、價格昂貴，而且易受到地理位置和氣候的影響[5-7]。

在此現(xiàn)狀下，研究出一套能實(shí)時定位雷擊點(diǎn)、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)施成本低且能免維護(hù)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8-10]。本文采用在輸電線路沿線的各個鐵塔下安裝接地引下線電流監(jiān)測裝置，實(shí)時監(jiān)測、采集輸電鐵塔雷擊泄露電流，通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，運(yùn)用后臺數(shù)據(jù)分析方法實(shí)現(xiàn)對雷擊點(diǎn)的精準(zhǔn)定位并向巡檢人員發(fā)送實(shí)時位置。

1 基于羅氏線圈傳感器雷擊泄露電流測量方法

1.1 羅氏線圈傳感器原理

羅氏線圈傳感器原理結(jié)構(gòu)見圖1所示，一種空心環(huán)形的線圈，有柔性和硬性兩種，可以直接在被測量的導(dǎo)體上測量交流電流，羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律，當(dāng)被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時，在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場[11]，強(qiáng)度為H，由安培環(huán)路定律可得：

圖1 羅氏線圈傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

1.2 羅氏線圈傳感器測量電流等效電路分析

圓環(huán)形羅氏線圈（等效電路見圖2）的輸出端接入一個小的信號電阻R1，線圈的匝數(shù)為N，自感系數(shù)為L，線圈的內(nèi)阻為r，雜散電容為C0，輸出電壓為u0，在理想的條件下：根據(jù)理想條件計算：

圖2 羅氏線圈傳感器等效電路圖

由公式可以看出被測電流i1正比于u0。設(shè)（N/ra）=S，則：

這里S為線圈靈敏度。

2 雷電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，整合了輸電線路及桿塔在線實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)、過程處理數(shù)據(jù)等，通過對雷擊電流數(shù)據(jù)的采集以及深入挖掘分析，建立相關(guān)計算模型對雷擊點(diǎn)的故障進(jìn)行定位，為確定雷擊故障點(diǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

2.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

本文設(shè)計中，監(jiān)測裝置安裝在架空塔接地導(dǎo)體上，每個架空塔安裝一個監(jiān)測裝置，監(jiān)測終端可根據(jù)用戶需求安裝在指定位置。監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)工作方式流程圖

綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)由電流監(jiān)測單元監(jiān)測電流，系統(tǒng)設(shè)計的工作流程為“觸發(fā)為主，定時為輔”[12]，確保所有異常數(shù)據(jù)均被記錄，同時也兼顧設(shè)備功耗。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

2.3 系統(tǒng)模塊

該系統(tǒng)分為電流監(jiān)測單元[13]、通信中繼器、監(jiān)控終端三大模塊。

3 雷擊監(jiān)測系統(tǒng)通信

3.1 數(shù)據(jù)的傳輸方式

數(shù)據(jù)的傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸，由于輸電線路分布區(qū)域廣，且呈線性分布，不易采用有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，LoRa技術(shù)不需要建設(shè)基站，一個網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活，可大幅度降低建設(shè)成本?？偟膩碚f，LoRa在信號接收的靈敏度方面更好，能夠以較低功耗實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離信號傳輸，具有較強(qiáng)的鏈路預(yù)算，適用于電池供電的終端設(shè)備。本項(xiàng)目在通信這一環(huán)節(jié)選擇LoRa通信技術(shù)構(gòu)建監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控終端的橋梁。在輸電線路或中桿塔正常運(yùn)行情況下，LoRa芯片以低功耗的模式運(yùn)行。

3.2 LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信的組網(wǎng)方式

鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)一般在傳輸網(wǎng)絡(luò)的一端，子節(jié)點(diǎn)依次排布向一端逐漸延伸，直至到達(dá)末端節(jié)點(diǎn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)需要相互配合完成網(wǎng)絡(luò)的傳輸，同時每個網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)具備網(wǎng)絡(luò)識別功能和組網(wǎng)管理功能[14]，鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)方式的示意圖如圖5所示。

圖5 鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)方式示意圖

在本文中每個監(jiān)測裝置的通信LoRa模塊相當(dāng)于一個子節(jié)點(diǎn)，在一定區(qū)域內(nèi)按照分布情況對每個監(jiān)測裝置進(jìn)行人工編號，編號是按照位置以此排布。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間能夠相互發(fā)送消息。

4 監(jiān)測系統(tǒng)雷擊點(diǎn)定位依據(jù)

通過對輸電鐵塔和輸電線路遭受雷擊時輸電鐵塔接地引下線電流的分析，我們可以確定在發(fā)生雷擊時，輸電鐵塔接地引下線電流會發(fā)生突變。依此原理當(dāng)輸電鐵塔遭受雷擊時，從變電站沿線開始的第n號及之前的所有輸電鐵塔，接地裝置電流由于空間磁場及電場的突變會發(fā)生明顯的電流突變升高，而n+1號及之后的桿塔接地裝置電流從正常值下降，則可根據(jù)電流的變化狀態(tài)將雷擊定位于n及n+1號桿塔附近的區(qū)域[15]。

5 結(jié)束語

本文針對于輸電鐵塔設(shè)計出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集輸電鐵塔接地引下線雷擊泄露電流，并且對當(dāng)前數(shù)據(jù)的分析向運(yùn)維人員發(fā)出預(yù)警，能夠?qū)崟r發(fā)送雷擊點(diǎn)的位置，幫助運(yùn)維人員迅速確定雷擊點(diǎn)的具體位置，同時也可以通過調(diào)取歷史數(shù)據(jù)來分析來預(yù)判輸電線路雷擊點(diǎn)的故障情況。本文所研究的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計上融合了低功耗通信、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以“云管邊端”為系統(tǒng)架構(gòu)的輸電鐵塔雷擊點(diǎn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)。

輸電鐵塔雷擊點(diǎn)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計切合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的時代要求，可對輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)輸電鐵塔或輸電線路遭受雷擊時，監(jiān)測系統(tǒng)可對故障點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在一定程度上減少了維修人員排查故障的時間，同時節(jié)省了大量的人力物力，減少了系統(tǒng)的停電風(fēng)險?？蓮V泛應(yīng)用于輸電線路雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測和雷擊點(diǎn)的遠(yuǎn)程定位。