雷电监测罗氏线圈3g通信实时视频监测

摘要电能传送过程中经常在架空输电线路出现问题，电网运行的可靠性直接受它工作的稳定与否影响。架空输电线路通常架装在偏远的山林里，而且极易受到雷电入侵。架空输电线路及其附属设备年年因雷击导致损坏而造成的危害巨大，而且还严重影响到线路的供电可靠性。因此对架空输电线路的雷电入侵检测需求必不可少，同时基于架空输电线路的检修维护、故障定位等需求，降低输电线路故障率，也需要该类型产品。本文将从理论方面搭建一个简易的架空输电线路雷电在线监测系统。首先，该系统采用太阳能与蓄电池相结合方式供电，采用双参数监测方式，监测扛塔入地电流和架空输电线路的电压，雷电流的监测使用AS3935闪电传感器，并配合基于罗氏线圈的雷电流传感器，可以较为准确灵敏的监测到雷电流，并利用GPS进行定位，最后将采集到的信息，如雷电流信息，温度和湿度等信息，通过3g通信和光纤通信进行数据传输，而且本系统还采用实时视屏/图像监测，在一些突发情况发生时可以及时进行监测，避免人员的损伤和提高工作效率。关键词：雷电监测，罗氏线圈，3g通信，实时视频监测

AbstractAnextremelyimportantpartofthepowertransmissionprocessistheoverheadtransmissionline.Thesafetyandstabilityofthepowergridoperationaredirectlyaffectedbythestabilityofitsoperation.Overheadtransmissionlinesareusuallymountedinremotemountainforestsandarehighlysusceptibletolightningintrusion.Theoverheadtransmissionlineanditsancillaryequipmentaregreatlydamagedbylightningdamageeveryyear,anditalsoseriouslyaffectsthereliabilityoftheline.Therefore,thedemandforlightningintrusiondetectionofoverheadtransmissionlinesisindispensable.Atthesametime,basedontherequirementsofmaintenanceandfaultlocationofoverheadtransmissionlines,andreducingthefailurerateoftransmissionlines,suchproductsarealsoneeded.Thispaperwillbuildasimpleon-linemonitoringsystemforoverheadtransmissionlinesfromatheoreticalperspective.Firstly,thesystemusessolarenergyandbatterycomplementarypowersupply.Itadoptstwo-parametermonitoringmethodtomonitorthevoltageofthetowerintothegroundandthevoltageoftheoverheadtransmissionline.ThelightningcurrentismonitoredbyAS3935lightningsensorandthelightningcurrentsensorbasedonRogowskicoil.Itcanmonitorthelightningcurrentmoreaccuratelyandsensitively,anduseGPStolocate.Finally,thecollectedinformation,suchaslightningcurrentinformation,temperatureandhumidity,canbetransmittedthrough3Gcommunicationandopticalfibercommunication,andthesystemalsousesreal-time.Video/imagemonitoring,whichcanbemonitoredintimewhensomeunexpectedsituationsoccur,toavoidpersonneldamageandimproveworkefficiency.Keywords:LightningMonitoring,Rogowskicoil,3gCommunication,Real-timevideomonitoring目录摘要 1Abstract 21绪论 61.1研究背景和意义 61.2雷电的特征 71.2.1雷电的形成 71.2.2雷电参数的特征 81.3雷电监测技术的发展现状 91.3.1雷击电流监测常用方法 101.3.2雷击过电压监测常用解决方案 121.4雷电在线监测系统的不足 131.5本文的主要工作 132.架空线雷电在线监测系统重要问题的探讨 142.1监测系统状态控制信号传输流程 142.2双参数测量传感器组 152.3监测系统结构选择问题的探讨 162.4监测系统的取能方式 172.3监控系统的图像/视频在线监控 182.4监测系统通信方式研究分析 182.4.13g通信技术 182.4.2光纤通信技术 202.4.3监测系统的通信方式 202.5监测系统定位研究与分析 212.6监控系统防护措施 212.6.1抗干扰措施 212.6.2防雷措施 222.6.3针对系统自然环境的防护措施 222.7本章总结 233.雷击输电线路的仿真分析 253.1概述 253.2雷电流模型 253.3输电线路仿真 263.4杆塔模型 263.5雷击干扰与故障仿真 283.6本章总结 304.信息监测单元设计 314.1雷电信息监测单元设计 314.2其他信号监测设备设计 354.3GPS模块的设计 394.4在线监测系统供能方式设计 404.53g模块的设计 424.6本章小结 435结论 44参考文献 45致谢 491绪论1.1研究背景和意义目前，国力日益强盛，科研成果丰硕，我国电力已经进入信息化、智能化和自动化的时代，伴随着我国国民经济的增长，国家的用电需求也不断上升，因此我国电力传输的容量也在不断的增长，电能已经成为国家发展的必须品。电能已经不断深深的影响到每一个人，每一家企业，每一个国家，所以电能传输的安全已成为重中之重。但从各国的情况来看，自然危害大大影响着电力传输的安全，其中雷电的影响是最大的，因为雷电而引起架空输电线路发生的故障占全年故障的40%~70%，雷电大大的危害着架空输电线路的安全稳定运行。在电网运行过程中，由于雷电的原因而使架空输电线路发生故障的事屡屡发生，但目前对于架空输电线路的防雷手段的分析，仍要依靠实验室的模拟和软件的仿真，但实验室的模拟条件与现实环境相比有一定的差异，而且依靠软件仿真的模拟，其搭建的模型有一定的缺陷，并且各种参数与实际值有一定的误差，比如雷电流的参数，杆塔的参数等，这必然导致研究的结果有一定的误差。但通过对雷电的监测，分析雷电发生的概率，分布规律以及雷电流的波形等，对于研究雷电引起的故障，防范措施等有很大的好处，所以搭建一套安全稳定而且准确度高的架空输电线路雷电在线监测系统是必不可少的。由于架空输电线流过较大的电流，这必然伴随着强烈的电磁效应，这会大大影响在线监测系统的测量的准确性，影响设备的正常运行[2-3]。因此，必须对高压架空输电线路进行相应的研究，比如干扰源的来源，以及设备的防雷措施等，采用相关的抗干扰措施，如设备接地、进行屏蔽和滤波等，降低干扰的程度，提高监测系统的准确性和安全性。同时监测系统需要稳定安全的电源，但如果从架空线路中直接获取能量的话，容易造成干扰和架空线路故障，因此必须考虑如何从野外获取稳定安全的电能，并与监测系统耗能相配合，形成一个稳定安全的循环，从而减少电源的更换次数，提高监测系统的运行可靠性。监测数据的收集和传输也是一个重大问题。要确保数据的准确性，还要考虑数据传输过程中的失真或丢失，以及还要预防被他人获取或修改，同时还要确保数据传输的速度。本文采用太阳能与蓄电池功能方式，提供一个稳定安全的能量来源，可以避免因直接从输电线获取能量而对电网造成干扰以及停电的影响，采用3g通信传输和光纤传输，不仅能确保安全性，还能大大提高传输的速度以及数据完整性，采用双参数测量手段，大大提高监测的准确性，该系统的研究，对于预防以及发现雷电的危害有极大的意义。1.2雷电的特征1.2.1雷电的形成积雨云是闪电的主要载体，雷电的形成与大气活动直接相关。雷电的形成过程中，太阳的辐射能量起着重要的作用。由于太阳的照射，使空气受热形成对流，水蒸气因运动而带电。科学家对于电荷产生的原理众说纷纭，而现在较为公认的起电机制包括：温差起电理论、破碎起电理论、感应起电理论。对流持续发展的结果，会产生积雨云，由于水蒸气的运动，使电荷跟着运动，导致云的底部聚集了数量众多的负电荷，由于异性电荷相吸引的原理，会使地面上感应出大量的正电荷。一旦正负电荷累积到一定数量时，两者间会形成巨大的电压差，在遇到地面上形状较尖的建筑物或物体后，大量的正负电荷将向尖端集中。由于强大的电场，与尖端同极性的电荷将会被排挤，而与尖端不同极性的电荷将会被吸引，在电荷运动过程中，会使电场间的空气中离子能量变大，空气会被电离，从而会导致放电，这个过程称为尖端放电。之后在该空间中会产生大量的离子，由于离子带有正负极性，此时与尖端同极性的离子会被排斥，与尖端不同极性的离子会被吸引，一旦该空间中的电场强度比（25~30kV/cm）还要大时，就会发生先导放电。当先导放电的电流接近地面时，它就会受到地面物体的影响。其中先导电流容易流向地面较为尖锐或孤立物处，这是因为该处的的等电位面弯曲程度最高，电力线都汇集于该处。因此迎面先导会从地面相对最短距离发出，其原理图如下图2.1所示。一旦迎面先导电流与下行先导电流其中一支发生接触，因极性不同，就会出现“中和”现象，伴随着光和热的能量释放，形成观察到的闪电和雷鸣，这就是放电的过程。其放电时间极短，电流值较大。由于架空线所处的位置较高，自身又是导体，容易导通，极易积累到电荷，所以架空线一直是雷击地点高发处。1.2.2雷电参数的特征考虑到架空输电线路的故障发生有很大的原因是因为雷击，所以研究雷电的参数，如雷电流大小以及波形等，对于预防雷击架空线的概率以及降低雷电对输电线的危害有重大作用。①雷电流的极性和标准波形由多年的研究可知，大概7成到9成的雷电流都是负极性的，所以在雷电流模拟时，多是将其模拟为负极性电流。经研究分析得到，雷电流的波头和波尾都都不是固定的，而是随机变化的，其中波头在1到5µs，而波尾时间则在20到100µs之间。雷电流有三种通用标准波形，分别是等值斜角波形、标准冲击波形、等值余弦波形。②雷击输电线路过电压雷击于架空线不仅会引起电流变大，还会导致电压过高，根据雷击地点的不同可以分为感应过电压和直击雷过电压。感应过电压：当雷电不是直接击于架空线上，而是击于架空线附近的地面、建筑或者接地杆塔的塔顶部位，由于电磁感应的作用，在架空线上出现的过电压称为感应过电压，但由于感应过电压的电压值不高，而且只常见于35kV以下电压等级的架空线。直击过电压：根据雷击的地方不同可以分为两种情况。第一种是雷电直击与避雷线或者杆塔上，由于雷电流流进杆塔，杆塔接地电阻具有一定的阻值，而且雷电流值较大，这会导致电压值大大升高，绝缘子与架空线间的电压值过大，会使绝缘子击穿，发生反击。第二种情况是雷电直击与架空线或者绕过避雷器击于输电线，这会直接是输电线的对地电压大大提高，一旦超过了绝缘子的绝缘能力就会发生闪络，成为绕击，但这种情况发生的概率低于第一种，且雷击概率受地形影响。③雷电流幅值与概率分布雷电流是一个非周期波形，其幅值与很多因素有关，如气象条件等有关，是个不确定变量，而其幅值概率分布可以通过大量的数据总结其规律，下面为雷电流幅值概率分布计算公式lg88IP（2.1）上式中I为雷电流幅值（kA），P为雷电流超过I的概率。下面图为雷电流幅值概率分布曲线由上面的图可知，雷电流幅值为10kA到150kA的概率为九成以上，所以本文的雷电流幅值取为100kA。1.3雷电监测技术的发展现状目前，国内外学者就雷电监测方法有了很大的进步，架空输电线路雷电流监测的方法总结下来，主要有四种，分别是磁钢棒法、磁带法、雷电定位系统和基于罗氏线圈的雷电流测量方法，这四种方法是最常用的方法，其中基于罗氏线圈的雷电流测量方法是本文主要使用的一种测量方法。对于雷电所造成的过电压，常用接触型雷电过电压传感器或非接触型雷电过电压传感器。1.3.1雷击电流监测常用方法目前，国内外研究最多、应用较广泛的雷电流测量方法有：磁钢棒法，磁带法，雷电定位系统，基于罗氏线圈的雷电流测量法。下面将简要的分析讨论以上四种方法。磁钢棒法磁钢棒法，主要是基于雷电流会在其周围产生磁场这一原理，使磁钢棒被磁化。由于磁钢棒具有较强的磁矫顽特性，雷电流通过后磁钢棒仍残留很大的剩磁，通过检测其剩磁的大小即可确定被测雷电流幅值的大小[4]。但是这种方法是比较早期的测量方法，由于制造工艺的差异和测量剩磁的手段不同，从而导致这种方法有较大的误差，误差率大概有10%到30%，而且对于较小的电流或较为远的雷击是比较难以测量的，但这种方法对于早期分析研究雷击杆塔提供了大量的数据，推动了人类对雷电流的研究，具有重大意义。磁带法磁带法，这种方法主要是用高灵敏度的磁带提前录制基准信号，并将该磁带安装在相应设备上，等到雷电流流过该设备时，由于雷电流所产生的磁场，会使该磁带上的基准信号消失一定的长度，消失的长度与雷电流的幅值成一定比例。因此，根据检测预录基准信号的消去长度，经过单片机分析处理数据，则可以确定和显示出被测雷电流的幅值[5]，误差小于±4%。利用这种方法测量到的雷电流幅值的准确度比利用磁钢棒法测量的要高很多，但这种方法有很大的限制，就是只能测量雷电流的幅值大小，而对于雷电流的波形，频率和发生的位置等都不能测量，所以这种方法有很大的约束，使用面较窄。雷电定位系统十九世纪70年代，雷电定位系统这一测量雷电流的方法被提出，该系统不仅能够定位到雷电的发生位置，还能记录雷电流的波形及其他特征量[6-8]。该定位系统主要针对于气象探测而使用的，而且该系统不仅能探测到雷电发生的位置，还能测量到雷电流的幅值以及波形，但是由于该雷电定位系统需要制作与之相配合的非常精密走廊地图，导致成本过大，而且还具有一定的探测盲区，受地形影响很大，因此该系统在架空输电线路上不常用。基于罗氏线圈的雷电流测量方法利用罗氏线圈进行雷电流大小的测量方法由日本学家提出，这种方法不仅测量准确，而且成本并不高，被广泛应用，具有较大的研究意义。[9-12]图1.1雷电测量安装示意图Fig1.1Themeasurementoflightninginstallationdiagram日本学者使用罗氏线圈制作出雷电流监测传感器，并将两个罗氏线圈制作的传感器放置在塔顶位置，监测到的信息传输到位于塔横担位置的采集装置，而通信模块则发在远离输电线的塔脚处，信号的传输利用屏蔽双绞线，采集数据终端将收集到的信息，将其由电信号转为光信号，再通过光纤将信号传输到监控系统的后台处理。这套装置监测的雷电流范围较广，为10kA到300kA，该测量装置如图1.1所示。这种测量方法成本较低，而且准确性较高，而且可以测量到雷电流的波形，而且可以与用户进行无线网络的通讯，应用范围较广，现在很多监测系统都是基于该方法发展起来，但同时因为要独立为此系统布置光纤通信，这会造成额外的成本，其用电量会大大的提高，供电问题较为突出，而且由于无铁芯和互感系数较低的原因，不能进行长距离传输。1.3.2雷击过电压监测常用解决方案近年来我国对雷电监测技术有了较为深入的研究，考虑到雷电击于架空输电线路不仅会造成电流的变大，还会造成输电线电压的升高，而且对于输电线上的设备危害极大，对此，为了监测雷电过电压，常用有两种传感器，一种是接触型过电压传感器，另一种是非接触型过电压传感器，而对于架空输电线路而言，常用非接触过电压传感器，下面将对于这两种过电压传感器进行简要的介绍。（1）接触型过电压传感器接触型过电压传感器主要指的是高压分压器，而高压分压器又可以分为电阻分压器，电容分压器和阻容分压器。目前，电阻分压器和阻容分压器常用于变电站的监测系统上，这是因为其有较高的测量准度，但接触型过电压传感器不适用于输电线上，因为其要长期并与主线上，一旦其发生故障将会诱发主网的故障，影响太大。电阻分压器由于其发热量太大，所以其热容量极大的限制了它瞬间测量的电压值，因此不能用于雷电的在线监测系统。虽然电容分压器发热量极小，但是由于其设备本身具有一定的电容值，容易发生谐波震荡，造成不必要的干扰。阻容分压器有两种。一种是高阻尼的分压器，在一定的阻尼值下，可以得到较好的响应特性，但由于采用并联在主线的方式，仍存在一定的危险。而另一种是低阻尼分压器，虽然它对于高频和低频具有一定的阻尼作用，但其响应特性较差，而且具有一定的谐波震荡。（2）非接触型过电压传感器一些学者针对接触型过电压传感器存在的一些致命缺陷进行改进，提出利用输电线和电流传感器之间的杂散电容作为高压臂，而低压臂则是利用外加电容，这样通过测量外加电容两端的电压值，可以得到需要测量的过电压，但由于电容岁外界因素容易变化，所以其测量值会与实际值有一定差距，但这种做法可以避免接触型过电压传感器直接并联与主线所带来的危害。一种基于光电效应和光纤通信的新型传感器被清华大学的科研人员发明出来，这种传感器不仅可以进行大电流的测量，还可以测量高电压，以及测量电力强度，这一传感器可以在高电压领域中使用，实现了技术的突破。这种光纤传感器具有体积小，测量准度高，安装方便等优点，但其对技术要求高，成本较大，所以并不适合于架空线的批量使用[13-14]。1.4雷电在线监测系统的不足1、多从外国引进整套监测系统，系统复杂性高，需要的技术高。2、监测系统多需要与架空线同时建造，对于已有的架空线很难在后期加装在线监测系统。3、对于某处雷电常发生地区，由于地形和监测系统过于庞大复杂，难以在小地区架设，而且成本过高。4、雷电的定位差，无法对雷电进行精确的定位和监测到雷电的发生。5、架设监测系统成本过高。1.5本文的主要工作本文主要从理论分析搭建一套低成本、高精度的适用于架空输电线路的雷电在线监测系统。本文打算采用太阳能蓄电池作为该系统的能源提供，采用AS3935闪电传感器实现对于雷电信息的监测，利用基于罗氏线圈而制造的传感器对雷电流进行测量，利用3g通信和光纤通信将监测到的信息传输到后台，利用GPS对雷电发生处进行定位与定时，对于雷电高发生处加装摄像头，利用无线通讯在必要时进行实时监控。2.架空线雷电在线监测系统重要问题的探讨2.1监测系统状态控制信号传输流程监测系统需要传输的数据主要有两种，一种是传感器输出的信号，表示外部环境的数据，另一种是表示监测系统内部设备是否正常运行的信号，这两者信号均传输到系统控制器中，由系统控制器判断监测系统是否满足启动条件。预启动预启动设备状态环境状态传感器测量电平设备状态环境状态传感器测量电平满足启动条件否满足启动条件是启动 启动系统输出的控制信号决定着监控系统处于那种工作模式、电源处于工作还是关断状态、通信模块处于开启还是关断。工作模式共有三种，一种是启动模式，第二种是预启动模式，第三种是停电模式。所有模块所处的状态均由系统控制中心来判断并发出相应控制信号来控制。现在以预启动工作模式进入启动工作模式为例，讲述信号的传输流程，其流程图如2-1所示。首先系统控制中心接收到表示外部环境状态的信号和表示设备状态的信号，判断外部环境是否发生了雷电，监测系统的电源等模块是否正常，接着将从传感器测量到的电流或电压值是否超过所设定的阈值，一旦超过且监测系统等模块可以正常供电，且外部环境显示为雷电天气，则系统控制中心则会马上将系统从预启动转为启动工作模式，并将启动前后一段时间收集到的数据进行存储并通过通信模块传输到系统后台。2.2双参数测量传感器组雷电击中架空输电线不仅会引起杆塔入地电流增大，还会导致架空输电线有很高的电压，所以雷电对于输电线有很大的危害，根据雷电击中的位置不同，可以分为感应雷过电压和直击雷过电压。感应过电压：当雷电不是直接击于架空线上，而是击于架空线附近的地面、建筑或者接地杆塔的塔顶部位，由于电磁感应的作用，在架空线上出现的过电压称为感应过电压[23]，但由于感应过电压的电压值不高，而且只常见于35kV以下电压等级的架空线，所以本文不予考虑。直击过电压：根据雷击的地方不同可以分为两种情况。第一种是雷电直击与避雷线或者杆塔上，由于雷电流流进杆塔，杆塔接地电阻具有一定的阻值，而且雷电流值较大，这会导致电压值大大升高，绝缘子与架空线间的电压值过大，会使绝缘子击穿，发生反击。第二种情况是雷电直击与架空线或者绕过避雷器击于输电线，这会直接是输电线的对地电压大大提高，一旦超过了绝缘子的绝缘能力就会发生闪络，成为绕击，但这种情况发生的概率低于第一种，且雷击概率受地形影响。系统的设计是基于雷电监测系统双参数测量传感器。按照系统需测量的特征值来区分，主要有电流和电压值，采用基于罗氏线圈而制作的电流传感器和监测电压的非接触型过电压传感器。同时测量输电线路的入地电流和架空线的电压值，因为测量值为两个，所以对于之后关于雷电的分析会更加简单，更容易得到相应的判据。罗氏线圈电流传感器：一般的高压输电线，通常需要四个基于罗氏线圈制造而成的电流互感器，本文采用四个罗氏线圈独立采集信息的方法，这可以保证采集数据的准确性，且可以避免因多个有源器件而对电网造成的影响，虽然成本会略有提高。非接触型输电线路电压传感器：这一设备是专门为了监测输电线路的电压而生的。在每相的架空输电线路上均安装一个这样的传感器，专门监测输电线路上的雷击过电压和工频过电压。采用工频电压标定的办法，可以避免众多影响电压传感器分压比的因素，先提前确定工频电压参数的一个大致范围，等到系统运行后再确定传感器的分压比，忽略传感器的精度误差，可以较好的解决传感器分压难的这一难题。2.3监测系统结构选择问题的探讨现如今，基于已有的以过电压或者以雷电流作为监测对象的监测系统来说，其监测系统主要采用两种结构，一种是集中型监控，另一种是分布型监控，这两种结构各有其优点，下面将简要分析对比这两种方案。集中型监控集中型监测系统是将相应的传感器安装在高压母线处，并进行安全接地，以便监测高压母线的电流和电压或者温度及一些其他量，传感器测量后，将相应的信号通过同轴电缆传输到前置电路中，前置电路是有预处理电路和触发电路组成，在这里传感器的信号先经过预处理电路和触发电路进行处理分析，即通过滤波等手段进行预处理，接着将处理后的信息传输到采样卡处，采样卡与工控机组成主机，在这里进行信号最终的处理分析，得到相应的信息。结构框图如图1-2。集中型监控系统的优点是：结构简单，技术成熟，能够可靠且安全的实时对雷电信息进行采集分析，其采样卡是工业上常用的单元，采样频率带较宽，性能较好。其缺点是：传感器测量得到的是高频模拟信号，且该信号需要进行长距离的传输，在传输过程中容易导致信号的衰减和畸变，导致失真，而且为了适应长距离传输所匹配的电阻难；系统结构较固定，扩展能力差，但需要进行多个点的监测时，对工控机要求高，会时每个点的实时监控产生影响；系统中的采样机，工控机成本较高，这导致单个监测系统成本过高，而且节点数过多，较为适用于变电站内，对于架空输电线路而言不太合适。分布型监控该分布型监控系统与集中型监控系统构成相似，都是由前台机和后台机组成，但前台机和后台主机的作用与集中型监控不同。前台机由预处理电路、触发电路、A/D转换机、通信系统、波形处理电路主要进行信号收集和波形处理的作用，而后台机主要对前台机进行控制并收集前台机发出的信息[18]。这种分布型结构在国内外使用得也较多，有很多种方式可以控制数据采集单元和处理，比如文献[19-20]采用单片机来实现这个功能；文献[21-22]采用DSP来实现这个功能。系统结构框图如图1.3所示。图1.3分布型系统结构框图分布型监控结构的主要特点是：传感器发出的信号经同轴电缆传输到前台机，在这里不仅可以进行数据的收集，还可以进行数据的分析，而且此前台机可以安装在离传感器较近的地方，减少数据传输的距离，避免数据在传输过程的的衰减，而且所采用的A/D转换器和MCU的成本均比集中监控的采样卡和工控机便宜，大大降低成本。但是这种方式结构的复杂程度较高，需要较高的技术；而且前台机处理数据的设备功能单一，性能较低，而且对于实时监控所需的内存较大。本文将采取分布型监控结构。2.4监测系统的取能方式为了确保架空输电线雷电在线监测系统的正常运行，必须要有独立稳定的供能系统。考虑到架空输电线通常所在的位置是比较偏远而且是在几百米的高空上，如果采用一次性电源，每次更换都会是一个较大的问题，若直接从输电线路上获取电能，一旦电源部分出现了问题，容易引发主网发生故障，这样会造成很大的损失，结合以上分析，可以考虑采用太阳能蓄电池供能的方式，风能与太阳能相互结合的方式和蓄电池独立供电方式。前两种方式都是可循环环保能源，技术较为成熟，均能为监测系统提供足够的能量，而第三种是在一些特殊情况下才采用，因为单独采用蓄电池就必须要定期更换，虽然会比较麻烦。但对于某些雷电发生概率较小的架空线而言，因为该系统处于开启的时间并不长，所以耗电量也相对较小，这方法也不失为一个好的解决方案。2.3监控系统的图像/视频在线监控如今随着科技的进步，无线通讯迅速的发展起来，电网也逐渐趋向智能化、自动化，考虑到部分架空线所处地理位置偏僻，道路崎岖，地势较高，又是雷电和暴风雪的重灾区，为了在紧急情况能第一时间了解到该地的实际情况，可以在特殊的架空输电线路段加装摄像机，在监控中心可以通过控制信号，控制摄像机的开与关。图像/视频在线监控手段采用先进的数字视频压缩技术、长距离无线通讯手段，软件技术和网络技术，将摄像机拍摄到的视频或者图片合理压缩，然后利用3g无线通讯技术将这些数据传输回控制中心，使远在监控中心的工作人员能随时观察到该线路段的实际情况。这样可以减少人员巡查的次数，而且在发生突发情况时可以第一时间了解，还能大大提高巡视的安全系数，一举多得。2.4监测系统通信方式研究分析2.4.13g通信技术（1）传输方式对比选择系统的传输方式有很多，但基本都是采用无线通信，因为可以减少因布线的成本，而常用的无线通讯方式有wife、Zigbee、GPRS、3G、4G这几种传输，他们各有特点。先来对比GPRS、3G、4G这三种传输方式，首先这三种方式是最近发展起来较为成熟的无线通讯方式，从3g到4g，传输速率越来越快，通信协议更加的复杂，通讯的保密性安全性越来越可靠。本系统对通信的要求是在具备足够的安全性和较好的传输性能外，还必须具备足够的传输效率。GPRS这种通讯方式是这三种中最早发明出来的，所以它的弊端也比较大，它额通信保密性和安全性不高，容易在传输过程中遭到被人盗窃，同时其传输速率不及另外两种。而4g通信虽然现在比较普及，但是还是存在部分偏远地区仅有3g，甚至只有2g信号，而部分大城市也存在着通信的盲区，有小部分地方4g通信并不好，而且4g的投资远比3g的大，而3g的传输速率和安全性已经足以应对架空输电线的需求，所以本文采用3g无线通讯。ZigBee采用基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是灵活性高且对外开放的无线通信方式。该方式与以往的网络覆盖形式不同，它不是采用每个成本最低的节点来进行网络覆盖，而是采用一种筛选的方式进行选择。首先，假设A节点需要连通，这一信息便会传递到其余的所有节点中，一旦节点接收到这条信息，便会在自己节点的路由传输表中寻找是否有相应的路由到达A节点的。如果某一节点有相应的路由到达A节点，则会向源节点报备，源节点会从所有符合条件的路由中选择一条最近而且最可靠的线路，并将该条线路的信息存储，若以后有相应请求，则可以直接调用。若该路线出现了问题，则可以马上从剩余的路线挑选一条较好的替代；若该路线所经的路径由于物体的遮挡，导致信号衰弱或者堵塞，则会再自选另一条更长一点的路线。这种无线传输方式具有传输距离近，高自主性和传输速率高的特点。但此传输方式的传输距离较短，且传输速率与安全性比3g通信低，而且隔墙后，传输信号会受到较大影响，所以本系统不采用这种传输方式。而Wife这种传输方式传输距离在100-300M，速率可达300Mbps，功耗10-50mA。具有低能耗，高速率的特点，但其传输距离较短，且安全性较低，所以本系统不采用。（2）3g通信的现状3g通信是移动通信的第三代产品，是无线通信发展历程中重要的一次创造。3g通信具有较高的传输速率，可以同时传输声音、数据和图像，也正因为其较高的速率，本文可以利用3g通信来进行视频监控的数据传输。3g通信现有三大运营商，分别是中国电信、中国联通、中国移动。2.4.2光纤通信技术（1）特点光纤通信的比其他通信方式具有很大的优势，首先它的传输效率高，传输频率范围更广的信号，可以一次性传输多种信息。其次，它的重量轻，且不是采用全金属制造，而是利用了石英材料，其损耗非常的低，比采用任何其他的传输介质还要低。由于光纤通信的光纤是绝缘材料，绝缘能力很强，这也导致其抗电磁干扰的能力强。最后，光纤通信的保密性很好，基本不会导致信号的外泄或丢失，具有很好的发展前景。（2）原理由于光全反射原理，光信号在光纤传输过程中，信号的波形和幅值基本保持不变，这比直接传输电信号具有明显的优势。首先把需传输的信号转变为电信号，再利用激光器发出随电信号强弱变化的光信号，基于光全反射原理进行传输，在接受端处将光信号转变为电信号。2.4.3监测系统的通信方式1、数据采集单元与数据处理器之间通过3g信号联系。即各种传感器收集到的信息，通过3g无线通讯方式传输到到最近的数据处理器，进行数据分析，最后各数据处理器通过光纤传输将数据传输到主机处，若部分线路没有光纤线路，则先将数据处理器里的数据先行传输到最近的拥有光纤通信的数据处理器，再通过光纤将信号传输到主机，这样做的话，因为是先通过3g无线通信进行数据传输到就近的数据处理器，再通过光纤通信把所以处理好的数据传输到主机，这样传输的信号失真程度少，强度高而且安全性强。主机数据处理器采集信息 3g通信 光纤通信主机数据处理器采集信息2、采用视频/图像监测，通过无人机或者摄像机将需要重点监测的线段进行视频监控，将压缩后图像和视频通过3g通信技术传输到监控中心，在必要时进行实时监控。2.5监测系统定位研究与分析通过研究以往的监测系统，可以知道，这些监测系统采用的定位方式是通过给每个需监控的节点编号，通过其与架空线的关系，从而确定其位置，但不难知道，这种定位方式是比较简陋的，而且容易出错，一旦其中一个编号编错，或者在后期扩建时，编号间出现了错乱，这将导致无法定位或者定错位，这样的后果极其严重。基于现今GPS定位技术的发展已经很成熟，主要有以下几个优点：1、全球、全天候工作.；2、定位精度高.；3、功能多，应用广，现已经广泛应用于车载、手机等各方面。4、实时定位速度快；5、抗干扰能力强，保密性好。GPS不仅能进行定位还能定时。GPS系统主要是由GPS星座、地面监控系统和GPS信号接收机组成。其利用GPS同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和GPS卫星上面的时间进行同步的过程，因此GPS能传输的信息不止位置信息还有时间这一信息。2.6监控系统防护措施由于该雷电监控系统是安装在高压输电线上的，该输电线上有着复杂的电场与磁场，而且数值较大，容易影响到监控系统的正常运作，而且由于该系统是安装在雷电高发的地段，所以遭受雷击是在所难免，为了减少雷击对监控系统所带来的影响，必须要做好防雷措施，还有架空线在高处，容易积累污秽和温度容易过高，为此我将列举几点关于架空线的防护措施。2.6.1抗干扰措施利用电磁波在不同介质的交界处会发生折反射这一原理，可以采用一个密闭的金属外壳机箱，且该机箱良好的接地，将设备放进该机箱内，这然就能较好的屏蔽电磁波的影响。采用厚度为0.8mm以上的不锈钢板来制作这一屏蔽机箱，该机箱可以对大多数的电磁波进行阻断，足以保证机箱内的设备不受外部电磁波影响[29-30]。根据电磁定律，该金属机箱外部是等电位面，可以比较好的屏蔽外来的电磁波影响，该金属箱如图2.1.图2.1防电磁干扰的全金属屏蔽箱实物图2.6.2防雷措施1、设备良好的接地。2、设备硬件电路加设防雷电路，避免遭受雷击时被破坏。3、架空输电线加装避雷器和绝缘子数量。2.6.3针对系统自然环境的防护措施首先，由于架空线所处位置较高，附近无遮挡物，所以会受到太阳光的直射，散热条件差，导线温度会变得很高；其次，由于雨水的腐蚀，也会导致架空输电线路上的设备遭受破坏；然后，较高的树木也会对输电线造成破坏，使线路发生短路故障；最后，一些鸟类会在架空线上休息，排泄，这也会在一定程度上对架空线的运输造成威胁。而系统自然环境的防护主要是针对以上几点进行对架空线的防护1、由于太阳光直射，设备密闭性较高，散热性能较差，容易导致温度过高，电子设备以及蓄电池在过高的温度下无法正常工作，所以必须采取相应措施进行降温。先将导线和设备外部喷塑，保持表面光洁，减少热量的吸收。在设备上部加装夹层的塑料遮挡盖，避免阳光的直射。同时使用塑料支架支撑电流线圈，降低热传递，使设备内部温度降低。2、由于环境的变化，现在的雨水多为酸雨，对于金属的腐蚀性太强，同时雨水还可能使架空线发生短路故障。对电子设备加装金属屏蔽箱不仅能提高内部设备抗电磁波的能力，同时还可以降低雨水的危害，为了提高屏蔽箱的寿命，可以在其外部加一层塑料盖。而电缆的外部由于是采用绝缘的塑料材料，可以很好的保护内部不受雨水的危害，但在电缆的两端是和设备连接，在这接口处是最容易发生故障的，为此可以在交接处用一个塑料套套住，避免雨水直接滴落。其次在电压传感器开口上方加装一伞形塑料盖，避免雨水直接滴落，同时将雨水快速甩落，而电流传感器的塑料支架设计为多孔式，让雨水可以通过这些孔流走，避免积水。3、户外的架空线上难免会有污秽，但是由于该监测系统采用封闭式，电流传感器又有保护支架进行保护，污秽难以对电子设备造成危害，所以电流的测量影响很小，可忽略。但污秽会影响到非接触式电压传感器的测量，所以在电压测量时采用实时标定的方式。同时由于污秽对太阳能蓄电池供能模块会造成影响，影响能量的转换率，但从长期来看该影响是基本稳定于某一个值，所以在设计太阳能蓄电池供能系统时，要考虑到这一点，引入相应的修正系数。4、对于离架空线较近的高大树木，要对其进行适当的修剪，必要时要把该树木进行砍伐。。2.7本章总结本章主要是讨论所设计的系统的一些关键问题。第一部分讲述了系统控制信号传输的流程和采用双参数测量的好处，以及对于监测系统结构选择的探讨。第二部分阐述了本监测系统获取电能的途径，可以采用太阳能蓄电池供能方式，直接从太阳中获取能量，能源清洁可循环，其次针对于梅雨天气较多的地方可以采用风光相结合的方式获取能源，可以在一定程度上解决因阳光不足而带来的影响，最后可以采用蓄电池的方法，定期更换蓄电池，这样可以减少设备的投入，但增大了后期的成本，而本系统决定采用太阳能蓄电池的供能方法。第三部分主要是阐述了在监测系统上增加了图像/视频监控方式，可以让在特殊天气时或者平时的时候能随时随地的监控的架空输电线，减少人员巡视的次数，使整个系统更加智能化和自动化。第四部分主要阐述了无线通讯的方式，本系统对无线通讯的要求较高，要求该通讯在具备足够的传输安全性和传输性能外的基础上，具备较快的传输速度，而且成本要尽可能的低，为此选择了3g通信的方式，本系统采用的是分布监控方式，为了尽可能减少数据传输的衰减和失真，本系统采用无线通讯和光纤通讯相结合，传感器采集的信号通过无线通讯传输到最近的前台机处，而相近的前台机之间用3g通信方式传输到几个特定数据收集中心，接着这几个数据收集中心通过光纤通讯将处理后的数据传输到监控中心，所以只需在几个数据中心处安装光纤线路，从而降低成本。第五部分主要阐述了阐述了系统定位的手段，采用GPS定位方式，能准确迅速的定位雷击发生的地点，并能传输雷击发生的时间，一举两得。第六部分主要阐述了监测系统防护的一些措施，因为在线监测系统都是安装在高压且容易遭受雷击的架空线上，不仅具有复杂的电磁效应，还有极大概率遭受雷击，而且野外的环境较差，架空线会遭受来自雨水，太阳辐射和动植物的影响，所以必须采取相应的措施对架空线进行防护，保证架空线上的监控系统正常运行。3.雷击输电线路的仿真分析3.1概述本文采用PSCAD/EMTDC仿真软件，搭建了一个220kV的简易架空输电线路模型，该软件广泛应用于电力系统仿真，其输出是瞬时输出，可以较为直接的看出所测的电流电压波形。本文利用该软件研究单相接地故障与直击雷故障进行对比，分析这两者波形上的区别。3.2雷电流模型本文采用双指数雷电流模型。采用双指数雷电流模型主要有两大好处，第一点是雷电流上升速度较快，第二点是模拟出来的波形与实际雷电流波形十分相近，其表达式如下：iL（t）=AIL(3-1)式中：A为雷电流幅值的修正系数，IL为雷电流幅值(kA)，α、β为对应波形系数。常用双指数波形参数[21]，如下表3-1所示，双指数函数模型表述清晰，方便进行积分与求导等数学运算，模型中雷电流的幅值可以快速达到最大值，一般常用于用于雷电流的近似分析。表3-1双指数雷电流不同波形参数雷电流波形t0/µsAα(s-1)β(s-1)0.25/100µs0.06771.0056.986×1031.085X1070.84/40µs0.09711.03281.821X1043.600X1061.56/60µs0.18191.04031.227X1041.888X1061.2/50µs0.23971.052.125X1042.456X1068/20µs0.6822.337.714X1042.489X10510/200µs1.7961.0913.914X1032.31X10510/700µs2.1511.0261.028X1032.579X1053.3输电线路仿真实际工程中对于不同长度的线路分别予以不同的情况分析。对于较短的线路，一般只需考虑它的线路阻抗，而对于中等长度的线路，要考虑它的电导作用，然后可以把它分为T型或π型电路。最后对于长度较长的线路，必须考虑线路分布参数的影响。在PSCAD仿真软件中，基本是会采用以下三种模型，第一种是PI模型，第二种是Bergeron模型，第三种是频率相关模型。在线路较短时，常用π型电路来模拟，但是π型电路通常只适用于基频电路，如果要模拟频率变化的电路，需要多个π型电路的串联，故在考虑频率变化的电路时，基本不考虑采用PI模型。Bergeron模型的主要构成是有LC分布参数与集中电阻组成，它可以在基频电路中使用，也可以在其他的频率中采用，可以近似地实现多种频率下线路阻抗，故本文采用此模型。3.4杆塔模型仿真中有两种常用的杆塔模型，分别是传输线波阻抗模型和电感模型。电感模型较为简单，是由一个集中电感和一个电阻串联而成。如果采用单一波阻抗模型，该模型是将整一个杆塔看做波阻抗不变传输线，但是因为杆塔不同结构复杂，不同结构的波阻抗会不一样，雷电波在经过不同波阻抗的分解处会发生折返射，所以必须考虑到不同波阻抗这一特点，于是采用分段波阻抗来对杆塔进行模拟[32]。本文将以模拟220kV酒杯型杆塔为例，如图3-2所示。其中，ZT为主支架波阻抗，ZA为横担波阻抗，R为杆塔冲击接地电阻。图3-3为在PSCAD搭建的杆塔模型。图3-2杆塔结构及多段波阻抗模型图3-3仿真杆塔模型3.5雷击干扰与故障仿真结合以上元件，本文利用PSCAD搭建了220kV架空输电线路仿真模型，如图3-4，主要是利用了1.2/50µs，大小为10KA的雷电流，分别做了雷电直击雷和单相故障的仿真，从而分析分辨出发生故障是雷电流引起还是非雷电流引起的，故障相取为C相，发生故障时间为0.05s。图3-4架空输电线仿真模型图3-5雷击杆塔时横担中部电压波形图3-6雷击杆塔时杆塔接地处入地电流波形图图3-7单相接地故障线路电流图3-8单相接地故障线路暂态电流波尾图分析：根据以上图片可知，因雷击造成线路故障，其暂态电流波尾时间为µs级，而因非雷击造成线路故障（多为单相接地故障），其暂态电流波尾时间为ms级，通常远大于50µs，这是因为以1.2/50µs标准型雷电流模型，其波尾时间短，发生雷击故障时线路故障电流可视为雷电流入射线路和入地后反射到线路两部分叠加的结果，这两部分电流极性相反，又加快了暂态电流的衰减，其衰减速度明显快于非雷击故障的暂态电流衰减速度。此监测系统可以以此为参考依据，从而判断故障的发生是否因为雷击而引起的。3.6本章总结本文通过采用双指数雷电流模型，Bergeron架空线模型，分段波阻抗杆塔模型这几种模型搭建了一个简易的220kV架空输电线路模型，通过模拟常发生的非雷击故障——单相接地故障和架空线路上易于发生的雷电直击杆塔的雷击故障，得到发生单相接地故障的故障电流和直击雷故障电流，通过比较其电流波尾的衰减速度发现，雷击故障的电流波尾衰减速度为微秒级，而单相接地故障的电流衰减速度为毫秒级，据此可以通过波形基本判断出雷击故障和非雷击故障。之所以衰减的速度具备这么明显的差异是因为发生雷击故障时线路故障电流可视为雷电流入射线路和入地后反射到线路两部分叠加的结果，这两部分电流极性相反，加快了暂态电流的衰减。4.信息监测单元设计4.1雷电信息监测单元设计对于雷电信息的监测必须监测到两点，一是雷电的发生与否，二是雷电流的大小和线路过电压的大小。对于天气预测台来说，他们是将这两者相结合用一个传感器来完成，这样可以减少所需的体积，但考虑到本系统设计的监测系统中电能的重要性，如果长时间使这一个传感器通电，会造成电量的大量损耗，所以本系统将雷电信息的监测分为两步，第一步先监测到雷电的发生，第二部才启动监测雷电流大小的传感器，这样可以在一定程度上减少电量的损耗。（1）雷电发生监测传感器本系统采用闪电传感器采用AMS独具创新的AS3935数字闪电传感芯片与Coilcraft的MA5532-AE专用天线，可在室内或室外，安全地检测方圆40km范围内发生闪电的距离，闪电相对强度与统计闪电发生次数。AS3935传感器的工作原理是利用射频探测器探测闪电所发出的电能，将所获得的信息进行转换，得出暴雨到达时距离目标处的远近，通过利用气象台多年来累积下来的数据，可以较为准确的确定该距离的大小，最大是41公里，最小差不多1公里。由于AS3935传感器的体积较小，易于集成，功耗低，测量准度较高，因此被广泛的应用到各种设备中，诸如爬山、足球比赛、垂钓、出海等户外活动设备中，还可以用来对室内的智能网络、通信设备等进行早期监测，避免雷电对其造成严重的损害。其结构图如图4-1.原理图如图4-2.其中探测器的前端是由100uH中波天线与AS3935传感器芯片构成的，而SPI接口的作用是使AS3935传感器芯片与控制器之间进行通信，只需要在外围电路中对其进行电容匹配设计和供电就行。该芯片为宽电压供电，供电范围为3.3V-5.5V。对雷暴前锋的距离估算值虽然可以由该传感器实现，但该传感器却无法进行雷电流大小的测量。（2）雷电流大小监测传感器据前面的分析，测量雷电流的大小是采用基于罗氏线圈的电流传感器。本设计中选择上海品研测控技术有限公司设计生产的RCT硬性罗氏线圈。这款传感器是使用的范围较广，在雷电流监测这样领域中较为常见，在气象监控中也常见。该产品有如下优点：1、可测量范围广，可测范围为1A-100kA，能基本满足雷电流测量的要求。2、该罗氏线圈可过载运行，这可以提高监测系统运行的可靠性。3、该罗氏线圈开路并不会造成高压的危险，提高设备的安全性。4、对被测导体无负载消耗，可以减少设备的发热，提高设备的寿命。5、圈内不同测量位置误差小，仅为1%。6、该设备柔软轻便，适合于各种受限位置安装。7、由于罗氏线圈是采用非铁磁材料制造的，所以不会像其他互感器一样存在磁饱和的现象，也就不会因磁饱和而发生铁磁谐振，从而提高了测量的准确度。该传感器实物图：罗氏电流传感器工作原理分析：罗氏电流传感器又称为微分电流传感器，主要作用是用来测量电流。该传感器是由导线缠绕被测导体，当导线中的电流发生变化时，由电磁感应定律可知，导体周围的磁场会发生变化，从而使导线上产生了感应电动势，该电动势的大小和导体中电流与时间的倒数成比例，该比例系数的大小和线圈匝数、一圈导线所缠绕的截面积还有磁导率有关。再通过积分电路，将感应出的电动势进行积分，便可以得到导体的电流。一、罗氏线圈工作原理罗氏线圈探头基本结构原理示意图罗氏线圈是一个缠绕在非铁磁材料上的环状线圈，由于采用了非铁磁材料，所以没有磁饱和和铁磁谐振的问题。有两种类型，分别是柔性和硬性，测量时，只需把线圈套在被测物体上，就可以测出被测物体的电流值大小。罗氏线圈主要是利用了电解定律和安培环路定理：∮H·dl=I(t)由B=μH，e(t)=dΦ/dt，Ф=N∫B·dS，e(t)=M·di/dt，得：其截面为矩形时，M和自感系数L分别为：M=μ0*N*h*ln(b/a)/2πL=μ0*N2*h*ln(b/a)/2π上式中，H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ为真空磁导率，N为线圈匝数，e(t)为线圈两端的感应电压a、b分别为线圈横截面的内外径，h为截面高度。由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比。二、积分器工作原理为了能测量被测物体的电流值，必须将感应电动势进行积分，为此必须有一个积分电路，但由于感应电动势值非常小，如果直接进行积分，会造成很大的误差，因为输入时会有很多其他的干扰信号，为此，我们可以在积分电路前加装一个放大电路，将感应电动势的值放大，这样不仅可以减少干扰信号，还能较容易的测量到电流值的大小：放大积分电路原理示意图4.2其他信号监测设备设计（1）温度传感器设计本系统采用microchip公司的EMC1815是多路低电压遥控二极管温度传感器，具有±1℃的精度，工作温度-40℃到+125℃，温度传感器分辨率0.125℃，SMBus/I2C兼容接口（高达400kHz），工作电压1.62V-3.6V。该设备系列引入了变化率温度测量和相关警报。这提供了一个先发制人的系统警报和另一个保护测量层来捕捉和管理可变的系统温度。电阻误差修正自动消除串联电阻引起的温度误差。如果需要的话，此功能允许使用导线来路由长记录道和非车载连接。自动β补偿消除了对基板二极管和晶体管配置的需要。电阻误差校正功能可自动消除由串联电阻引起的温度误差，从而在路由热二极管方面具有更大的灵活性。β补偿消除了当前精细几何处理器中常见的由低可变β晶体管引起的温度误差。自动β检测功能确定传感器外部二极管/晶体管的最佳设置。这就让用户不用为每个温度监测应用程序提供独特的传感器配置。这些先进的特性加上外部和内部二极管温度的±1℃测量精度，为临界温度监测应用提供了一个低成本、高度灵活和精确的解决方案。EMC1815系列功能框图EMC1815系列系统框图（2）湿度传感器本系统采用Humirel公司的HM1500型号湿度传感器，原理图如4-这款湿度传感器是一款电容式湿度传感器，采用了对湿度变化极为灵敏的电容和将该电容大小的变化进行相应转换的电路，由于电容变化并不明显，所以会在内部加装一个放大电路。该湿度传感器采用恒定电压供电，能够将湿度转变为相应的电压值。由图可知，两个电容是串联连接。其中湿敏材料是一种化学材料，当湿度发生变化时，里面的材料将会发生相应的变化，使介电常数发生变化，湿度越小，介电常数越小，电容值越小，通过变换电路，将电容值大小的变化转变为电压来显示。一、因为输入端的信号强度极弱，所以为了提高转换的精度，必须增加一个放大电路，放大电路原理图如下图4.19所示。运放电路的放大作用是通过运算放大器LM358实现，为了保证器件的可靠性，采用工业级宽温带级别的产品。为了较为理想的放大信号，必须依据具体的传感器参数进行微调，对此可以调节R184电阻和R185电阻的大小。至于电路中电容等参数大小的确定就必须要通过对放大器的微调中进一步确定。图4.19温度数据的运算放大原理图Fig.4.19Operationalamplifierschematicdiagramoftemperaturedata二、通常在运放的后面都会跟一个电压跟随电路，其目的是为了减少次级的输入电阻。因为运放电路的特点是输出阻抗非常大，但是次级的输入电阻要求要比较小，如果直接将这两级相连，产生很大的噪音损耗，所以考虑在这两级间加装一个电压跟随电路，因为电压跟随电路的特点是输入电阻大，输出电阻小，而且输出电压随着输入电压变而变。图4.20电压跟随电路原理图4.3GPS模块的设计本设计中采用ATK-NEO-6M这一GPS型号模块。这一型号模块具有测量输出频率高，其最高值可达5Hz，还有其追踪灵敏度高达-161dBm的这两大优势。模块本身自备绝缘能力强的陶瓷天线，因此不必外加天线设备，也不用为天线预留插口。控制器与模块之间通过串口协议进行数据传输，接口采用常用的4PIN插针，这个插针的尺寸非常小，其中宽范围电源供电的范围为2.7-5.5V。ATK-NEO-6M这一型号模块本身拥有几十个通道，所以它可以同时对多个卫星进行追踪，而且自动捕获卫星所需时间非常短[28]。4.4在线监测系统供能方式设计雷电监测设备在使用中，需要从高架线上引电，这种方式成本较高，并且施工十分复杂，致使系统对外部环境有一定依赖性。本设计中一定要避免上述问题，使用独立的电源供给，因监测系统的电子设备所损耗的电能不多，因此供能方式众多，下面我将列举几种常用的供能方式。太阳能-蓄电池供能方式一般而言，针对于架空输电线路的监测系统而言是没有可以可供其利用的交流电，若是直接从输电线上获取的话，不仅在安装时会造成线路停电，还会因设备的故障而造成电网发生故障，而且会增加干扰源，因此需要考虑采用独立供电的方式，可以利用太阳能蓄电池供电方式，太阳能供电技术较为成熟，而且能源环保，属于可再生能源，可以使电能的产生与损耗形成一个相结合，减少电源更换的次数，同时蓄电池可以在太阳不足时用以发电，在太阳光充足时，可以存储电能。图4.7所示[23-25]为太阳能蓄电池间工作的原理图。负载负载太阳能电池板高性能锂电池充放电控制器太阳能电池板高性能锂电池充放电控制器这个太阳能供电方案主要由四部分组成，分别是太阳能电池板、充放电控制器、高性能锂电池和负载组成。在阳光充足时，太阳能电池板将太阳光转变为电能，通过充放电控制器将电能一部分供给负载使用，一部分用以给蓄电池充电。在夜晚或者阳光不足的早上，锂电池可以通过充放电控制器将电能传输给负载，供负载使用。由此可见充放电控制器的作用主要是控制太阳能电池板、锂电池和负载间电能的转变关系。当太阳能电池板工作且足以提供给负载的电能时，充放电控制器可以将部分电能给锂电池充电，以便在阳光不足的白天或黑夜为负载供电。同时在锂电池上应该有一报警装置，当其电量不足以为负载提供充足的电量，在当地最高无阳光日子数的时间时，应该发出报警信号，提醒工作人员及时更换电池。（2）风能-太阳能相结合方式太阳能与蓄电池为监测系统提供电能的方式虽然安全可靠，但考虑到在一些潮湿、梅雨天气过多的地方，如南方的梅南天天气时，经常会有一段较长的时间没有阳光，这时太阳能蓄电池这种供能方式需要经常更换电池，或者采用容量非常大的蓄电池，但这样的蓄电池体积大，重量大，更换和安装也不方便。但考虑到架空线安装的位置都是比较高的地方，风力会比较大，基于这些情况，可以考虑采用风光相结合的供电方式。这种方案虽然在一定程度上可以减少太阳能供电的缺陷，但采用风光相结合的方式会使设备的投入大大增大，而且一旦损坏需要整个更换，所以应该视情况而安装，在风力较大的地方可以考虑这种方式。图4.8所示[26-27]为风光相结合供能系统的原理简图。图4.8风光相结合供电方案的结构框图Fig.4.8Structurediagramofpowersupplyschemeforwindsolarhybridpowersupply这种供电方式主要由风力发电机、太阳能电池、风光相结合控制器、蓄电池、主控单元、通讯单元组成，工作原理与太阳能供电相似，只是风光相结合控制器是控制选风力还是太阳能为蓄电池充电，然后由蓄电池为负载供电。（3）蓄电池供能方式针对某些偏远的且短时停电并不会造成很大影响的地方，遭受雷电的概率不大，因监测系统电子设备的功耗不大，也可以采用仅由蓄电池供电，定期更换蓄电池，也是一个可取的办法。4.53g模块的设计本系统所采用的3G模块是华为的MC706CDMAEV-DO通信模块。这个模块具有稳定性高，传输效率高的优点，其中上传速度可达1.7Mbit/s，下载速度可达3.2Mbit/s。其次，该模块的功耗较低，待机电流很小，而且能接收到小于-106dBm的信号。它的处理器是和串口通信互相连接，同时支持短信传输业务和语音传输业务。这个模块的尺寸非常小巧，容易集成，故应用范围很广。4.6本章小结本章主要阐述了针对架空输电线路在线监测系统特点所用到了的闪电传感器AS3935、雷电流测量传感器RCT硬性罗氏线圈传感器、温度传感器和湿度传感器的工作原理以及一些特点，并简要的介绍了这些传感器的制作。并分别介绍了本系统所采用GPS模块和3g模块的设计，以及在线监测系统的供能方案。5结论作者通过翻阅众多国内外文献和期刊，基于自己的理解阐述了如何搭建一个架空输电的雷电在线监测系统。本文所搭建的系统是采用太阳能蓄电池供电系统，采用GPS定位系统，定位雷电发生的位置，增设图像/视频监控系统，采用闪电传感器AS3935、雷电流测量传感器RCT硬性罗氏线圈传感器、EMC1815型号温度传感器和HM1500型号湿度传感器，将检测到的信号，通过3g无线通讯技术和光纤通信的手段，将信息安全且快速的传输到监控中心处，使整个系统更加智能化和自动化。通过利用PSCAD搭建简易的220kV架空输电线路模型，从波形上分析如何区别雷击故障和非雷击故障。由于本人的知识面还不够广，本监测系统仍存在很多不足之处，还未进行实际的应用，还没进行相应的运行测试和由于雷电天气可遇不可求，因此对真实情况下的应用较难模拟。所以在未来的工作里，作者会继续完善该监测系统，使其能尽快的在电网中实行。

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