CN101424712A - 雷电流全参数在线监测系统及其工作流程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷电流全参数在线监测系统及其工作流程，涉及电力系统电气设备防雷技术。本监测系统的结构是：电流传感器(1)、雷击信号采样单元(9)、数据接收和GPRS、BT传输单元(5)、INTERNET网(6)和用户终端(7)依次连通，FTP服务器(8)和INTERNET网(6)连接；太阳能电池板(4)、蓄电池(3)和电压变换器(2)依次连接，电压变换器(2)分别与雷击信号采样单元(9)、数据接收和GPRS、BT传输单元(5)连接。本发明结构简单，操作自动化，检测稳定，数据准确；经单片机处理后的雷击数据可通过移动网络传送至INTERNET网，用户可直接调用INTERNET网的传输数据。

Description

雷电流全参数在线监测系统及其工作流程

技术领域

本发明涉及电力系统电气设备防雷技术，尤其涉及一种雷电流全参数在线监测系统及其工作流程；具体地说，涉及一种架空输电线路和避雷针雷电流全参数在线监测系统及其工作流程，适用于对架空输电线路或避雷针遭受雷击的形式判断和对雷电流参数与波形的测量。

背景技术

超高压输电线路的雷电事故每年在电网的运行中十分突出。随着线路长度的迅猛增加，线路雷击跳闸事故明显增多。绕击和反击没有明确的判据，故障点的查找十分困难，尤其在山区和高海拔地区更是难上加难。而作为防直击雷装置的避雷针目前所能得到的实测雷电流波形少之又少。

雷电现象极其复杂，常用的电气几何法(EGM)对线路的雷电屏蔽性能给出了过于乐观的估计。由于实际情况下雷击电流可从几kA到几百kA，来雷的方位也变化很大，同一防护系统对不同落雷的防护效果很不同，再加上对防护效果影响显著的地形地貌和气象因素的复杂多变，输电线路在某些地段常常出现防护失效，成为绕击跳闸事故的易击段。

架空输电线路避雷线的保护角究竟取多大合适？多大雷电流使输电线路出现绕击或反击？绝缘子串哪相发生闪络？雷击线路的雷电流幅值多大？实际雷电流波形如何？等等，一直是国际上争论的问题。

在超高压输电线路或避雷针上安装一种雷电流全参数在线监测系统，便于及时发现故障，给电力部门根据测量信息和有针对性地采取防雷保护措施，为今后铁塔设计提供第一手资料，也为雷电流波形和幅值标准的制定提供有力的支持，对提高我国的防雷技术在国际上的地位有非常积极的作用。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种雷电流全参数在线监测系统及其工作流程；本发明具有监测雷击输电线路的雷电流幅值、时间和波形等参数；可自动判断雷击线路杆塔号、雷击避雷线或导线相别、雷电流极性和雷击形式(反击或绕击)，实现快速定位；结构简单，操作自动化，监测稳定，数据准确。

本发明的目的是这样实现的：

本系统包括电流传感器、电压变换器、蓄电池、太阳能电池板、数据接收和GPRS、BT传输单元、INTERNET网、用户终端、FTP服务器和雷击信号采样单元；

电流传感器、雷击信号采样单元、数据接收和GPRS、BT传输单元、INTERNET网和用户终端依次连通，FTP服务器和INTERNET网连接；

太阳能电池板、蓄电池和电压变换器依次连接，电压变换器分别与雷击信号采样单元、数据接收和GPRS、BT传输单元连接。

本系统的工作原理是：

当雷击发生时，输电杆塔或避雷针上安装的电流传感器通过电磁感应原理采集到雷电流波形后，变换为电压信号经电缆传输到由前置机组成的雷击信号采样单元输入端，该输入端支持最多不超过路信号输入通道。雷电流波形经雷击信号采样单元模/数处理后传送给数据接收和GPRS、BT传输单元，通过GPRS公共平台给远端计算机提供雷击闪络数据，或通过蓝牙天线就地无线接收，实现快速对雷击杆塔所引起的闪络现象的远端无线监测和“反击”、“绕击”的相别、位置等的判定。所选用的通信方式，已充分考虑快速可靠无线传送和成本低廉，通信费用低，易于实现等特点。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)电流测量范围为±(3～150)kA，包括了输电线路和避雷针可能遭受雷电流的几乎全部范围，满足实际工程的需要；

(2)全数字化数据处理系统，A/D转换速率10M次/秒，5通道并行采样，每通道纪录字长1s，满足多重雷记录需要；

(3)各通道可同时测量流过相线和地线的雷电流，记录雷电流波形及雷击发生时刻，智能判定雷击线路形式，实现雷击线路的快速精确定位；

(4)采用GPRS无线传输技术和蓝牙技术，实现采样数据文件遥传至接收方，方便数据实时监测和共享；

(5)测量系统设置了每日模拟冲击电流自检方式和户外设备供电电源报告模式，确保测量设备的长期正常工作。

总之，本发明结构简单，操作自动化，检测稳定，数据准确；经单片机处理后的雷击数据可通过移动网络传送至INTERNET网，用户可直接调用INTERNET网的传输数据，同时在现场也可通过蓝牙发送和接收装置直接接收数据。

附图说明

图1为本监测系统结构方框图；

图2为电流传感器结构示意图；

图3为雷击信号采样单元(前置机)结构方框图；

图4为本监测系统的主程序工作流程图；

图5为本监测系统的用户应用程序工作流程图。

其中：

1—电流传感器；

2—电源变换器；

3—蓄电池；

4—太阳能电池板；

5—数据接收和GPRS、BT传输单元；

6—INTERNET网；

7—用户终端；

8—FTP服务器；

9—雷击信号采样单元；

9.1—高速采样通道信号调理；

9.2—高速数据采集模块；

9.3—总线控制单元；

9.4—单片机微控制器；

9.4.1—调试用键盘；

9.4.2—调试用液晶显示器；

9.4.3—RS232通讯口；

9.4.4—实时时钟；

9.5—地址发生、通道识别、协调控制单元；

9.6—基准电压产生器；

9.7—低速采样通道信号调理。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、雷电流全参数在线监测系统

(一)、总体结构

如图1，本系统包括电流传感器1、电压变换器2、蓄电池3、太阳能电池板4、数据接收和GPRS、BT传输单元5、INTERNET网6、用户终端7、FTP服务器8和雷击信号采样单元9；

其连接关系及其功能是：

电流传感器1、雷击信号采样单元9、数据接收和GPRS、BT传输单元5、INTERNET网6和用户终端7依次连通，FTP服务器8和INTERNET网6连接；其功能是接收、采集雷电流信号，数据处理、发送、无线传输，存储至FTP服务器8，用户终端7可直接调用INTERNET网6的传输数据；

太阳能电池板4、蓄电池3和电压变换器2依次连接，电压变换器2分别与雷击信号采样单元9、数据接收和GPRS、BT传输单元5连接；其功能是太阳能电池板4光电转换的直流电向蓄电池3充电，经蓄电池3向电压变换器2供电，变换成测量系统所需电压，分别为雷击信号采样单元9、数据接收和GPRS、BT传输单元5提供电源。

(二)各大功能块的结构

1、电流传感器1

如图2，电流传感器1采用传统罗戈夫斯基线圈，自行绕制。

2、电压变换器2、蓄电池3和太阳能电池板4

电压变换器2、蓄电池3和太阳能电池板4为外购常规产品。

3、数据接收和GPRS、BT传输单元5

数据接收和GPRS、BT传输单元5中处理板为工业级PC104，购置的带天线的GPRS为通用工业级模块。

4、INTERNET网6、用户终端7、FTP服务器8

使用公众网INTERNET网6作为监测数据传输通道。并以一台联网的PC机作为用户终端7。用户终端7机上安装数据库软件Access，解压软件WinRAR，及使用VB自主开发的上位机软件，实现远程数据解析和管理功能。用户终端7上的FTP服务器8通过动态域名解析软件PeanutHull和FTP服务器8软件Serv-U来实现。

5、雷击信号采样单元9(5路10M次/秒)

(1)雷击信号采样单元9的结构

如图3，雷击信号采样单元9包括高速采样通道信号调理9.1、高速数据采集模块9.2、总线控制单元9.3、单片机微控制器9.4、地址发生、通道识别和协调控制单元9.5、基准电压产生器9.6和低速采样通道信号调理9.7；

所述的单片机微控制器9.4包括调试用键盘9.4.1、调试用液晶显示器9.4.2、RS232串口9.4.3和实时时钟芯片9.4.4；

其连接关系及其功能是：

高速采样通道信号调理9.1与高速数据采集模块9.2前后连接；

单片机微控制器9.4分别与高速数据采集模块9.2、总线控制单元9.3、地址发生、通道识别和协调控制单元9.5相互连接；

总线控制单元9.3还分别与高速数据采集模块9.2和地址发生、通道识别和协调控制单元9.5相互连接；

基准电压发生器9.6分别与高速采样通道信号调理9.1、低速采样通道信号调理9.7相互连接，低速采样通道信号调理9.7与单片机微控制器9.4相互连接。

雷击信号采样单元9的工作原理是：

高速数据采样通道的采样方式是：10位双极性采样、10MHz采样速率；低速数据采样通道考虑扩展测试环境温湿度、绝缘子串泄漏电流等。

单片机微控制器9.4实现各通道的采样控制和采样数据的转存、实时时钟、串口发送，是系统正常工作的核心。采样通过单片机微控制器9.4控制各路的采样；数据传送及存取通过总线控制单元9.3完成，地址发生、通道识别和协调控制单元9.5完成存取地址和通道的协调；

低速采样通道信号调理9.7对风速、温度等信号采集后送至单片机微控制器9.4；

高速与低速采样信号调理的基准电压由基准电压发生器9.6产生；采集的数据由单片机微控制器9.4通过RS232通讯口9.4.3传给数据接收和GPRS、BT传输单元5，以实现采样数据的异步传输；实时时钟9.4.4产生的时钟信号送至单片机微控制器9.4。

调试用键盘9.4.1和调试用液晶显示器9.4.2接口供调试用。

传感器安装点可装设不多于6个电流传感器的雷电闪络信号采样点，每个采样点对应一个采样通道，由1块“通道采样板”进行10位10MHZ的高速数据采集。最多6块精密设计的小尺寸“通道采样板”固定在雷击信号采样单元9的输入端，可同时进行多个通道的数据采集。由单片机微控制器9.4分时对5个通道的采集数据进行处理，并实现串口数据通讯。

(2)各小功能块的结构

下面的各小功能块均为常用功能块。

①高速采样通道信号调理9.1

将电流传感器输出的电压按常规电路进行信号衰减、滤波，去除高频噪声；并叠加直流基准偏置电压，最后输出给高速数据采集模块9.2。

②高速数据采集模块9.2

通过A/D-TLC5540芯片将输入模拟信号转换为数字信号，储存于缓存芯片中。

③总线控制单元9.3

分配采样系统时钟总线、地址总线、数据总线，定义各模块与单片机微控制器9.4之间的通讯协议和控制逻辑。

④单片机微控制器9.4

采用C8051F020单片机实现信号传输，具有采样触发和RS232通讯接口等功能。

⑤地址发生、通道识别和协调控制单元9.5

使用可编程逻辑器件，实现高速数据采集模块通道标示，提取缓存芯片的数据、地址，并规范信号逻辑和时序。

⑥基准电压产生器9.6

利用C8051F020单片机内部集成D/A模块产生基准电压信号，并通过电压跟随器缓冲输出给高速采样通道信号调理9.1和低速采样通道信号调理9.7。

⑦低速采样通道信号调理9.7

利用C8051F020单片机内部集成A/D模块对输入低速模拟信号进行采样。

二、雷电流全参数在线监测系统的工作流程

(一)主程序工作流程

如图4，依据主程序工作流程编写主程序，采用Basic语言或Pascal语言或C/C++语言或Fortran语言编程，也可采用普通程序(市场均有购置)，以实现对雷击信号采样单元9进行控制。

主程序工作流程包括下列步骤：

1、初始化A；

2、读取实时时钟B，即读取GPS实时时钟信号，校准系统时间；

3、判断系统是否处于调试状态C，是则调用键盘、LCD显示程序D(方便调试人员查看程序执行的中间状态)，再进入下一步骤，否则直接进入下一步骤；

4、判断系统是否发生通道触发采样E，是则进入下一步骤，否则返回步骤2；

5、记录触发时间F；

6、等待直至采样数据准备好为止G；

7、启动串口发送中断服务程序H；

5、判断系统采样数据是否发送完毕J，是则返回步骤②，等待下一轮采样触发，否则返回步骤6。

(二)用户应用程序工作流程

如图5，依据i386用户应用程序工作流程编写程序，采用Basic语言或Pascal语言或C/C++语言或Fortran语言编程，也可采用普通程序(市场均有购置)，以实现i386EX控制MC35i/GPRS模块通过无线方式与远端公共互联网上的FTP服务器8的连接，向远端FTP服务器8所指定的目录传送采样数据文件。

用户应用程序工作流程包括下列步骤：

1、初始化a，即启动程序后，系统会对状态标志及相关数据存储单元进行初始化；

2、开COM3口串口接收中断b，则这个时候CPU将可能响应COM3口接收到的中断信号，收到中断信号后转入中断服务子程序；

3、读取接收缓冲区中的状态量c；

4、判断系统是否处于调试状态d，是则调用键盘、LCD显示程序e，方便调试人员查看程序执行的中间状态，再进入下一步骤，否则直接进入下一步骤；

5、判断是否接收到来自单片机的联络信号f，是则进入下一步骤，否则返回步骤3，循环等待；

6、向单片机发送应答信号和判断接收数据的类型g；

7、获取接收缓冲区中的数据量h；

8、判断是否接收完规定字节i，是则进入下一步骤，否则返回步骤7，循环等待；

9、连接GPRS网络，准备无线数据传输j；

10、对远端FTP服务器域名进行解析k；

11、将FTP文件上传至远端FTP服务器l；

12、判断FTP文件上传是否完成m，否则返回步骤11，是则返回步骤3，等待开始下一轮数据上传任务。

Claims (4)

1、一种雷电流全参数在线监测系统，其特征在于：

包括电流传感器(1)、电压变换器(2)、蓄电池(3)、太阳能电池板(4)、数据接收和GPRS、BT传输单元(5)、INTERNET网(6)、用户终端(7)、FTP服务器(8)和雷击信号采样单元(9)；

电流传感器(1)、雷击信号采样单元(9)、数据接收和GPRS、BT传输单元(5)、INTERNET网(6)和用户终端(7)依次连通，FTP服务器(8)和INTERNET网(6)连接；

太阳能电池板(4)、蓄电池(3)和电压变换器(2)依次连接，电压变换器(2)分别与雷击信号采样单元(9)、数据接收和GPRS、BT传输单元(5)连接。

2、按权利要求1所述的一种雷电流全参数在线监测系统，其特征在于：

雷击信号采样单元(9)包括高速采样通道信号调理(9.1)、高速数据采集模块(9.2)、总线控制单元(9.3)、单片机微控制器(9.4)、地址发生、通道识别和协调控制单元(9.5)、基准电压产生器(9.6)和低速采样通道信号调理(9.7)；

所述的单片机微控制器(9.4)包括调试用键盘(9.4.1)、调试用液晶显示器(9.4.2)、RS232串口(9.4.3)和实时时钟芯片(9.4.4)；

高速采样通道信号调理(9.1)与高速数据采集模块(9.2)前后连接；

单片机微控制器(9.4)分别与高速数据采集模块(9.2)、总线控制单元(9.3)、地址发生、通道识别和协调控制单元(9.5)相互连接；

总线控制单元(9.3)还分别与高速数据采集模块(9.2)和地址发生、通道识别和协调控制单元(9.5)相互连接；

基准电压发生器(9.6)分别与高速采样通道信号调理(9.1)、低速采样通道信号调理(9.7)相互连接，低速采样通道信号调理(9.7)与单片机微控制器(9.4)相互连接。

3、按权利要求1所述的一种雷电流全参数在线监测系统的主程序工作流程，其特征在于包括下列步骤：

①初始化(A)；

②读取实时时钟(B)；

③判断系统是否处于调试状态(C)，是则调用键盘、LCD显示程序(D)，再进入下一步骤，否则直接进入下一步骤；

④判断系统是否发生通道触发采样(E)，是则进入下一步骤，否则返回步骤②；

⑤记录触发时间(F)

⑥等待直至采样数据准备好为止(G)；

⑦启动串口发送中断服务程序(H)；

⑧判断系统采样数据是否发送完毕(J)，是则返回步骤②，等待下一轮采样触发，否则返回步骤⑥。

4、按权利要求1所述的一种雷电流全参数在线监测系统的用户应用程序工作流程，其特征在于包括下列步骤：

A、初始化(a)；

B、开COM3口串口接收中断(b)；

C、读取接收缓冲区中的状态量(c)；

D、判断系统是否处于调试状态(d)，是则调用键盘、LCD显示程序(e)，再进入下一步骤，否则直接进入下一步骤；

E、判断是否接收到来自单片机的联络信号(f)，是则进入下一步骤，否则返回步骤C，循环等待；

F、向单片机发送应答信号和判断接收数据的类型(g)；

G、获取接收缓冲区中的数据量(h)；

H、判断是否接收完规定字节(i)，是则进入下一步骤，否则返回步骤G，循环等待；

I、连接GPRS网络，准备无线数据传输(j)；

J、对远端FTP服务器域名进行解析(k)；

K、将FTP文件上传至远端FTP服务器(l)；

L、判断FTP文件上传是否完成(m)，否则返回步骤K，是则返回步骤C，等待开始下一轮数据上传任务。

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