基于LoRa物联网的输电铁塔雷击点远»实时监测系统研究*

郑少华，许志浩，康 兵，丁贵立，曾 兵

（南昌工程学院，江西 南昌330099）

雷电是自然界频繁发生的一种高强度的电磁脉冲现象，因其影响面大，受到了气象、航天、航空、电力、石油诸多部门的广泛关注，其中，电网因其具有广域分布特征、几何尺度达数千公里，更易受到雷电的冲击。据统计，我国高压输电线路由于雷击引起的跳闸次数占总跳闸次数的40%～70%，由此造成的直接经济损失或间接经济损失也越来越多，雷电已经成为严重影响电网安全运行的重要因素[1]。

目前，我国雷击监测主要依靠电网雷电定位系统LLS，在采集信号方面，电网的雷电定位系统LLS主要手段是侦测电磁辐射场的信号，但是该方法无法直接得到雷击电流的波形参数，测量的精度有限，而且易受到外界环境干扰，捕捉雷电信号的灵敏度不高，造成定位不准确。在通信方面，电网的雷电定位系统LLS广泛采用光纤、微波、卫星、网络及电信ADSL和移动GPRS多种通信手段[1-4]。利用这些通信方式通信功耗高、价格昂贵，而且易受到地理位置和气候的影响[5-7]。

在此现状下，研究出一套能实时定位雷击点、灵敏度高、抗干扰能力强、实施成本低且能免维护的输电铁塔雷击点远程实时监测系统具有重要的现实意义[8-10]。本文采用在输电线路沿线的各个铁塔下安装接地引下线电流监测装置，实时监测、采集输电铁塔雷击泄露电流，通过LoRa物联网实现数据通信，运用后台数据分析方法实现对雷击点的精准定位并向巡检人员发送实时位置。

1 基于罗氏线圈传感器雷击泄露电流测量方法

1.1 罗氏线圈传感器原理

罗氏线圈传感器原理结构见图1所示，一种空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接在被测量的导体上测量交流电流，罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律，当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时，在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场[11]，强度为H，由安培环路定律可得：

图1 罗氏线圈传感器原理结构图

1.2 罗氏线圈传感器测量电流等效电路分析

圆环形罗氏线圈（等效电路见图2）的输出端接入一个小的信号电阻R1，线圈的匝数为N，自感系数为L，线圈的内阻为r，杂散电容为C0，输出电压为u0，在理想的条件下：根据理想条件计算：

图2 罗氏线圈传感器等效电路图

由公式可以看出被测电流i1正比于u0。设（N/ra）=S，则：

这里S为线圈灵敏度。

2 雷电监测系统设计

基于LoRa物联网技术的输电铁塔雷击点远程实时监测系统，整合了输电线路及杆塔在线实时监控数据、过程处理数据等，通过对雷击电流数据的采集以及深入挖掘分析，建立相关计算模型对雷击点的故障进行定位，为确定雷击故障点提供基础数据，为电力系统稳定运行提供技术支撑。

2.1 系统的整体架构

本文设计中，监测装置安装在架空塔接地导体上，每个架空塔安装一个监测装置，监测终端可根据用户需求安装在指定位置。监测系统的整体架构示意图如图3所示。

图3 监测系统的整体架构示意图

2.2 系统工作方式流程图

综合在线监测系统由电流监测单元监测电流，系统设计的工作流程为“触发为主，定时为辅”[12]，确保所有异常数据均被记录，同时也兼顾设备功耗。系统工作流程如图4所示。

图4 监测系统工作流程图

2.3 系统模块

该系统分为电流监测单元[13]、通信中继器、监控终端三大模块。

3 雷击监测系统通信

3.1 数据的传输方式

数据的传输方式分为有线传输和无线传输，由于输电线路分布区域广，且呈线性分布，不易采用有线的方式进行数据传输。此外，LoRa技术不需要建设基站，一个网关便可控制较多设备，并且布网方式较为灵活，可大幅度降低建设成本。总的来说，LoRa在信号接收的灵敏度方面更好，能够以较低功耗实现超远距离信号传输，具有较强的链路预算，适用于电池供电的终端设备。本项目在通信这一环节选择LoRa通信技术构建监控设备和监控终端的桥梁。在输电线路或中杆塔正常运行情况下，LoRa芯片以低功耗的模式运行。

3.2 LoRa物联网通信的组网方式

链式组网的传输网络由主节点和子节点组成，主节点一般在传输网络的一端，子节点依次排布向一端逐渐延伸，直至到达末端节点，传输网络的主节点和子节点需要相互配合完成网络的传输，同时每个网络的子节点具备网络识别功能和组网管理功能[14]，链式组网方式的示意图如图5所示。

图5 链式组网方式示意图

在本文中每个监测装置的通信LoRa模块相当于一个子节点，在一定区域内按照分布情况对每个监测装置进行人工编号，编号是按照位置以此排布。节点和节点之间能够相互发送消息。

4 监测系统雷击点定位依据

通过对输电铁塔和输电线路遭受雷击时输电铁塔接地引下线电流的分析，我们可以确定在发生雷击时，输电铁塔接地引下线电流会发生突变。依此原理当输电铁塔遭受雷击时，从变电站沿线开始的第n号及之前的所有输电铁塔，接地装置电流由于空间磁场及电场的突变会发生明显的电流突变升高，而n+1号及之后的杆塔接地装置电流从正常值下降，则可根据电流的变化状态将雷击定位于n及n+1号杆塔附近的区域[15]。

5 结束语

本文针对于输电铁塔设计出一种基于物联网技术的雷击点远程实时监测系统，通过采集输电铁塔接地引下线雷击泄露电流，并且对当前数据的分析向运维人员发出预警，能够实时发送雷击点的位置，帮助运维人员迅速确定雷击点的具体位置，同时也可以通过调取历史数据来分析来预判输电线路雷击点的故障情况。本文所研究的输电铁塔雷击点远程实时监测系统在设计上融合了低功耗通信、大数据分析等先进技术，实现了以“云管边端”为系统架构的输电铁塔雷击点远程在线监控系统。

输电铁塔雷击点在线监测系统的设计切合泛在电力物联网的时代要求，可对输电线路的运行状态进行实时监测。当输电铁塔或输电线路遭受雷击时，监测系统可对故障点进行精准定位，在一定程度上减少了维修人员排查故障的时间，同时节省了大量的人力物力，减少了系统的停电风险。可广泛应用于输电线路雷击点的远程实时监测和雷击点的远程定位。