基于分布式闪电传感器的高压输电线路闪电落区估算

朱剑锋，陆安山，吴秋瑜

（北部湾大学，广西 钦州 535000）

0 引 言

光纤复合架空地线（Optical fiber composite overhead ground wires，OPGW）有着避雷线和光纤通信功能。高压输电线路上的OPGW发生断线断股事故将造成传输数据大量丢失，甚至威胁到调度部门的正常工作。OPGW独特的传感与通信功能使得基于OPGW实现输电线路的雷击定位成为了一种可能[1,2]。由于输电线路距离较长，基于光纤分布式传感技术的定位方法均难以在监测距离、定位精度以及稳定性等方面同时取得较好性能。超长的输电线距离导致设备测试周期长，降低了响应频率，也进一步导致定位精度和可靠性降低[3,4]。所以，如何从根本上有效减少测试时间，对提高长距离输电线雷击定位监测系统的性能有重要意义。

1 闪电落区检测原理

高压输电路地处野外，单组高压输电线送电距离一般介于几千米到几百千米之间，分布大致等效为线型网络[5]。一般在发生雷暴或即将发生雷暴活动的输电线区域内，OPGW才可能遭遇雷击事件。对高压输电线所经区域实施雷电活动判别或粗略定位，使得分布式测量设备仅需对雷电活动区域进行针对性测试，检测距离变得较短，则测试时间也随之减少。这样在保证及时响应雷击的前提下，极大减少光纤分布式测量设备耗费的测试时间。

依据上述理论，分布式传感器闪电落区检测结构如图1所示。高压输电线路长度为80 km，可分为4个等间距区间，分别为A、B、C、D，区间间隔为20 km，相邻区间处放置1个闪电传感节点。每个节点能检测一定距离内发生或即将发生的雷电活动，并用通信模块将检测结果发送到至远端的主控端或服务器，由主控端依据所收集的传感节点数据和节点间几何关系估算出发生雷电活动的可信区域。通过设置更多的分区，分区长度变小，所需传感节点数增多，但定位精度更精准，所需测试时间也更少。

图1 分布式传感器闪电落区检测结构

2 硬件结构设计

闪电检测节点结构如图2所示，主要包括闪电传感器模块、控制器、数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）模块以及太阳能电源。其中，控制器分别通过IIC接口和UART接口与闪电传感器和DTU模块通信，太能能电源则为控制器、闪电传感器以及DTU模块供电。

图2 闪电检测节点结构

2.1 低功耗控制器

16位混合信号处理型MSP430系列控制器具有超低的功耗、强大的处理能力、高性能的模拟技术以及丰富的片内外模块等，工作稳定可靠，开发环境方便高效，是众多便携式仪表应用的理想控制器。控制器通过IIC接口与闪电传感器模块通信，实现参数配置并提取闪电信息，通过UART接口将闪电信息通过DTU模块发送给远端主控器或服务器。本文选用MSP430系列中的MSP430FR5594作为控制器，它拥有超低的功耗和丰富的片内外设，支持1.8～3.6 V供电、运行时钟高达16 MHz，具备256 kB的程序存储器以及日历和报警功能的RTC，此外拥有4个独立IIC和UART通信串口等。该控制器具有的特点满足分布式闪电传感器对功耗和通信接口等内在需求。

MSP430内部RTC外接可充电纽扣电池，保证时间信息不丢失。控制器负责初始化闪电传感器模块和DTU模块，从传感器读取雷电信息，并记录当前发现闪电的时间，然后将检测到的雷电信息、节点编号以及时间组成传感节点数据帧，通过UART接口传输到DTU模块，最后经过移动网络发送到远端主控器。

2.2 闪电传感器

闪电传感器特性对闪电检测系统的性能影响至关重要。奥地利微系统公司推出的AS3935是一款能够检测和分析大气闪电活动并估计在暴风雨中产生的雷电到该位置距离的集成芯片。该传感器的体积小、功耗低、所需外部元件少，适用于便携式产品。它能通过外部天线捕获雷电活动下释放的电磁信号，检测1～40 km内的雷电活动[6]。AS3935内部结构如图3所示，集成了放大、解调、滤波、判别以及模数转换等功能，并支持通过IIC接口与控制器交换数据。

图3 AS3935内部结构

AS3935传感器检测雷电信息仅是一个参考值，它将一时间段内符合阈值范围的事件进行检测和统计，以此来计算闪电能量和估计雷电距离[7]。为提高雷电检测结果的准确性，调节寄存器0x01的WDTH和寄存器0x02的SREJ阈值来排除干扰源，减少误判，但都将以牺牲检测效率为代价[8]。当WDTH=0010（默认值）且SREJ=0000时，5 km、15 km以及25 km雷电距离的检测效率分别约为44%、37%、37%，总体检测效率较低[9]。为了提高检测效率，本文采用多个传感器同位置、同时段检测的方式。假设3个传感器同地点同时检测且结果又独立不相关，那么在5 km、15 km以及25 km雷电距离处，同时不能检测到闪电的效率约为17%、25、25%，即此时能检测到闪电的效率分别提高到了83%、75%、75%。鉴于AS3935的成本相对较低，故通过此方法提升雷电检测效率是可行的。为使得天线获得较好的接收效果，每个传感器都能方便调整角度和位置，故采用传感器模块实现，与主控器连线少、结构简单、方便安装。

如图4和图5所示，分别为DFRobot_AS3935闪电模块及其与MSP430的连接图。闪电模块尺寸仅为2 cm×3 cm，工作电流约为3 mA，支持3.3～5.5 V的工作电压，需要5根导线连接至控制器MSP430，并通过拨码开关A0和A1来配置IIC设备地址，以便将多个闪电模块接入同一个IIC总线。传感器检测到闪电信号时，会在IRQ引脚产生一个正脉冲信号，触发MSP430产生一个中断，促使MSP430通过IIC接口读出该传感器获取的雷电信息。

图4 DFRobot_AS3935闪电模块

图5 DFRobot_AS3935与MSP430连接

2.3 DTU模块

由图1可知，传感节点之间距离较远，选用分布广泛的移动网络作为数据传输网，可保证每个传感节点均能把信息传送至远端主控器。DTU采用TASE29V模块，它支持UART接口、多种协议连接的双向无线透明传输以及5～36 V的宽工作电压，工作电流低至30 mA，尺寸小、功耗低、延迟小、速度快。该模块同时支持快速的4G网络和更远通信距离的2G网络，保证每个传感节点都能有效连接移动网络。每个传感节点的MSP430通过UART接口将数据帧发送至TAS-E29V模块，再经过移动网络传送至远端主控器或服务器，这样便可组建一个快速的多点至单点的无线数据传输网，确保了雷电检测和落区估算的时效性。

2.4 太阳能电源

闪电传感器安置野外，分布广泛的太阳能是理想能源，需要实现太阳能转换成稳定电压给检测系统供电。选用ADI公司推出具有电源通路管理的双输入降压-升压集成开关电源芯片LTC3106作为能量收集器，它支持两路电源输入单路输出功能，可实现输入路径自动管理和电池充电，最高输出电流达300 mA[10]。本文设计了如图6所示的具有后备电池的太阳能供电电源。VIN连接0.6～5 V太阳能电池板作为主电源，VSTORE则连接可重复充电的3.7 V锂聚合物电池。太阳能电池优先为负载提供能量，当日照充足且保证负载供电时，同时自动为锂聚合物电池充电，当太阳能电池板电压太低或供能不足时，能自动切换成锂电池供能。通过配置OS1和OS2引脚电平使得VOUT稳压输出5.0 V，而配置PRI、SS1和SS2引脚电平能控制锂电池最低放电电压和最高充电电压，避免电池过度充电和放电，延长使用寿命。LTC3106输出稳定5.0 V电压能直接为4G DTU模块供电，然后将5 V电压再经过ADP2108降压DC-DC转换器转成3.3 V电压给闪电模块和MSP430供电。LTC3106和ADP2108所构成DC-DC电源电路典型转换效率均达到90%以上，极大地减少了能量浪费，延长供电时长。

图6 有后备电池的太阳能供电电源

3 调试和分析

雷电检测效率不仅与传感器本身特性有关，还与参数配置和安装方式等直接相关。本文采用同一位置安装多个闪电传感器来提高检测效率，要求3个传感器模块尽量安装在足够高的位置，天线尽量处于同一水平面且相互之间的夹角为120°，保证具有良好的全向性和接收效果。同时，DTU模块的天线也应安装在高处，并对传感节点的主电路板和闪电模块做防水处理。

此检测系统目的为发现和定位雷电活动区域，关键在于及时发现雷电，避免漏报雷电信息，保证能对真实雷电事件快速响应。通过配置AS3935内“看门狗”和尖峰抑制阈值均为0（WDTH=0，SREJ=0），设置发生雷电最小次数为1（MIN_NUM_LIGH=0），虽然会导致增加雷电误报信息，却提高雷电检测效率，能有效降低遗漏雷电信息的概率。

验证雷电信息检测功能需要模拟闪电信号，但测试相对复杂。本文选用AMS公司AS3935-DK套件的微型闪电模拟器进行闪电模拟测试，参考图1结构排列闪电传感节点。因为闪电模拟器天线输出功率较小，发射的能量远小于实际闪电产生的能量，能量传播距离也小，所以传感节点间距设置为200 m，通过缩短节点间距的方式来弥补闪电模拟器发射功率的不足。在测试过程中，闪电模拟器放在分区中点，并采用模拟近距离闪电的模式“Close Strike”。闪电模拟器分别放置在4个区域A、B、C、D的中点，同时远程主控端采集3个传感节点的雷电信息（包括闪电距离和闪电强度）。

测试结果如表1所示，当闪电模拟器分别放置在4个区域测试时，各节点检测的闪电距离（参考值）有所不同。闪电模拟器越靠近传感节点，则节点检测的闪电距离越小；距离闪电模拟器位置相近两个节点的检测闪电距离数值也相近，再结合节点的几何关系，主控端很容易判断闪电落区位置。从表1中可看出，闪电模拟器的位置和主控器得出的闪电落区位置判断一致。在一定程度下，不超过闪电传感器性能时，通过更多的分区，能实现更高的定位精度，获得更小的雷电落区范围，但需要传感节点更多，系统成本更高。实际应用中，应根据光纤分布式测试的最小时间要求，合理分区和配置传感节点。

表1 闪电落区估算测试

4 结 论

利用集成闪电传感器和分布式检测技术，实现对高压输电线的雷电活动预警和雷电落区定位，有助于缩减长距离高压输电线雷击定位的测试时间。本文采用集成闪电传感器构建了一种成本低、结构简单的闪电落区定位系统，其功耗较低、体积小、安装维护简单，可以准确判断高压沿线附近的雷电活动，并定位雷电落区位置，是辅助长距离高压输电线实现雷击定位的有效手段。