CN103604977A

CN103604977A - 一种基于大气湿度的雷电流监测系统

Info

Publication number: CN103604977A
Application number: CN201310616713.6A
Authority: CN
Inventors: 张波; 张亚萍; 康文斌; 梅刚; 戴敏; 王磊
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; State Grid Hubei Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: CN103604977B

Abstract

本发明提供了一种基于大气湿度的雷电流监测系统，包括分别与电源电路相连的雷电流监测电路与工作模式控制电路；雷电流监测电路与工作模式控制电路通过中断I/O接口相连；雷电流监测电路用于采集雷电流，并将经过调理的雷电流发送到工作模式控制电路；工作模式控制电路将采集的大气湿度参数H_r与大气湿度阈值H_th进行比较切换雷电流监测系统的工作方式。和现有技术相比，本发明提供的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，能够以极低平均功耗运行，耗电少，能极大延长蓄电池寿命。

Description

一种基于大气湿度的雷电流监测系统

技术领域

本发明涉及一种雷电流监测系统，具体涉及一种基于大气湿度节能的雷电流监测系统。

背景技术

当前造成电力系统故障的自然环境因素中雷电已经成为了电力系统故障的最主要原因，无论是线路、变电站还是用电设备，如何使它们能够更好的抵御雷电以及防护雷电感应产生的电磁暂态过程冲击已成为电力系统雷电防护中迫切解决的技术难题。寻求电力系统雷电防护方法必须建立在对雷电的放电过程和雷电流的各项参数具备充分认识和了解的基础上。

雷电流参数的测量是进行雷电特性研究的基础工作，同时雷电流参数的测量对探讨防雷对策，提高防雷设施性能，评价防雷设施对各种设备及建筑物的保护范围以及分析雷害事故，区分事故责任，具有十分重要的意义。现有技术中雷电流参数的研究方法主要为模拟和仿真方法，而对自然界的雷电流参数，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流数据，这对于雷电放电过程的认识和雷电流及其空间场的研究都十分有意义；

获取自然界雷电参数的测量方法包括遥测和直接测量两种方式。遥测是利用雷电探测天线探测从远处传播过来的雷电电磁波并以此反推雷电流幅值和波形的雷电流参数测量方式。由于雷电探测天线远离雷电发生点，雷电电磁波在传播过程中，受地形、建筑物等影响，存在不同程度的衰减和色散，因此，通过遥测测量得到的雷电流参数准确度不高。直接测量是在雷击发生点对雷电流进行直接测量的方式，直击雷测量的结果最能真实反映雷电流各参数。

直接测量主要采用磁带磁钢棒测量的方法，通过磁带磁钢棒流过雷电流后的剩磁确定雷电流的幅值大小，由于一个雷电存在多次放电过程，因此磁带磁钢棒法只能记录最大的一次雷电流，测量误差较大，且该方法不能记录雷电流发生的时间、陡度，获取数据不方便，工作量大，至今为止，积累的有用雷电流数据极少。随着电子技术的发展，现在对雷电流参数的测量都采用电流传感器加有检测记录功能装置的系统来测量的方法；这种测量方法的优点在于它能够检测雷电流的各种特征参数、测量精度高、还能记录包含全面信息的雷电流波形。

由于雷电流监测系统需要长期在野外运行，通常220伏交流市电很难获取，因此雷电流监测的难点之一在于监测系统的供电方式。中国发明专利201010156170.0公开的自供能雷电流检测系统不需要外供电源，发生雷击时，利用雷电流感应的瞬时能量对检测系统提供电能；但该瞬时感应的电能要滞后于雷电流起始的时刻，而且能量有限，只能完成幅值、极性基本参数的检测；波形、陡度、持续时间这些更全面的参数却无法记录。中国发明专利200710053751.X公开的输电线路雷击在线监测系统采用太阳能加蓄电池供电，GPRS通讯方式，实现了雷电流波形的采集，传输自动化操作；但由于存在预触发，该系统需要不间断的高速采样运行，工作耗电量大，对供能要求高，系统结构复杂，维护较困难。如果系统工作消耗的功耗过大，就必须选择足够大功率的太阳能板和大容量的蓄电池，这不但增加了系统成本，还增加了装置所占空间，给安装带来了不便。因此，提供一种能够高效、节能的获取自然界雷电流参数的实际数据的方法显得尤为重要。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于大气湿度的雷电流监测系统，所述系统包括分别与电源电路相连的雷电流监测电路与工作模式控制电路；所述雷电流监测电路与所述工作模式控制电路通过中断I/O接口相连；所述雷电流监测电路采集和检测雷电流并将其发送至所述工作模式控制电路；所述工作模式控制电路依据大气湿度对雷电流监测系统进行工作模式切换。

优选的，所述雷电流监测电路包括依次相连的电流传感器、信号衰减器和限压保护电路；所述限压保护电路的一条输出支线通过触发电路接入CPLD控制单元，另一条输出支线依次通过信号跟随器和高速A/D转换器接入所述CPLD控制单元；所述CPLD控制单元与SRAM存储器相连；所述CPLD控制单元通过所述中断I/O接口与所述工作模式控制电路相连；

优选的，所述信号衰减器用于将所述电流传感器采集的雷电流衰减到电源电路的供电电压范围内；所述限压保护电路用于保证所述雷电流监测电路在出现瞬时尖峰过电压时正常工作；所述触发电路包括电压比较器，用于产生预触发信号，所述预触发信号通过所述CPLD控制单元进行信号整形后接入所述中断I/O口；所述CPLD控制单元用于产生读写时序，将高速A/D转换器输出的雷电流数字信号写入SRAM存储器中；

优选的，所述工作模式控制电路包括与ARM处理器连接的湿度传感器、FLASH存储器和通信模块；

所述湿度传感器用于实时采集大气湿度；所述FLASH存储器用于存储雷电流的检测参数，包括幅值、极性、波形、陡度和持续时间；所述通信模块用于传输所述检测参数和所述ARM处理器输出的电源电路调控信号；所述电源电路调控信号用于控制所述电源电路与所述雷电流监测电路之间的供电连接开关的通断；

优选的，所述电源电路包括太阳能板和蓄电池；所述电源电路通过DC/DC转换器与所述工作模式控制电路相连；所述电源电路通过供电连接开关与所述雷电流监测电路相连；

优选的，雷电流监测系统的工作模式包括待机模式、通信模式、雷电流采集模式以及雷电流采集与通信并行模式；

所述雷电流监测系统为所述待机模式时，所述ARM处理器采用低频运行方式，所述通信模块处于休眠状态；所述供电连接开关断开，所述雷电流监测电路不进行雷电流采集工作；

所述雷电流监测系统为所述通信模式时，所述ARM处理器采用高频运行方式，所述通信模块处于通信工作状态；所述供电连接开关断开，所述雷电流监测电路不进行雷电流采集工作；

所述雷电流监测系统为所述雷电流采集模式时，所述ARM处理器采用高频运行方式，所述通信模块处于休眠状态；所述供电连接开关闭合，所述雷电流监测电路采集雷电流并启动触发电路；

所述雷电流监测系统为所述雷电流采集与通信并行模式时，所述ARM处理器采用高频运行方式，所述通信模块处于通信工作状态；所述供电连接开关闭合，所述雷电流监测电路采集雷电流并启动触发电路；

优选的，所述ARM处理器将所述湿度传感器采集的大气湿度参数H_r与大气湿度阈值H_th进行比较；

若H_r＜H_th，则所述雷电流监测系统工作于待机模式；若H_r＞H_th，则所述雷电流监测系统工作于雷电流采集模式；若H_r＜H_th且所述雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于通信模式；若H_r＞H_th且所述雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于雷电流采集与通信并行模式；

优选的，所述大气湿度阈值H_th＝75%。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，雷电流监测系统的工作模式包括待机模式、通信模式、雷电流采集模式以及雷电流采集与通信并行模式，使得雷电流监测系统的平均功耗降低至少2/3；

2、本发明技术方案中，设置大气湿度阈值H_th，通过比较大气湿度参数H_r与大气湿度阈值H_th选取雷电流监测系统的工作模式，使得雷电流监测系统工作模式切换准确、可靠；

3、本发明提供的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，能够全面记录雷电流参数，包括幅值、极性、陡度、波形和持续时间；

4、本发明提供的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，在大气湿度参数H_r小于阈值H_th时，由于雷电流监测系统不工作，蓄电池可以更快速的充电。

5、本发明提供的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，在干燥秋冬两季，能够以极低平均功耗运行，耗电少，能极大延长蓄电池寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中一种基于大气湿度的雷电流监测系统结构图；

图2是：本发明实施例中一种基于大气湿度的雷电流监测系统工作模式切换图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于大气湿度的高效、节能的雷电流监测系统，如图1所示，雷电流监测系统包括雷电流监测电路、工作模式控制电路和电源电路；雷电流监测电路用于采集雷电流，并对雷电流进行调理得到雷电流，将其发送到工作模式控制电路；工作模式控制电路对雷电流进行参数检测，获取雷电流的幅值、极性、波形、陡度和持续时间；电源电路对雷电流监测电路和工作模式控制电路进行供电；

雷电流监测电路和工作模式控制电路通过ARM处理器的中断I/O接口相连；电源电路包括太阳能板和蓄电池；电源电路通过DC/DC转换器与工作模式控制电路相连；电源电路通过供电连接开关与雷电流监测电路相连。

雷电流监测电路：

雷电流监测电路包括电流传感器、信号衰减器、限压保护电路、触发电路、信号跟随器、高速A/D转换器、CPLD控制单元和SRAM存储器；

信号衰减器用于将电流传感器采集的雷电流衰减到电源电路的供电电压范围内；限压保护电路用于保证雷电流监测电路在出现瞬时尖峰过电压时能够正常工作，不被损坏；信号跟随器用于提高雷电流的负载能力，增大输入阻抗；触发电路包括电压比较器，产生预触发信号，实现雷电流的预触发；预触发信号通过CPLD控制单元进行信号整形后接入中断I/O口；CPLD控制单元用于产生读写时序，将高速A/D转换器输出的雷电流数字信号写入SRAM存储器中；SRAM存储器存储雷电流数字信号；

电流传感器、信号衰减器和限压保护电路依次相连；限压保护电路的一条输出支线通过触发电路接入CPLD控制单元，另一条输出支线依次通过信号跟随器和高速A/D接入CPLD控制单元；CPLD控制单元与SRAM存储器相连；CPLD控制单元通过中断I/O接口与工作模式控制电路相连。

工作模式控制电路：

工作模式控制电路包括与ARM处理器连接的湿度传感器、FLASH存储器和通信模块；湿度传感器用于实时采集大气湿度；FLASH存储器用于存储雷电流的检测参数，即幅值、极性、波形、陡度和持续时间；通信模块用于传输幅值、极性、波形、陡度、持续时间以及ARM处理器输出的电源电路调控信号；通过电源电路调控信号控制电源电路与雷电流监测电路之间的供电连接开关的通断。

雷电流监测系统的工作模式：

雷电流监测系统的工作模式包括待机模式、通信模式、雷电流采集模式以及雷电流采集与通信并行模式；

①：雷电流监测系统工作在待机模式时，ARM处理器采用低频运行方式，通信模块处于休眠状态；供电连接开关断开，雷电流监测电路不进行雷电流采集工作；

②：雷电流监测系统工作在通信模式时，ARM处理器采用高频运行方式，通信模块处于通信工作状态；供电连接开关断开，雷电流监测电路不进行雷电流采集工作；

③：雷电流监测系统工作在雷电流采集模式时，ARM处理器采用高频运行方式，通信模块处于休眠状态；供电连接开关闭合，雷电流监测电路采集雷电流并启动触发电路；

④：雷电流监测系统工作在雷电流采集与通信并行模式时，ARM处理器采用高频运行方式，通信模块处于通信工作状态；供电连接开关闭合，雷电流监测电路采集雷电流并启动触发电路。

工作模式控制电路控制工作模式切换方法的为：

工作模式控制电路基于大气湿度的变化切换工作模式，具体为ARM处理器将湿度传感器采集的大气湿度参数H_r与大气湿度阈值H_th进行比较，本实施例中H_th＝75%H_th＝75%；

①：若H_r＜H_th，则雷电流监测系统工作于待机模式；

②：若H_r＞H_th，则雷电流监测系统工作于雷电流采集模式；

③：若H_r＜H_th且雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于通信模式；

④：若H_r＞H_th且雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于雷电流采集与通信并行模式。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述系统包括分别与电源电路相连的雷电流监测电路与工作模式控制电路；所述雷电流监测电路与所述工作模式控制电路通过中断I/O接口相连；所述雷电流监测电路采集和检测雷电流并将其发送至所述工作模式控制电路；所述工作模式控制电路依据大气湿度对雷电流监测系统进行工作模式切换。

2.如权利要求1所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述雷电流监测电路包括依次相连的电流传感器、信号衰减器和限压保护电路；所述限压保护电路的一条输出支线通过触发电路接入CPLD控制单元，另一条输出支线依次通过信号跟随器和高速A/D转换器接入所述CPLD控制单元；所述CPLD控制单元与SRAM存储器相连；所述CPLD控制单元通过所述中断I/O接口与所述工作模式控制电路相连。

3.如权利要求2所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述信号衰减器用于将所述电流传感器采集的雷电流衰减到电源电路的供电电压范围内；所述限压保护电路用于保证所述雷电流监测电路在出现瞬时尖峰过电压时正常工作；所述触发电路包括电压比较器，用于产生预触发信号，所述预触发信号通过所述CPLD控制单元进行信号整形后接入所述中断I/O口；所述CPLD控制单元用于产生读写时序，将高速A/D转换器输出的雷电流数字信号写入SRAM存储器中。

4.如权利要求1所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述工作模式控制电路包括与ARM处理器连接的湿度传感器、FLASH存储器和通信模块；

所述湿度传感器用于实时采集大气湿度；所述FLASH存储器用于存储雷电流的检测参数，包括幅值、极性、波形、陡度和持续时间；所述通信模块用于传输所述检测参数和所述ARM处理器输出的电源电路调控信号；所述电源电路调控信号用于控制所述电源电路与所述雷电流监测电路之间的供电连接开关的通断。

5.如权利要求1所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述电源电路包括太阳能板和蓄电池；所述电源电路通过DC/DC转换器与所述工作模式控制电路相连；所述电源电路通过供电连接开关与所述雷电流监测电路相连。

6.如权利要求4所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，雷电流监测系统的工作模式包括待机模式、通信模式、雷电流采集模式以及雷电流采集与通信并行模式；

所述雷电流监测系统为所述雷电流采集与通信并行模式时，所述ARM处理器采用高频运行方式，所述通信模块处于通信工作状态；所述供电连接开关闭合，所述雷电流监测电路采集雷电流并启动触发电路。

7.如权利要求6所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述ARM处理器将所述湿度传感器采集的大气湿度参数H_r与大气湿度阈值H_th进行比较；

若H_r＜H_th，则所述雷电流监测系统工作于待机模式；若H_r＞H_th，则所述雷电流监测系统工作于雷电流采集模式；若H_r＜H_th且所述雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于通信模式；若H_r＞H_th且所述雷电流监测系统进行数据传输时，则雷电流监测系统工作于雷电流采集与通信并行模式。

8.如权利要求7所述的一种基于大气湿度的雷电流监测系统，其特征在于，所述大气湿度阈值H_th＝75%。