CN110568273A - 一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统及方法，系统包括服务器及若干监测单元，监测单元包括：处理器，控制各模块；光敏模块，用于从多角度接收雷光信号，包括若干连接处理器的光敏元件；声音检测模块，连接处理器，用于接收雷声信号；通讯模块，连接处理器，用于和服务器发送及接收数据。通过若干监测单元的协同工作，记录雷光信号、方向及雷声信号，并最终通过处理器及服务器的处理实现雷电定位，准确率高，是实现短时间内多个雷电的定位的硬件基础。

Description

一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统及方法

技术领域

本发明涉及雷电监测领域，特别涉及一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统及方法。

背景技术

雷电的检测和定位一直是在许多领域受到广泛关注的问题，对电网的建设和维护也有着较大的影响，目前雷电定位系统主要采用基于雷电电磁信号的多站定位技术，该方法侧重于实现广域的雷电观测，对探测站的选址、安装以及通信存在较多限制。除了基于电磁信号的检测，现有技术还存在一部分基于声光信号检测的定位技术。

公开号 CN202886628U的实用新型涉及雷电监测领域，公开了一种基于声光电同步观测的雷电定位装置。通过由四个麦克风传感器组成的麦克风阵列，四个传感器安装在钢制支架上形成一个空间直角坐标系形状；光敏阵列是由八个雷电光信号探测器排列而成的圆形阵列，安装于麦克风阵列之上，用于探测雷电的光信号；数据处理模块包括数据处理软件部分和结果显示界面，用于分析数据采集模块预处理后的信号，以获得雷电定位信息并且为用户显示定位结果。

现有技术中采用声光方式定位的雷电监测装置虽然能够在一定程度上定位雷电发生区域，但当短时间内出现多次雷电时，会产生声光信号匹配混乱的问题，导致定位区域不准确。

发明内容

针对现有技术无法定位短时间内多次雷电的问题，本发明提供了一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，能够从短时间内混乱的声信号及光信号中得出准确的雷电定位信息，弥补了现有技术的不足。

以下是本发明的技术方案。

一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，包括服务器及若干监测单元，所述监测单元包括：处理器，控制各模块；光敏模块，用于从多角度接收雷光信号，包括若干连接处理器的光敏元件；声音检测模块，连接处理器，用于接收雷声信号；通讯模块，连接处理器，用于和服务器发送及接收数据。通过若干监测单元的协同工作，记录雷光信号、方向及雷声信号，并最终通过处理器及服务器的处理实现雷电定位，准确率高，是实现短时间内多个雷电的定位的硬件基础。

作为优选，还包括安装柱及设置在安装柱上的控制箱，所述安装柱固定于地面或建筑物，所述处理器、声音检测模块及通讯模块设置于控制箱内，所述光敏模块设置于安装柱上部。光敏模块需要较开阔的视野，其他模块均设置于控制箱内以延长使用寿命。

作为优选，所述光敏模块还包括支架，所述支架为中间开口的伞形结构，支架套设于安装柱上部，光敏元件排列于支架上表面，控制箱位于支架下方。支架上的若干光敏元件组成了全方位的检测角度，同时中间的安装柱挡住了每个光敏元件反向来光的直接照射，有利于降低干扰，每次雷电出现时，对比每个光敏元件接收的信号强度即可得出雷电所在的方向。

作为优选，还包括雨量计，所述雨量计设置于安装柱顶端。较多情况下雷电与降雨存在一定的相关性，因此雨量的监测能够一定程度作为参考数据。

技术方案还包括一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，运用于上述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，包括以下步骤：S01：当出现雷电时，光敏模块接收到雷光信号，处理器记录方向并标记起始时间，声音检测模块接收雷声信号，处理器标记到达时间；S02：根据雷电次数重复步骤S01，标记多组时间并记录雷电数；S03：计算每个起始时间与每个到达时间的时差，保留不高于预设值的时差；S04：通过声速及保留的时差计算出距离；S05：将雷电数、方向及距离通过通讯模块传输至服务器；S06：服务器根据若干监测单元传输的信息通过筛选得到雷电位置。

其中时差的预设值的作用是，去除可能存在的过远的或错误的雷电信息以减少计算负荷。在单一雷击出现时，由于雷光信号与雷声信号的匹配较容易，因此计算所得的距离精准度较高，通过2到3个监测单元的数据，即可实现雷电定位，但当短时间内出现多此雷击时，无法准确判断出哪个雷光信号与哪个雷声信号匹配，因此本方法除了使用距离外，还增加了方向的检测，由于方向这个参量精确性的控制存在一定难度，因此方向的作用是在其他数据均得出后，作为一个限制依据，用以剔除与方向明显不符的数据，保留与方向最接近的数据。

作为优选，所述步骤S01中，方向的生成过程包括：对比同一时间光敏模块中各光敏元件接收到的信号强度，记录信号强度最大的光敏元件所朝的方向。

作为优选，所述步骤S01中，记录最后一次雷光信号后如超过设定时间则不再记录雷声信号。限制两种信号的采集时差，减少计算负荷和监测范围。

作为优选，所述步骤S04中距离的计算方式包括：声速乘以时差。由于光在大气中的传播速度较快，如在此代入光速计算并不能有效增加精确度，反而降低工作效率，延长处理时间。

作为优选，所述步骤S06的过程包括：A601：在地图上标明每个监测单元的位置，以每个监测单元得出的距离为半径，对应监测单元为圆心画出若干圆；A602：判断每个圆与相邻监测单元所在的圆是否存在交点或切点，保留存在交点或切点的圆，删去没有交点或切点的圆；A603：判断监测单元保留的圆数量与该监测单元记录的雷电数是否一致，如一致则该监测单元保留的每个圆半径即对应一个正确雷电距离，执行步骤A604，如不一致则存在干扰项，执行步骤A605；A604：逐个判断圆是否满足仅存在一个切点且无交点，或该圆与其他两圆的切点或交点重合在一点，如满足任一条件则该点位置即是雷电发生位置，如不满足则执行步骤S605；A605：以每个监测单元为起点，按照该监测单元记录的方向画射线，保留距离每条射线最近的圆上的交点或切点，该交或切点即是雷电发生位置。

如果每个雷光信号与每个雷声信号能够做到准确匹配，则计算所得的距离较为精准，每个生成的圆均与相邻两个监测单元所生成的圆存在一个公共交点，该公共交点即是雷电位置。而事实上多个信号无法做到准确匹配，因此会存在较多干扰项，从所有参数中剔除干扰项，即是通过上述内容所实现的。

本发明的实质性效果包括：能够监测雷电发生的方向、光信号及声信号，通过多次数据的对比或判断，从短时间内多个雷电混乱的声信号及光信号中得出雷电定位信息，实现区域内雷电定位监测，以此为检修等工作提供参考消息。

附图说明

图1为本发明实施例的监测单元示意图；

图2为本发明实施例的步骤S06筛选过程第一示意图；

图3为本发明实施例的步骤S06筛选过程第二示意图；

图4为本发明实施例的步骤S06筛选过程第三示意图；

图5为本发明实施例的步骤S06筛选过程第四示意图；

图中包括：1-光敏元件、2-支架、3-控制箱、4-安装柱、5-雨量计、10-第一监测单元、20-第二监测单元、30-第三监测单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本技术方案作进一步阐述。

一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，包括服务器及若干监测单元，如图1所示，监测单元包括安装柱4及设置在安装柱4上的控制箱3，安装柱4固定于地面或建筑物，光敏模块设置于安装柱上部，用于从多角度接收雷光信号。光敏模块需要较开阔的视野，其他模块均设置于控制箱内以延长使用寿命。

控制箱3内包括：处理器，控制各模块；声音检测模块，连接处理器，用于接收雷声信号；通讯模块，连接处理器，用于和服务器发送及接收数据。通过若干监测单元的协同工作，记录雷光信号、方向及雷声信号，并最终通过处理器及服务器的处理实现雷电定位，准确率高，是实现短时间内多个雷电的定位的硬件基础。

光敏模块包括支架2及光敏元件1，支架2为中间开口的伞形结构，支架2套设于安装柱4上部，光敏元件1排列于支架2上表面，控制箱3位于支架2下方。支架2上的若干光敏元件1组成了全方位的检测角度，同时中间的安装柱4挡住了每个光敏元件1反向来光的直接照射，有利于降低干扰，每次雷电出现时，对比每个光敏元件1接收的信号强度即可得出雷电所在的方向。光敏元件1采用高响应度、低噪声的光电二极管。

另外本监测单元还包括雨量计5，雨量计5设置于安装柱4顶端的桶形区域内。较多情况下雷电与降雨存在一定的相关性，因此雨量的监测能够一定程度作为参考数据。

本实施例还包括一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，运用于上述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，包括以下步骤：S01：当出现雷电时，光敏模块接收到雷光信号，处理器记录方向并标记起始时间，声音检测模块接收雷声信号，处理器标记到达时间；S02：根据雷电次数重复步骤S01，标记多组时间并记录雷电数；S03：计算每个起始时间与每个到达时间的时差，保留不高于预设值的时差；S04：通过声速及保留的时差计算出距离；S05：将雷电数、方向及距离通过通讯模块传输至服务器；S06：服务器根据若干监测单元传输的信息通过筛选得到雷电位置。

其中时差的预设值的作用是，去除可能存在的过远的或错误的雷电信息以减少计算负荷。在单一雷击出现时，由于雷光信号与雷声信号的匹配较容易，因此计算所得的距离精准度较高，通过2到3个监测单元的数据，即可实现雷电定位，但当短时间内出现多此雷击时，无法准确判断出哪个雷光信号与哪个雷声信号匹配，因此本方法除了使用距离外，还增加了方向的检测，由于方向这个参量精确性的控制存在一定难度，因此方向的作用是在其他数据均得出后，作为一个限制依据，用以剔除与方向明显不符的数据，保留与方向最接近的数据。

步骤S01中，方向的生成过程包括：对比同一时间光敏模块中各光敏元件接收到的信号强度，记录信号强度最大的光敏元件所朝的方向。

步骤S01中，记录最后一次雷光信号后如超过设定时间则不再记录雷声信号。限制两种信号的采集时差，减少计算负荷和监测范围。

步骤S04中距离的计算方式包括：声速乘以时差。由于光在大气中的传播速度较快，如在此代入光速计算并不能有效增加精确度，反而降低工作效率，延长处理时间。

步骤S06的过程包括：A601：在地图上标明每个监测单元的位置，如图2所示包括第一监测单元10、第二监测单元20及第三监测单元30，以每个监测单元得出的距离为半径，对应监测单元为圆心画出若干圆，短时间内2次雷电则能在每个监测单元上画出4个圆；A602：判断每个圆与相邻监测单元所在的圆是否存在交点或切点，如图3所示，保留存在交点或切点的圆，删去没有交点或切点的圆；A603：判断监测单元保留的圆数量与该监测单元记录的雷电数是否一致，如一致则该监测单元保留的每个圆半径即对应一个正确雷电距离（例如图3中第二监测单元20剩下的圆数量与雷电量一致），执行步骤A604，如不一致则存在干扰项，执行步骤A605；A604：逐个判断圆是否满足仅存在一个切点且无交点，或该圆与其他两圆的切点或交点重合在一点，如满足任一条件则该点位置即是雷电发生位置（图3中已可以确定），如不满足则执行步骤S605（如图4所示，例如监测单元数量不足或其他原因导致无法满足上述条件）；A605：如图5所示，以每个监测单元为起点，按照该监测单元记录的方向画射线，保留距离每条射线最近的圆上的交点或切点，该交或切点即是雷电发生位置。代表方向的射线能够排除图4中下方的三个点以及最上方的一个点，保留如图5所示的2个点。而如果不借助距离或圆，仅从方向判断，误差较大。而本方法能够较好地结合这些参数，得出较为准确的结论。

上述实施例的优势在于，如果每个雷光信号与每个雷声信号能够做到准确匹配，则计算所得的距离较为精准，每个生成的圆均与相邻两个监测单元所生成的圆存在一个公共交点，该公共交点即是雷电位置。而事实上多个信号无法做到准确匹配，因此会存在较多干扰项，本实施例从所有的参数中剔除干扰项实现雷电定位。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

其中，本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的，可以理解为由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合，也可以理解为提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器指令，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令可以存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，包括服务器及若干监测单元，其特征在于，所述监测单元包括：

处理器，控制各模块；

光敏模块，用于从多角度接收雷光信号，包括若干连接处理器的光敏元件；

声音检测模块，连接处理器，用于接收雷声信号；

通讯模块，连接处理器，用于和服务器发送及接收数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，其特征在于，还包括安装柱及设置在安装柱上的控制箱，所述安装柱固定于地面或建筑物，所述处理器、声音检测模块及通讯模块设置于控制箱内，所述光敏模块设置于安装柱上部。

3.根据权利要求2所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，其特征在于，所述光敏模块还包括支架，所述支架为中间开口的伞形结构，支架套设于安装柱上部，光敏元件排列于支架上表面，控制箱位于支架下方。

4.根据权利要求2所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，其特征在于，还包括雨量计，所述雨量计设置于安装柱顶端。

5.一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，运用于权利要求1所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测系统，其特征在于，包括以下步骤：

S01：当出现雷电时，光敏模块接收到雷光信号，处理器记录方向并标记起始时间，声音检测模块接收雷声信号，处理器标记到达时间；

S02：根据雷电次数重复步骤S01，标记多组时间并记录雷电数；

S03：计算每个起始时间与每个到达时间的时差，保留不高于预设值的时差；

S04：通过声速及保留的时差计算出距离；

S05：将雷电数、方向及距离通过通讯模块传输至服务器；

S06：服务器根据若干监测单元传输的信息通过筛选得到雷电位置。

6.根据权利要求5所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，其特征在于，所述步骤S01中，方向的生成过程包括：对比同一时间光敏模块中各光敏元件接收到的信号强度，记录信号强度最大的光敏元件所朝的方向。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，其特征在于，所述步骤S01中，记录最后一次雷光信号后如超过设定时间则不再记录雷声信号。

8.根据权利要求5或6所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，其特征在于，所述步骤S04中距离的计算方式包括：声速乘以时差。

9.根据权利要求5或6所述的一种基于泛在电力物联网的雷电监测方法，其特征在于，所述步骤S06的过程包括：

A601：在地图上标明每个监测单元的位置，以每个监测单元得出的距离为半径，对应监测单元为圆心画出若干圆；

A602：判断每个圆与相邻监测单元所在的圆是否存在交点或切点，保留存在交点或切点的圆，删去没有交点或切点的圆；

A603：判断监测单元保留的圆数量与该监测单元记录的雷电数是否一致，如一致则该监测单元保留的每个圆半径即对应一个正确雷电距离，执行步骤A604，如不一致则存在干扰项，执行步骤A605；

A604：逐个判断圆是否满足仅存在一个切点且无交点，或该圆与其他两圆的切点或交点重合在一点，如满足任一条件则该点位置即是雷电发生位置，如不满足则执行步骤S605；

A605：以每个监测单元为起点，按照该监测单元记录的方向画射线，保留距离每条射线最近的圆上的交点或切点，该交或切点即是雷电发生位置。