CN111999544A - 雷击连续电流遥测装置及雷击识别和特征参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷击连续电流遥测装置及雷击连续电流识别和特征参数计算方法，包括电场变化测量天线、测量装置主机及工控机，测量装置主机用于通过电场变化测量天线获取雷电电场变化波形，并将波形传输至工控机，工控机用于实现雷击连续电流事件识别和特征参数计算，首先对雷电电场变化波形进行信号滤波预处理，再识别滤波预处理后的雷电电场变化波形中的有用信号区段，识别有用信号区段中的地闪回击波形以及地闪回击波形后是否存在连续电流，最后计算雷击连续电流的电场变化、转移电荷量和平均电流强度。本发明可快速判别雷击连续电流事件并提取其相关参数，解决了现有雷电定位系统不能探测连续电流的问题，有效支撑雷击故障分析与处置决策。

Description

雷击连续电流遥测装置及雷击识别和特征参数计算方法

技术领域

本发明涉及一种雷击事件探测技术领域，具体而言，涉及一种雷击连续电流遥测装置及雷击连续电流识别和特征参数计算方法。

背景技术

自然界雷电的连续电流过程是雷云中局部电荷聚集中心在回击之后沿回击通道对地面的持续电荷转移过程，该过程电流幅值相对低(100A级别)，但由于持续时间相对长，转移电荷量大，具有较强的破坏性，常常是引起森林和油库火灾、输电线路停运、飞行事故等灾害的重要原因。据论文《地闪长连续电流对500kV直流输电线路故障重启动特性的影响》研究，雷击输电线路跳闸后，连续电流可能会导致故障处电弧稳定燃烧，若持续时间超过去游离时间，将引起线路重启失败，造成输电线路停运事故。

据论文《Quantitative study of strokes and continuing currents inlightning discharges to ground》报道，雷击的连续电流平均持续时间120ms，电流幅值分布在38A至130A之间，平均转移电荷量12库伦。作者将雷击连续电流事件分为长连续电流(持续时间超过40ms)和短连续电流(持续时间小于40ms)。该论文数据来源于科学实验，对雷击的连续电流需要人工识别和提取参数。连续电流的辐射频率低，传播距离较近，其特征和地闪回击过程相比不明显，因此对连续电流的自动探测和识别难度较大。目前雷电定位系统多针对回击脉冲电磁场进行探测，尚不能判别地闪回击后是否伴随连续电流放电过程。中国专利《利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法》公开了一种利用低频磁场天线遥测连续电流的方法，但是该方法主要针对人工触发雷电的初始连续电流过程，旨在还原初始连续电流的准确波形，用于科学研究。另外，该方法未公开连续电流的持续时间、幅值和电荷量等参数的提取方法。因此，急需提出一种针对自然闪电雷击连续电流的探测设备和识别估算方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种雷击连续电流遥测装置及雷击连续电流识别和特征参数计算方法，旨在解决现有雷电定位系统不能探测雷击连续电流事件和雷电流定点测量装置不能开展遥测等问题。

为实现此目的，本发明所设计的雷击连续电流遥测装置，它包括电场变化测量天线、测量装置主机以及工控机，测量装置主机用于通过电场变化测量天线获取雷电电场变化波形，并将雷电电场变化波形传输至工控机，工控机用于识别雷电电场变化波形中的有用信号区段中的地闪回击波形，在确定所述地闪回击波形后存在雷击连续电流时，获取地闪回击波形向雷击连续电流转换的拐点和连续电流波形极值点，并将拐点和极值点之间的时间差作为雷击连续电流持续时间ΔT，将拐点和极值点之间的电压差作为雷击连续电流引起的电压变化ΔV，再将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE，并结合雷击连续电流对应回击的发生位置计算雷击连续电流转移电荷量ΔQ，结合雷击连续电流持续时间ΔT计算雷击连续电流平均电流强度I。

本发明的有益效果：

本发明不仅可自动、快速判别雷击后是否伴随连续电流事件，解决了现有雷电定位系统不能探测连续电流事件和雷电流定点测量装置不能开展遥测等问题，而且能够自动提取连续电流相关参数，为引起森林火灾和输电线路雷击跳闸等雷击故障的雷击连续电流事件提供了直接监测数据，有效支撑了雷击故障分析与处置决策。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的雷击连续电流电荷转移量计算方法原理示意图；

图4为本发明雷击连续电流遥测装置标定试验布置示意图；

图5为本发明实施例的一例正回击及其伴随连续电流事件的电场变化波形；

图6为本发明实施例的一例负回击及其伴随连续电流事件的电场变化波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种雷击连续电流遥测装置，如图1所示，它包括电场变化测量天线、测量装置主机以及工控机，测量装置主机用于通过电场变化测量天线获取雷电电场变化波形，并将雷电电场变化波形传输至工控机，工控机用于实现雷击连续电流事件识别和特征参数计算，首先，针对雷击连续电流遥测装置输出的雷电电场变化波形进行信号滤波预处理，获得去除环境噪声干扰后的雷电电场变化波形，然后，识别滤波预处理后的雷电电场变化波形中的有用信号区段中的地闪回击波形，在确定所述地闪回击波形后存在雷击连续电流时，获得地闪回击波形向雷击连续电流转换的拐点和连续电流波形极值点，并将拐点和极值点之间的时间差作为雷击连续电流持续时间ΔT，将拐点和极值点之间的电压差作为雷击连续电流引起的电压变化ΔV，再将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE，并结合雷击连续电流对应回击的发生位置计算雷击连续电流转移电荷量ΔQ，结合雷击连续电流持续时间ΔT计算雷击连续电流平均电流强度I。

上述技术方案中，所述电场变化测量天线测量雷电电场变化在天线上感应的电荷量，进而测得雷电的电场变化。当雷电引起近地面垂直电场变化时，天线上感应的电荷量也随之变化，产生的感应电流通过积分电路进入测量装置主机，积分电路作为测量装置的前置放大器，对电流的测量与积分电路的时间常数相关。用于本发明中雷击连续电流事件测量的积分电路时间常数一般要求偏大，优选为大于1ms。

上述技术方案中，所述测量装置主机包括模拟板、主控板、卫星授时模块、数据存储模块、光纤收发器，所述主控板包括模/数转换模块、实时数据采集读写模块，其中，所述模拟板的天线接口连接电场变化测量天线，模拟板的模拟信号输出端连接模/数转换模块相的模拟信号输入端，所述模/数转换模块的数字信号输出端连接实时数据采集读写模块的数字信号输入端，所述卫星授时模块的时间信号通信端连接实时数据采集读写模块的时间信号通信端，所述数据存储模块的数据存储端与实时数据采集读写模块的数据存储端连接，所述实时数据采集读写模块通过光纤收发器与工控机的遥测数据通信端连接，所述模拟板用于对电场变化测量天线输入的电流信号进行积分，得到相应雷电电场的电压信号，同时对电压信号幅度进行调理，使输出的电压信号范围与所述模/数转换模块的电压量程范围一致，所述模/数转换模块将输入的模拟电压信号转换成数字信号，并选择基准源以满足实时数据采集读写模块对采样率和分辨率的要求，同时实现将雷电电场变化波形的数字化信号传输给实时数据采集读写模块，实时数据采集读写模块用于将雷电电场变化波形的数字化信号传输给工控机。

上述技术方案中，所述实时数据采集读写模块实现雷电电场变化波形的实时采集和传输。模块采用FPGA和ARM作为主控芯片，FPGA芯片通过数据总线和时钟控制模/数转换模块的数据采集，并高速读取模/数转换模块输出的并行数字电压信号，同时控制数据存储模块对采集到的数据进行存储。当电场信号满足触发条件时，FPGA芯片从数据存储模块读取实时数据，通过光纤收发模块将触发时刻信息和电场数据发送输出。

上述技术方案中，所述卫星授时模块与GPS或北斗系统时间同步，输出秒脉冲信号和年月日时分秒信息进入实时数据采集读写模块。实时数据采集读写模块中的FPGA芯片通过秒脉冲及触发时钟脉冲得到小数秒，ARM芯片提取年月日时分秒信息后，并写入FPGA芯片中。对于授时模块，要求授时精度不差于1μs。

上述技术方案中，工控机通过无线通信模块将雷电电场变化波形数据文件上传到远端服务器。同时，在工控机和远端服务器上，配置雷击连续电流遥测装置状态监控和采集参数配置程序，方便装置运行状态的实时监视和采集参数的灵活调整。

上述技术方案中，雷击连续电流遥测装置测量到的波形信号可能受到工频电源干扰或其他环境电磁噪声干扰，这些噪声的混入，将导致后续识别回击和连续电流发生错误，或导致后续识别的负担加重，计算量增加，影响识别的实时性。本发明将对信号进行滤波预处理，采用100Hz高通滤波，滤除工频电源干扰；采用2MHz低通滤波，滤除环境噪声干扰。

上述技术方案中，由于雷电放电为瞬时过程，平均持续时长仅百毫秒量级。根据雷电波形数据测量经验，所测量到的波形很多是处于“寂静期”的，并无有用信号。识别预处理后的雷电电场变化波形中的有用信号区段采用的方法为基于2σ法识别雷电电场变化波形信号中的有用信号区段，所述2σ法是将超过波形平均值2个标准差的部分当作有用信号。

上述技术方案中，识别有用信号区段中的地闪回击波形采用基于已经采集到的雷电回击电场波形建立样本库，利用机器学习算法建立自动识别模型，识别有用信号区段中的地闪回击波形。

上述技术方案中，识别地闪回击波形后是否存在连续电流采用的方法为判断回击波形后的电场变化波形是否向基准线回落。回击放电后，如没有连续电流，电场变化波形将很快恢复“寂静”。在伴随连续电流的情况下，电场变化波形将不会回落，而是继续缓慢变化。对于负回击，其伴随连续电流一般为负极性，因而会引起电场的持续负变化；对于正回击，其伴随连续电流一般为正极性，引起电场的正变化。因此，若电场变化波形向基准线回落，则判断回击波形后没有连续电流，若电场变化波形继续缓慢变化，则判断回击波形后存在连续电流。

上述技术方案中，所述计算连续电流电荷转移量ΔQ包括两个步骤：

首先，按照公式(1)将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE，公式(1)中系数k通过雷击连续电流遥测装置标定试验得到；

ΔE＝kΔV (1)

所述雷击连续电流遥测装置标定试验是通过构建电场频率和强度已知的环境，记录电场变化测量装置的输出电压，通过拟合电场强度和电压，得到系数k，其中，ε是感应板介电常数，A是感应板有效感应面积，C是模拟板积分电容值；

然后，结合连续电流对应回击的发生位置，通过公式(3)计算连续电流电荷转移量ΔQ，此公式实际是依据静电场原理，反推在雷击连续电流遥测装置处测量到电场变化ΔE所对应的电荷量。其中，D为连续电流对应回击的发生位置距离雷击连续电流遥测装置的水平距离，H为产生连续电流的雷暴云电荷中心的高度，ε₀为真空介电常数，如图3所示；

上述技术方案中，连续电流平均电流强度I由公式(4)计算获得。

图4示出了雷击连续电流遥测装置标定实验布置示意图。标定主要针对雷击连续电流遥测装置的电场变化测量天线和模拟板开展，目的在于标校出装置输出电压和雷电电场变化波形之间的关系，同时标定出装置的工作频率范围。图4中示意出了两块金属板，这两块金属板的直径一般要求远大于装置电场变化测量天线的直径，通常制作为1m及以上的直径。在两块金属板上施加频率已知的电压信号，就认为在两块金属板中间产生了频率已知的变化电场。将电场变化测量天线置于两块金属板之间感应此变化电场，观察和记录模拟板在示波器上的输出电压信号。改变输入电压幅值和频率，通过多组测量，即可达到标定目的。

上述技术方案中，连续电流对应回击的发生位置距离雷击连续电流遥测装置的水平距离D有三种确定方法：一是通过匹配雷电定位系统的回击时间和雷击连续电流遥测装置的记录时间关联确定距离信息，二是由多个雷击连续电流遥测装置组网形成雷电定位系统确定距离信息，三是结合输电线路故障定位或变电站故障测距系统的时间和位置确定距离信息。

上述技术方案中，产生连续电流的雷暴云电荷中心的高度H用电场探空获得的温度垂直廓线中-20℃～-10℃所在高度表示，或者通过多站探测方法获得，所述多站探测方法，当2个安装在不同位置的雷电电场变化测量装置同时探测到一次相同的雷击连续电流事件时，可根据2个安装在不同位置的雷击连续电流遥测装置输出的雷电电场变化波形分别计算出第一个雷电电场变化测量装置探测的连续电流引起的电场变化ΔE₁、第二个雷电电场变化测量装置探测的连续电流引起的电场变化ΔE₂、连续电流对应回击的发生位置距离第一个雷击连续电流遥测装置的水平距离D₁，以及连续电流对应回击的发生位置距离第二个雷击连续电流遥测装置的水平距离D₂，同一次雷击连续电流具有相同的电荷转移量ΔQ，可通过公式(3)获得联立方程组(5)，由此求得雷暴云电荷中心的高度H和电荷转移量ΔQ的值；

上述技术方案中，产生连续电流的雷暴云电荷中心的高度H较难准确获取。如果该数据无法获得，在我国华北、华东和华中地区，可以认为该高度一般在4km-6km。南方对流旺盛地区，该值可能偏大；而东北、西北地区该值可能偏小。

一种利用上述装置的雷击连续电流识别和特征参数计算方法，如图2所示，它包括如下步骤：

步骤1：识别雷电电场变化波形中的有用信号区段；

步骤2：识别有用信号区段中的地闪回击波形；

步骤3：识别地闪回击波形后是否存在雷击连续电流，在确定出所述地闪回击波形后存在雷击连续电流时，获取地闪回击波形向雷击连续电流转换的拐点和连续电流波形极值；

步骤4：将拐点和极值点之间的时间差作为雷击连续电流持续时间ΔT，将拐点和极值点之间的电压差作为雷击连续电流引起的电压变化ΔV；

步骤5：将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE；

步骤6：结合雷击连续电流对应回击的发生位置计算连续电流转移电荷量ΔQ，结合雷击连续电流持续时间ΔT计算连续电流平均电流强度I。

上述技术方案的步骤1中，在进行识别雷电电场变化波形中的有用信号区段前对所述测量装置主机输出的雷电电场变化波形进行预处理，以去除电源噪声和非雷击信号的干扰。

图5示出了一次正回击及其伴随的连续电流。图中标识了雷击连续电流引起的电压变化ΔV和雷击连续电流持续时间ΔT。需要说明的是，从回击向连续电流转换的拐点不易准确识别，可以将回击波尾向基准线“回落”的最小值处作为拐点。

图6示出了一次负回击及其伴随的连续电流。

以上对本发明的雷击连续电流事件自动识别和特征参数估算方法及遥测装置进行了阐述，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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可用程序代码的计算机可用存储介质(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。

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。应理解可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。可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，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也可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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种雷击连续电流遥测装置，其特征在于，包括电场变化测量天线、测量装置主机以及工控机，其中：

所述测量装置主机，用于通过电场变化测量天线获取雷电电场变化波形，并将雷电电场变化波形传输至工控机；

所述工控机，用于识别雷电电场变化波形中的有用信号区段中的地闪回击波形，在确定出所述地闪回击波形后存在雷击连续电流时，获取地闪回击波形向雷击连续电流转换的拐点和连续电流波形极值点，并将拐点和极值点之间的时间差作为雷击连续电流持续时间ΔT；

所述工控机，用于将拐点和极值点之间的电压差作为雷击连续电流引起的电压变化ΔV，将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE，并结合雷击连续电流对应回击的发生位置计算雷击连续电流转移电荷量ΔQ，结合雷击连续电流持续时间ΔT计算雷击连续电流平均电流强度I。

2.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于，所述工控机还用于针对所述雷电电场变化波形进行信号滤波预处理，获得去除环境噪声干扰后的雷电电场变化波形，并识别滤波预处理后的雷电电场变化波形中的有用信号区段中的地闪回击波形。

3.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于，所述工控机，用于根据雷击连续电流遥测装置标定试验结果将电压变化换ΔV转换成电场变化ΔE。

4.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述测量装置主机包括模拟板、主控板、卫星授时模块、数据存储模块、光纤收发器；

所述主控板包括模/数转换模块、实时数据采集读写模块；

所述模拟板的天线接口连接电场变化测量天线，模拟板的模拟信号输出端连接模/数转换模块相的模拟信号输入端，所述模/数转换模块的数字信号输出端连接实时数据采集读写模块的数字信号输入端；

所述卫星授时模块的时间信号通信端连接实时数据采集读写模块的时间信号通信端；

所述数据存储模块的数据存储端与实时数据采集读写模块的数据存储端连接，所述实时数据采集读写模块通过光纤收发器与工控机的遥测数据通信端连接；

所述模拟板用于对电场变化测量天线输入的电流信号进行积分，得到相应雷电电场的电压信号，对电压信号幅度进行调理，使输出的电压信号范围与所述模/数转换模块的电压量程范围一致，所述模/数转换模块用于选择基准源以满足实时数据采集读写模块对采样率和分辨率的要求，并实现将雷电电场变化波形的数字化信号传输给实时数据采集读写模块，实时数据采集读写模块用于将雷电电场变化波形的数字化信号传输给工控机。

5.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述工控机识别雷电电场变化波形中的有用信号区段采用的方法为基于2σ法识别雷电电场变化波形信号中的有用信号区段，所述2σ法是将超过波形平均值2个标准差的部分当作有用信号。

6.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述工控机识别有用信号区段中的地闪回击波形采用基于已经采集到的雷电回击电场波形建立样本库，利用机器学习算法建立自动识别模型，识别有用信号区段中的地闪回击波形；

所述工控机识别地闪回击波形后是否存在连续电流采用的方法为判断回击波形后的电场变化波形是否向基准线回落，若电场变化波形向基准线回落，则判断回击波形后没有连续电流，若电场变化波形继续缓慢变化，则判断回击波形后存在连续电流。

7.根据权利要求1所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述工控机采用以下方式计算连续电流电荷转移量ΔQ：

按照公式(1)将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE，公式(1)中系数k通过雷击连续电流遥测装置标定试验得到；

ΔE＝kΔV (1)；

所述雷击连续电流遥测装置标定试验是通过构建电场频率和强度已知的环境，记录电场变化测量装置的输出电压，通过拟合电场强度和电压，得到系数k，其中，ε是感应板介电常数，A是感应板有效感应面积，C是模拟板积分电容值；

结合连续电流对应回击的发生位置，通过公式(3)计算连续电流电荷转移量ΔQ，其中，D为连续电流对应回击的发生位置距离雷击连续电流遥测装置的水平距离，H为产生连续电流的雷暴云电荷中心的高度，ε₀为真空介电常数；

所述工控机结合雷击连续电流持续时间ΔT利用公式(4)计算连续电流平均电流强度I；

8.根据权利要求7所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述工控机采用如下三种方式之一确定连续电流对应回击的发生位置距离雷击连续电流遥测装置的水平距离D：

方式1、通过匹配雷电定位系统的回击时间和雷击连续电流遥测装置的记录时间关联确定距离信息；

方式2、由多个雷击连续电流遥测装置组网形成雷电定位系统确定距离信息；

方式3、结合输电线路故障定位或变电站故障测距系统的时间和位置确定距离信息。

9.根据权利要求7所述的雷击连续电流遥测装置，其特征在于：所述工控机中产生连续电流的雷暴云电荷中心的高度H用电场探空获得的温度垂直廓线中-20℃～-10℃所在高度表示，或者通过多站探测方法获得，所述多站探测方法，当2个安装在不同位置的雷电电场变化测量装置同时探测到一次相同的雷击连续电流事件时，根据2个安装在不同位置的雷击连续电流遥测装置输出的雷电电场变化波形分别计算出第一个雷电电场变化测量装置探测的连续电流引起的电场变化ΔE₁、第二个雷电电场变化测量装置探测的连续电流引起的电场变化ΔE₂、连续电流对应回击的发生位置距离第一个雷击连续电流遥测装置的水平距离D₁，以及连续电流对应回击的发生位置距离第二个雷击连续电流遥测装置的水平距离D₂，同一次雷击连续电流具有相同的电荷转移量ΔQ，通过公式(3)获得联立方程组(5)，由此求得雷暴云电荷中心的高度H和电荷转移量ΔQ的值；

10.一种雷击连续电流识别和特征参数计算方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：识别雷电电场变化波形中的有用信号区段；

步骤2：识别有用信号区段中的地闪回击波形；

步骤3：识别地闪回击波形后是否存在雷击连续电流，在确定出所述地闪回击波形后存在雷击连续电流时，获取地闪回击波形向雷击连续电流转换的拐点和连续电流波形极值；

步骤4：将拐点和极值点之间的时间差作为雷击连续电流持续时间ΔT，将拐点和极值点之间的电压差作为雷击连续电流引起的电压变化ΔV；

步骤5：将电压变化ΔV换算成电场变化ΔE；

步骤6：结合雷击连续电流对应回击的发生位置计算连续电流转移电荷量ΔQ，结合雷击连续电流持续时间ΔT计算连续电流平均电流强度I。

Images