基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统设计

张方伙

（广东南海电力设计院工程有限公司，广东南海 528200）

雷击作为一种常见的自然灾害，发生时会产生高电压、大电流、超高温度等现象。每次雷击的程度都是不同的，等级高的雷击会导致严重的自然灾害，而非常严重的雷击灾害已经被列为了最严重的十种自然灾害之一［1］。当雷击灾害产生巨大电流时还会影响各种电子设备，例如区域性停电、线路跳闸、通信设备信号减弱等。雷击灾害已经严重地影响到了输电线路的安全问题，现有的雷击预警系统虽然可以起到预警作用，但是因为它的传感器设计不精确，定位系统也易出现问题，导致预警不准确，容易发生误判，造成一些人力、物力、财力上的损害与伤亡。为此本文设计了一种新的基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统设计，以提高雷击预警系统的准确性，使灾害发生前能够及时有效地作出应对措施。

1 硬件设计

1.1 雷击预警传感器设计

在系统的前端部分设计360°雷击预警传感器，使传感器范围性接收雷击信号并做出初步的传输工作。利用LED 数据，感受雷击强度，使雷击预警传感器对雷击预警触发点进行判断，并输出雷击信号。设计雷击预警感受器要设计感受器探测天线，感受器探测天线的长度受电磁波影响，当电磁波的长度是感受器探测天线长度的4 倍时，感受器探测天线会达到最高的信号转换率，效果最好［2］。所以感受器探测天线的长度的计算公式如下所示：

式中，L 为感受器探测天线的长度；S 为电磁波长度；n 为电磁波的频率。

雷击预警传感器为达到360°接收雷击信号，设计两根天线，全方位接收信号，雷击预警传感器天线使用防水结构设计，在盖板处使用CRE 全铜镀金材料，让天线坚固防水。雷击预警传感器天线的设计参数如表1 所示。

雷击预警传感器的控制器内核使用了ARMCortex 核心器件，其最大工作效率达72MHz。而该器件中的高速存储器，最大可达128K 字节［3］。还设置了两个PWM 定时器与四个通用型的TRT 定时器。来控制雷击预警传感器的内部组件工作，维持雷击预警传感器对雷击信号的接收与输出工作。

1.2 信息采集器设计

将信息采集器用微处理器与转换电路组建起来，利用AT89C51 采用ATMEL 技术与标准的MCS-51 单片机的指令集和输出管相融合［4］。使采集器可以通过按键采集到气压、气温、温度、风向、风速、雨量、地温、日照、蒸发一系列信息，并且通过MCS-51单片机储存三天以上任何时间整点的信息数据。

1.3 数据服务器设计

选择大品牌通用服务器，与地面气象观测业务相连接，在其控制引导下，通过雷击预警传感器传入接口，再收集信息采集器的各项数据，显示观测结果、进行数据处理、编辑并输出结果［5］。

2 软件设计

2.1 建立多源数据融合模块

将NPE 算法与KNN-SVM 算法数据融合到输电线路雷击预警中。使用KNN-SVM 算法中的k近邻法，与NPE 中的欧氏空间结合，得到在欧氏空间中的最小的k 个点为近邻点，确定第i 个样本点xi的最小近邻点k 个近邻点公式如下所示：

根据公式（2）重新构造各数据点，并保证其误差最小化。重新构造的系数矩阵公式如下所示：

式中，W为重新构造的系数矩阵；Wij为xi在k中，样本点xi对重新构造xj的贡献。当，每个数据点都只是被最近邻点重新构造；当xi不在xj的附近时，Wij＝0。

公式中xnew采集的新数据，g 和h 为χ2的分布参数，I 为数据总和。

根据公式（6）得到的SPE 统计量，判断输电线路是否遭受雷击并作出相应预警。其具体公式如下所示：

式中，ynew为xnew的重新构造向量。根据公式可预测出是否会遭受雷击灾害。

2.2 构建系统定位模块

根据上述模块判断是否会遭受雷击灾害进行进一步设计，提取系统定位。定位模块主要提取系统中的时间和地点，让系统的各项信息同步，使传感器进行接收传输信号，进行定位。以D303 芯片作为定位系统的核心，开放BN2B1／GPSLI 双频率下的导航定位系统模式，同时使用BN2B1、GPSLI单核系统和双向双核系统三种模式。定位系统内的模块大小为16mm×12.5mm×2.2mm［6］。定位模块的电源输入端为CVV、V-BCKO 和V-ANT，电源的输出端为PCC-RG。CVV 是定位模块的主供电，VBCKO 和V-ANT 是定位模块的后备供电。将天线供电输入端的V-ANT 与电源输出端相连接，可以使电源输出端给预警感受器供电。定位模块电路结构图如图1 所示。

图1 定位模块电路结构图

定位模块检测雷击预警传感器的天线是否正常运转、正常接收信号、进行线路保护；外面的电源天线可以给定位模块供电。雷击预警传感器在外界接收到信号后通过电磁波传输给定位模块中的双模射频芯片，进行数据放大、过滤处理。数据经过处理再转化成数字信号传输给双模基带芯片，再进行数据拆分，形成标准信号。最后分析标准信号的信息，将信息详细化，得到传感器接收到的信号位置，进行定位。

2.3 设计预警功能模块

通过系统定位模块确定雷击地点，对雷击地点进行预警，设置报警阈值，当传感器采集的信息数据超过报警阈值，就会发出声音警报。报警流程如图2 所示。

图2 声音报警流程

将雷击预警传感器接收到的数据进行分析、提取，当数据信息大于报警阈值时，系统会直接报警；当数据信息小于报警阈值时会和数据显示一起进入信息库。为了区分不同程度的报警，将不同频率的声音报警设置成不同预警声音，并且系统设置开关可以选择开启或关闭雷击预警系统。

3 实验对比分析

为了验证基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统的准确性，将其与两种其他预警系统进行对比，另外两种分别为L21 雷电预警系统和LPS-1000 雷电预警系统。

3.1 实验准备

进行实验需要让三种方法在同样的时间、地点、方位、数量上进行预测，进行对比，为了减小误差要使其保持在一个相对稳定的状态下进行实验，实验的环境相对参数如表2 所示。

表2 实验环境参数

根据实验环境参数的设置，在区域内选取5个位置进行预警，将5 个位置分别进行编码，编码为地点1、地点2、地点3、地点4、地点5，在相同的时间进行预警。

3.2 实验对比

将本文的基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统与L21 雷电预警系统和LPS-1000雷电预警系统分别对这5 个地点进行预测，预测结果如表3 所示。

表3 实验预测结果

由表3 可知，本文基于多源数据融合的10kV输电线路雷击预警系统预警准确率大概为80%，L21 雷电预警系统的预警准确率为60%，而LPS-1000 雷电预警系统的预警准确率只达到了40%。本文基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统比L21 雷电预警系统和LPS-1000 雷电预警系统的预警准确率分别高了20%和40%。实验证明了本文基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统的预警准确度比传统的L21 雷电预警系统和LPS-1000 雷电预警系统的预警准确度要高。

4 结论

本文设计的基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统，可以精准预警雷击是否会发生，并对其进行定位。进行实验对比分析结果表明，本文设计的基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统的预警准确度很高，远高于传统的雷击预警系统，可以达到有效预警，提前进行相应准备措施。说明本文设计的基于多源数据融合的10kV 输电线路雷击预警系统对于雷击灾害预警有着很高的使用价值。